DE19537417C2 - Hydraulischer Stellantrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen hydraulischen Stellantrieb, insbesonde­ re für die Blattwinkelsteuerung eines Hubschraubers, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei bekannten hydraulischen Stellantrieben dieser Art (DE 28 32 898 A1), wie sie etwa in Verbindung mit Hubschraubern als Hauptantrieb zur Rotorblatt- Winkelverstellung, aber auch als Kraftverstärker in Steuersignal- Übertragungsstrecken Verwendung finden, erfolgt die Ventilrücksteuerung über ein dem Ventilschieber vorgeschaltetes Mischgetriebe, auf das einer­ seits die Stellkommandos und andererseits hierzu gegensinnig über eine me­ chanische Verbindung zum Stellkolben die Ausgangsbewegungen des Ak­ tuators einwirken. Derartige Stellantriebe besitzen ein relativ großes Ein­ bauvolumen und Baugewicht, was gerade bei Hubschraubern mit häufig beengten Platzverhältnissen und strikten Gewichtsanforderungen von Nachteil ist, zumal dort zumeist eine Vielzahl derartiger Stellantriebe be­ nötigt wird. Hinzu kommt, daß das Mischgetriebe aus Gründen eines exakten Steuerverhaltens in herstellungsmäßig aufwendiger Präzisions­ bauweise ausgebildet werden muß.

Ferner sind hydraulische Stellantriebe bekannt, bei denen der Aktuator­ kolben feststeht, das Gehäuse des Aktuators hingegen zusammen mit dem Servoventilgehäuse verschieblich angeordnet ist. Hierdurch ist zwar ein Mischgetriebe für die Ventilrücksteuerung entbehrlich, statt dessen muß aber infolge der verschieblichen Anordnung des gemeinsamen Aktuator-/ Ventilgehäuses ein vermehrter Lageraufwand und ein erhöhtes Einbau­ volumen und Baugewicht des Stellantriebs in Kauf genommen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, den hydraulischen Stellantrieb der eingangs genannten Art so auszubilden, daß eine wesentliche konstruktive Verein­ fachung erzielt und ein problemloser Einbau auch unter beengten Platz­ verhältnissen ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Stellantrieb gelöst.

Erfindungsgemäß wird durch die beanspruchte Einbeziehung des Servo­ ventils in die ohnehin benötigte Kolbenstange des Aktuator-Stellkolbens der sonst für das Servoventil zusätzlich erforderliche Einbauraum einge­ spart und zugleich eine unmittelbare, mischgetriebefreie Signalrückführung vom Aktuator zum Servoventil erreicht. Hierdurch wird gegenüber den üb­ lichen, mischgetriebefreien Ventilrücksteuerungen mit verschieblich ange­ ordnetem Aktuatorgehäuse weiterer Einbauraum gewonnen und der Bau- und Gewichtsaufwand merklich verringert. Der erfindungsgemäße Stell­ antrieb eignet sich daher aufgrund seiner kompakten, konstruktiv einfachen Gestaltung insbesondere für Anwendungsfälle, die - wie etwa bei Hub­ schrauber-Blattwinkelsteuerungen - hinsichtlich Platzbedarf und Bauge­ wicht strengen Anforderungen unterliegen.

In weiterer, besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird die Steuerung der Arbeitskammer zur Hydraulikdruckquelle und zum Rücklauf gemäß Anspruch 2 über zwei mechanisch voneinander getrennte Ventile, nämlich zum einen das Servoventil und zum anderen ein diesem nach­ laufend in Abhängigkeit vom Arbeitskammerdruck umschaltendes Steuer­ ventil bewirkt. Hierdurch wird eine weitere herstellungsmäßige Verein­ fachung erreicht: Während nämlich bei Verwendung eines einzelnen, sowohl zur Rücklauf- als auch zur Druckzufuhrsteuerung vorgesehenen Servoventils der gegenseitige Abstand der jeweiligen Ventilsteuerkanten in äußerst engen Toleranzen gehalten werden muß, entfällt bei der Doppel­ ventilanordnung nach Anspruch 2 infolge der fehlenden mechanischen Zwangsverkoppelung der Druckzufuhr- und der Rücklauf-Ventilsteuer­ kanten die Notwendigkeit einer hinsichtlich ihres gegenseitigen Abstandes hochgenauen Steuerkantenfertigung, so daß die Ventilherstellung wesent­ lich vereinfacht und die Störanfälligkeit und Verschleißempfindlichkeit der Ventilanordnung deutlich reduziert werden.

