DE1800866C3 - Hydraulischer Stellantrieb, insbesondere für die Steuerung von Luft- und Raumfahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Stellantrieb, insbesondere für die Steuerung von Luft- und Raumfahrzeugen, mit einer elektro-hydraulischen Ansteuerung eines hydraulischen Stellmotors für den Normalbetrieb, sowie einer parallelgeschalteten mechanischen Ansteuerung des Stellmotors für den Notbetrieb, welche bei Ausfall der elektro-hydraulischen Ansteuerung über eine Fehlerüberwachungseinrichtung eingeschaltet wird.

Die elektro-hydraulische Ansteuerung stellt dabei

866 eine leistungsfähige Einrichtung für den Normalbetrieb dar, bei 4er beispielsweise die Zuordnung von Steuerkommando und Ruderausschlag in Abhängigkeit vom Staudruck oder anderen Flugparametern über Regler verändert werden können, während die mechanische Ansteuerung als Ersatz bei Ausfall der elektro-hydraulischen Steuerung dient und so ausgelegt ist, daß eine sichere Landung des Fluggerätes gewährleistet ist.

Aus der französischen Patentschrift 1 506 041 ist es bekanntgeworden, bei Flugzeugsteuerungen mehrere Steuereinrichtungen vorzusehen, wobei die Möglichkeit gegeben ist. bei Ausfall einer Einrichtung diese abzuschalten und auf eine weitere intakte Steuereinrichtung umzuschalten.

Herkömmliche Flugsteuerungen, wie sie beispielsweise in »Flugzeughydraulik« v. Friedr. Klein. Hanns Reich Verlag. München 1963. beschrieben sind, verwenden für das Reglersignal einen elektro-hydraulischen Stellkolben, dessen mechanischer Ausgang mit dem mechanischen Pilotensignal addiert wird und damit den hydraulischen Stellantrieb steuert Bei einer derartigen Einrichtung, bei der beide Systeme stets gleichzeitig den Stellantrieb ansteuern, geht die mechanische Handsteuerung in die elektrische Steuerung ein, unc¹ bei Bruch des mechanischen Gestänges geht auch die elektrische Steuerung verloren.

Ls ist auch bereits eine Steuerung bekanntgeworden, bei der nach der eingangs beschriebenen Art das elektro-hydraulische System von dem mechanischen System getrennt ist so daß kein Spiel im Gestänge wirk sam werden kann und bei Beschädigung bzw. Bruch des Gestänges die elektro-hydraulische Steuerung noch arbeitet (Sperry Phoenix Comp. Technical Report Nr. AFFDL TR-67-53 v. Juni 1%7: »Flight-by-Wire Tech niques« von F. L M i 11 e r und J. E. E m ρ f i η g e r). Es ist jedoch bisher nicht gelungen, eine derartige Steuerung so aufzubauen, daß bei allen Steuerstellungen der Übergang von der elektrischen zur mechanischen Ansteuerung ohne Ruck vor sich geht vielmehr ist ein ruckfreier Übergang nur in einer bestimmten Steuerstellung mi^iich. Außerdem liegt eine Gefahr dieser bekannten Steuerung darin, daß mit dem Übergang von der die verschiedensten Flugparameter berücksichtigenden elektrischen Steuerung zur mechanischen Steuerung in der Regel eine Vergrößerung des Ausschlages der Steuerflächen usw. verbunden ist was insbesondere beim Hochgeschwindigkeits- oder Tiefflug zu unkontrollierbaren Flugzuständen führen kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei Ausfall der elektrischen Steuerung in allen Steuerstellungen einen ruckfreien Übergang zur mechanischen Steuerung erlaubt und dem Piloten nach dem Umschalten eine Sicherheitsfrist gewährt innerhalb derer er das Fluggerät nicht übersteuern kann.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst daß das Signalausgangsgestänge der mechanischen Ansteuerung sich in zwei über ein Hebelgestänge miteinander verbundene Steuerstangen aufteilt, von denen die erste Steuerstange zur Betätigung eines Steuerschiebers zur Ansteuerung des Stellkolbens dient und die zweite einen in einem Zylinder geführten, beidseitig beaufschlagten Kolben trägt und daß beiden Steuerstangen je eine lösbare Verriegelungskupplung zugeordnet ist, wobei eine Verriegelungskupplung während vies Normalbetriebes die erste Steuerstange in einer Sollage blockiert und die zweite freigibt und während des Notbetriebes die zweite Steuerstange blök-