Gemäß einem weiteren wesentlichen Aspekt der Erfindung ist das in den Kolbenabschnitt einbezogene Servoventil gemäß Anspruch 3 als Dreh­ schieberventil mit einer bezüglich der Stellkolben-Verschiebeachse schräg geneigten Steuerkante ausgebildet. Auf diese Weise läßt sich - anders als bei den bekannten, mischgetriebefreien Ventilrücksteuerungen, bei denen das Übersetzungsverhältnis des Stellantriebs zwischen der Eingangsbe­ wegung des Ventilschiebers und der Ausgangsbewegung des Hydraulik­ aktuators stets auf Eins festgelegt ist - durch entsprechende Wahl des Neigungswinkels der Steuerkante eine irgend erwünschte Übersetzungs­ charakteristik des Stellantriebs erzielen. Um dabei mit dem Servoventil mehrere Arbeitskammern des Aktuators steuern zu können, ist die eine Steuerfläche des Servoventils gemäß Anspruch 4 vorzugsweise mit zwei Steuerkanten in Form eines in der Sperrlage des Servoventils durch die Gegenfläche verschlossenen, schräg zur Ventillängsrichtung verlaufenden Steuerschlitzes versehen. Eine in diesem Zusammenhang besonders be­ vorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht gemäß Anspruch 5 darin, daß die Steuerkante bzw. der Steuerschlitz bezüglich der Kolbenachse ungleichförmig geneigt verläuft. Infolgedessen läßt sich nicht nur eine irgend erwünschte lineare, sondern auch praktische jede beliebige nicht­ lineare Übersetzungscharakteristik des Stellantriebs realisieren, insbeson­ dere auch eine solche, bei der der Stellantrieb in der Hubmitte des Aktuators auf die Steuerkommandoeingaben sehr feinfühlig reagiert, also das Übersetzungsverhältnis kleiner als Eins ist, während zu den Hubenden hin der Neigungswinkel der Steuerkante bzw. des Steuerschlitzes bezüglich der Kolbenachse abnimmt und dementsprechend das Übersetzungs­ verhältnis progressiv ansteigt. Eine solche progressive Übersetzungs­ charakteristik wird vor allem im Zusammenhang mit pilotengesteuerten Blattwinkelverstelleinrichtungen von Hubschraubern angestrebt.

Bei einem Stellantrieb mit einem doppelt wirkenden Hydraulikaktuator wird gemäß Anspruch 6 als Servoventil vorzugsweise ein ausgangsseitig mit beiden Arbeitskammern verbundenes Dreistellungsventil in die Kolben­ stange des Aktuators integriert.

Ferner ist es möglich, den erfindungsgemäßen Stellantrieb nur zeitweise zu aktivieren, ansonsten aber den Aktuator unabhängig von den ventil­ schieberseitigen Steuerkommandoeingaben freigängig zu schalten, etwa bei Verwendung des Stellantriebs in redundanter Anordnung zusammen mit weiteren, gleichartigen Stellantrieben oder wenn die Steuerkommandos normalerweise über eine Fly-by-wire-Steuerung Übertragen werden und der kraftverstärkende Steuerkommandopfad über den Stellantrieb nur hilfs­ weise bei Ausfall der Fly-by-wire-Steuerung benötigt wird. Zu diesem Zweck ist gemäß Anspruch 7 vorzugsweise ein zum Freigängigschalten des Stellantriebs selektiv von einer Schließ- in eine Öffnungslage umsteuerbares Bypaßventil zwischen den Arbeitskammern des Aktuators vorgesehen. Gemäß Anspruch 8 schließlich enthält das Bypaßventil vorzugsweise eine zusätzliche Ventilstufe, die die Druckzufuhr zu beiden Arbeitskammern sperrt, wenn diese über das Bypaßventil hydraulisch miteinander ver­ bunden sind, also der Aktuator freigeschaltet ist. Auf diese Weise wird verhindert, daß Steuerkommandos, die weiterhin am Ventilschieber einge­ geben werden, auf dem Wege über die miteinander verbundenen Arbeits­ kammern einen hydraulischen Kurzschluß zwischen der Druckmittelquelle und dem Rücklauf verursachen können.

Die Erfindung wird nunmehr anhand zweier Ausführungsbeispiele in Ver­ bindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schema­ tisierter Darstellung:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht eines hydraulischen Stell­ antriebs gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung eines weiteren Aus­ führungsbeispiels; und

Fig. 3 einen vergrößerten Schnitt längs der Linie I-I der Fig. 2.

Der in Fig. 1 gezeigte hydraulische Stellantrieb enthält als Hauptbestand­ teile einen Hydraulikaktuator 2 und ein Servoventil 4. Der Hydraulikaktua­ tor 2 ist ein doppelt wirkender Linearantrieb, bestehend aus einem fest­ stehenden Hydraulikzylinder 6 und einem diesen in die Arbeitskammern 8 und 10 unterteilenden Stellkolben 12 mit einer sich beidseitig des Stell­ kolbens 12 erstreckenden, am einen Ende mit dem Ausgang 14 des Stell­ antriebs versehenen Kolbenstange 16.

Die Kolbenstange 16 ist so ausgebildet, daß sie einen Bestandteil des Servoventils 4 bildet und enthält zu diesem Zweck eine zentrale, in Axial­ richtung des Stellkolbens 12 verlaufende Aufnahmebohrung 18, in der der steuerkommandobetätigte Ventilschieber 20 des Servoventils 4 dichtend und gleitend verschieblich geführt ist. Im Ventilschieber 20 befindet sich ein Hydraulikkanal 22, der an eine flexible, zum Rücklauf R führende Hydraulikleitung 24 angeschlossen und zu einer Umfangsnut 26 an der mit der Innenfläche 28 der Kolbenstange 16 zusammenwirkenden Steuerfläche 30 des Ventilschiebers 20 geöffnet ist. Der arbeitskammerseitige Ventil­ auslaß besteht aus zwei seitlich an die Umfangsnut 26 angrenzenden Steueröffnungen 32 und 34 an der Innenfläche 28, die den Kolbenstangen­ abschnitt 16 durchsetzen und jeweils unmittelbar neben dem Stellkolben 12 in die Arbeitskammer 8 bzw. 10 münden.

Auf Seiten der Druckquelle P enthält der Stellantrieb ein solenoidbetätigtes, zweistufiges Bypaßventil 36, welches in der gezeigten Ventilstellung die Druckzufuhrleitung 38 freigibt und die Anschlußleitungen 40 und 42 zu den Arbeitskammern 8 bzw. 10 voneinander trennt, sowie ein zwischen der Druckzufuhrleitung 38 und den Anschlußleitungen 40 und 42 wirkendes Steuerventil 44, welches nachlaufend zum Servoventil 4 in Abhängigkeit von der Druckdifferenz zwischen den Arbeitskammern 8, 10 umschaltet und bei einem Druckgleichgewicht der Arbeitskammern 8, 10 die Mittel­ stellung einnimmt, in der es den Hydraulikzustrom zu den Arbeitskammern 8, 10 unterbindet.