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kiert und die erste freigibt, und daß die Verriegelungsicupplung der zweiten Steuerstange aus zwei beidseitig des Kolbens angeordneten, die Arbeitskammern begrenzenden Kupplungskolben bestehen, die zur Blokkierung der zweiten Steuerstange in Richtung auf den Reiben unter Abschluß je einer öli ucklaufleitung verschiebbar sind, wobei ein zeitlich definierter Abbau des Druckes in den Arbeitskammern über in dem Kupplungskolben angeordnete Drosselblenden erfolgt.

Eine derartige Anordnung erlaubt dem mechanisehen Gestänge im Normalbetrieb einerseits eine Leerlaufbewegung über die frei bewegliche zweite Steuerstange, während andererseits der eigentliche Steuerschieber stillgelegt ist Während des Notbetriebes bildet jedoch die zweite Steuerstange über den Kolben und die zugehörige Verriegelungskupplung einen definierten Festpunkt, auf dem sich das mechanische Steuergestänge abstützen kann. An den Stellkolben wird im Augenblick des Umschaltens unabhängig von der Stellung beispielsweise des Steuerknüppels das am Steuerschieber fest eingestellte Steuersignal weitergegeben. Erst mit der zeitlich verzögerten Verschiebung des Kolbens in eine Sollage stellt sich im Zusammenwirken mit der mechanischen Rückführung eine Gleichgewichtslage ein, bei der der Steuerbefehl und die Stellung der Steuermittel, also beispielsweise der Flugzeugnider. wieder übereinstimmen.

Nach einem Merkmal der Erfindung werden die Vcr riegelungskupplungen während des Normalbetriebes durch einen von der Fehlerüberwachungseinrichtung gesteuerten Halteöldruck entgegen der Kraft von t cdern in ihrer Sollage gehalten. Das dazu erforderliche Drucköl wird aus dem ohnehin vorhandenen Hydraulikkreis für den Stellantrieb entnommen.

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vor gesehen, daß d^;e Verriegelungskupplung aus zwei koaxial zu der ersten Steuerstange angeordneten Kupplungskolben besteht, welche sich in der verriegelnden Stellung gegen einen Bund der Steuerstange anlegen.

Weiterhin ist insbesondere für die Höhensteuerung eines Flugzeuges erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Steuerschieber während des Normalbetriebes eine •euerstellung im Sinne einer Abfangbewegung einnimmt. Der Steuerausschlag ist so berru ^sen, daß beispielsweise bei Höchstgeschwindigkeit der kritische Abfangfall nicht überschritten wird

Fin Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher beschrieben.

Die Zeichnung zeigt schematisch den Aufbau einer Höhenruder-Steuerung für Flugzeuge, bei der zur Übertragung der am Steuerknüppel 1 eingeleiteten Steuersignale zum hydraulischen Stellmotor 5 sowohl ein elektrisches als auch ein mechanisches Ansteuerungssystem vorgesehen sind. Im Nornialbetrieb arbeitet das mechanische System im Leerlauf, während das elektrische System die Steuerung übernimmt. Über den Steuerknüppel 1 betätigt der Pilot den elektrischen Geber 2, dessen Ausgang mit dem Eingang des Flugreglers 3 verbunden ist. Die elektrischen Ausgangssignale des Flugreglers 3 werden in einem elektro-hydraulischen Servo-Ventilblock 4 eingegeben, wo sie in die hydraulischen Signale zur Ansteuerung des Stellmotors 5 umgewandelt werden. Zwischen dem Servo-Ventilblock 4 und dem Stellantrieb 5 ist ein Syslemumschalter 6 angeordnet, welcher das jeweils in Funktion befindliche Ansteuerungssystem einschaltet und das andere sperrt. Dieser Systemumschalter 6 wird seinerseits von einer hydraulischen Fehlerüberwachungseinheit 7, welche die Funktion des Servo-Ventilblockes 4 überwacht angesteuert

Das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Ausschlag am Steuerknüppel 1 und dem Ausschlag der durch den Stellmotor 5 betätigten Ruderfläche 8 kann durch Wirkung des Flugreglers 3 in Abhängigkeit von der Flugdynamik verändert werden, wie durch die Flugdatenerfassungsemheit 9 schematisch angedeutet wurde. Durch die Reglerwirkung kann beispielsweise bei konstantem Knüppelausschlag der Ausschlag an der Steuerfläche 8 mit zunehmendem Staudruck verringert werden.

Weiterhin ist ein Autopilot 10 sowie eine elektrische Rückführung ti vorgesehen, deren Signale in einem Summierungspunkt 12 mit dem Ausgangssignal des Flugreglers 3 summiert werden.

Bei Normalbetrieb, d. h. also bei elektrischer Steuerung, arbeitet das mechanische System im Leerlauf. Die Stoßstange 13 überträgt die Bewegungen des Steuerknüppels 1 auf einen Hebel 14, an dessen einem Endpunkt 15 eine mechanische Rückführung 16 und an dessem anderem Endpunkt 17 ein Signaleingangsgestänge 18 angelenkt ist. Diese ist mit einem zweiarmigen Hebel 19 gelenkig verbunden, der seinerseits mit zwei Steuerstangen 20, 23 gelenkig verbunden ist, von denen die erste Steuerstange 20 zur Betätigung des Steuerschiebers 21 dient, während die zweite Steuerstange 23 einen Kolben 24 trägt. Der Steuerstange 20 ist eine Verriegelungskupplung 30, 31. der Steuerstange 23 eine Verriegelungskupplung 25. 26 zugeordnet. Beide Verriegelungskupplungen sind in der Stellung gezeigt, welche sie bei Normalbetrieb einnehmen. Durch den von der Fehlerüberwachungseinrichtung 7 gesteuerten Haltedruck wird die Verriegelungskupplung 30, 31 in ihrer die Steuerstange 20 blockierenden Lage, die Verriegelungskupplung 25. 26 in ihrer geöffneten Lage festgehalten. Der Gelenkpunkt 27 stellt auf diese Weise einen festen Drehpunkt für den Hebel 19 dar. während der Gelenkpunkt 28 frei beweglich ist. Der Kolben 24 kann das in den Kammern 29 befindliche Öl frei verdrängen, weil beide Kammern 29 mit dem Rücklauf R des hydraulischen Versorgungskreises verbunden sind. Auf diese Weise kann die durch den Flugregler 3 verursachte Differenz zwischen der Stellung des Steuerknüppels 1 und der Ruderfläche 8 über die Rückführung 16 und die Bewegung der Steuerstange 23 ausgeliehen werden. Der Steuerschieber 21 wird durch die Verriegelungskupplung 30,31 in einer Stellung festgehalten, durch die nach dem Umschalten von der elek'rischen auf die mechanische Steuerung am Ausgang des Steuerschiebers ein Abfangssignal erzeugt wird.

Bei Ausfall der elektrischen Steuerung löst die I ehlerüberwachungseinheit eine automatische Umschaltung vom elektrischen System auf das mechanische System aus. Durch den Zusammenbruch des am Ausgang der Fehleruberwachungseinheit 7 anliegenden Öldrukkes schaltet der Systemumschalter 6 die vom Steuerschieber 21 ausgehenden Steuerleitungen ein und sperrt die vom Servo-Ventilblock 4 ausgehenden Steuerleitungen. Im Augenblick des Umschaitens auf die mechanische Notsteuerung wird damit über den Steuerschieber 21 ein definierbares Signal im Sinne einer Abfangsteuerung an die Ruderfläche 8 gegeben.

Mit dem Zusammenbruch des Haltedruckes, welcher die Verriegelungskupplungen 25,26,30,31 in den in der Zeichnung dargestellten Lagen hält, ist die Verriegelungskupplung 30, 31 und damit die Bewegung des

Steuerschiebers 21 frei, und die Verriegelungskupplung 25, 26 fixiert den Trimmkolben 24 in der augenblicklichen Stellung. Dies geschieht in der Weise, daß die Kupplungskolben der Vcrriegelungskupplung 25,26 zunächst unter Federdruck nach innen verschoben werden, bis sie die Verbindungsöffnungen zum Rücklauf R überdecken und den Kolben 24 mit der Kraft der Kupplungsfedern in das vorhandene ölvolumen einspannen. Über in den Kupplungsboden angeordnete Drosselblenden 32 wird das eingespannte Ölvolumen durch die Kraft der Kupplungsfedern in einer definierbaren Zeit verdrängt. Dadurch wird der Trimmkolben 24 langsam in Mittelstellung gebracht, und die durch die Reglerwirkung verursachte Differenz zwischen Steuerknüppel 1 und Ruderfläche 8, wie sie im Augenblick des Umschaltens gerade vorlag, wird beseitigt. Der Pilot kann diese langsame Trimmbewegung bequem ausgleichen.

Die Wirkungsweise der gesamten Einrichtung ist also nach Vorbeschriebenem derart, daß für jede Steuerstellung des Steuerknüppels 1 bei Ausfall der elektrischen Steuerung das Ruder 8 zunächst eine Stellung im Sinne einer Abfangbewegung einnimmt, wodurch insbesondere bei Tiefflugaufgaben der Pilot genügend Zeil erhält, sich auf die veränderte Lage einzustellen. Die durch den Regler 3 verursachte Differenz zwischen Knüppelstellung und Ruderstellung wird zudem nicht ruckweise ausgeliehen, sondern in einer durch die Bemessung der Drosselblende 32 bestimmbaren Zeitspanne.

Hierzu 1 Blatt Zcichnungeu

Claims (4)

Patentansprüche: 18

1. Hydraulischer Stellantrieb, insbesondere für die Steuerung von Luft- und Raumfahrzeugen mit einer elektfo-hydraulischen Ansteuerung eines hydraulischen Stellmotors für den Normalbetrieb, sowie einer parallelgeschalteten, mechanischen Ansteuerung des Stellmotors für den Notbetrieb, welche bei Ausfall der elektro-hydraulischen Ansteuerung über eine Fehlerüberwachungseinrichtung eingeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Signaleingangsgestänge {18) der mechanischen Ansteuerung sich in zwei über ein Hebelgestänge (19) miteinander verbundene Steuerstangen (20,23) aufteilt, von denen die erste Steuerstange (20) zur Betätigung eines Steuerschiebers (21) zur Ansteuerung des Stellkolbens (S) dient und die zweite (23) einen in einem Zylinder geführten, beidseitig beaufschlagten Kolben (24) trägt, und daß beiden Steuerstan- gen (20. 23) je eine lösbare Verriegelungskupplung (25, 26; 30. 31) zugeordnet ist wobei eine Verriegelungskupplung (30. 31) während des Normalbetriebes die erste Steuerstange (20a) in einer Sollage blockiert und die zweite (23) freigibt und während des Notbetriebes die zweite Steuerstange (23) blokkiert und die erste (20) freigibt, und daß die Verriegelungskupplung (25, 26) der zweiten Steuerstange (23) aus zwei beidseitig des Kolbens (24) angeordneten, die Arbeitskammern (29) begrenzenden Kupplungskolben bestehen, die zur Blockierung der zweiten Steuerstange (23) in Richtung auf den Kolben (24) unter Abschluß je einer ölrücklaufleitung {R) verschiebbar sind, wobei ein zeitlich definierter Abbau des Druckes in den Arbeitskammern (29) über in den Kupplungskolben angeordnete Drosseiblenden (32) erfolgt.

2. Stellantrieb nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Verriegelungskupplungen (25, 26; 30, 3i) während des Normalbetriebes durch einen von der Fehlerüberwachungseinrichtung (7) gesteuerten Halteöldruck entgegen der Kraft von Federn in ihrer Sollage gehalten werden.

3. Stellantrieb nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verriegelungskupp- lung (30, 31) aus zwei koaxial zu der ersten Steuerstange (20) angeordneten Kupplungskolben besteht, welche sich in der verriegelten Stellung gegen einen Bund der Steuerstange (20) anlegen.

4. Stellantrieb nach den Ansprüchen 1 und 3 für die Höhensteuerung eines Flugzeuges, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerschieber (21) während des Normalbetriebes in einer Steuerstellung im Sinne einer Abfangbewegung blockiert ist.

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