Befindet sich der Ventilschieber 20 bezüglich der Kolbenstange 16 in der gezeigten Neutralstellung, so sind beide Steueröffnungen 32, 34 und folg­ lich auch die Arbeitskammern 8, 10 zum Rücklauf R gesperrt. Das Druck­ niveau in den Arbeitskammern 8, 10 ist gleich groß, und der Arbeitskolben 12 verbleibt in seiner Stellung. Wird jedoch (über ein nicht gezeigtes Steuergestänge) auf die Eingangsseite 46 des Ventilschiebers 2 ein Stell­ kommando z. B. im Sinne der Fig. 1 nach rechts eingegeben, so wird die Steueröffnung 32 durch die Umfangsnut 26 aufgesteuert und somit die Arbeitskammer 8 Über den Hydraulikkanal 22 und die Rücklaufleitung 24 drucklos geschaltet, während die Steueröffnung 34 und somit auch die Arbeitskammer 10 weiterhin durch den Ventilschieber 20 vom Rücklauf R getrennt bleiben. Unter der Wirkung des hydraulischen Ungleichgewichts zwischen den Arbeitskammern 8 und 10 schaltet das Steuerventil 44 in die rechte Schaltstellung um, in der es die Arbeitsdruckleitung 38 von der Anschlußleitung 40 vollständig trennt und die Druckmittelzufuhr über die Anschlußleitung 42 zur Arbeitskammer 10 freigibt. Somit verfährt der Stellkolben 12 mit der Kolbenstange 16 und dem Stellantrieb-Ausgang 14 nach rechts. Hierdurch wird zugleich das Servoventil 4 zurückgesteuert, bis die Steueröffnung 32 die Seitenkante der Umfangsnut 26 in entgegenge­ setzter Richtung überwandert und beide Arbeitskammern 8 und 10 wieder vom Rücklauf R getrennt sind. Der Stellantrieb verbleibt in dieser Position, bis der Ventilschieber 20 durch ein Steuerkommando erneut relativ zur Kolbenstange 16 verstellt wird, z. B. im Sinne der Fig. 1 nach links, woraufhin sich der oben beschriebene Vorgang in umgekehrter Richtung wiederholt. Auf diese Weise werden die Steuerkommandoeingaben kraft­ verstärkt am Ausgang 14 des Stellantriebs - etwa im Rahmen einer nicht gezeigten Hubschrauber-Blattwinkelsteuernng - weitergegeben, und zwar mit einem Übersetzungsverhältnis von Eins, d. h. eine Steuerkommando­ eingabe wird vom Stellantrieb in eine gleich große, kraftverstärkte Aus­ gangsbewegung umgesetzt.

Das Bypaßventil 36 dient dazu, den Stellantrieb freizuschalten, wenn dieser beispielsweise zusammen mit weiteren, gleichartigen Stellantrieben in re­ dundanter Anordnung Verwendung findet oder als Kraftverstärker im Zuge einer mechanischen, parallel zu einer normalerweise aktivierten Fly-by- wire-Steuerung wirkenden Signalübertragungsstrecke angeordnet und nur hilfsweise bei einer Funktionsstörung der Fly-by-wire-Steuerung aktiviert werden muß. Durch Umschalten des Bypaßventils 36 wird die Druck­ zufuhrleitung 38 vom Steuerventil 44 getrennt und die Arbeitskammern 8, 10 werden hydraulisch kurzgeschlossen. Hierdurch wird der Ausgang 14 des Stellantriebs vom Steuerkommandoeingang 46 entkoppelt und die Kolbenstange 16 ist freigängig verstellbar, unabhängig davon, ob und in welcher Größe Steuerkommandos auf den Ventilschieber 20 gegeben werden.

Der Stellantrieb nach den Fig. 2 und 3, wo die dem ersten Ausführungs­ beispiel entsprechenden Bauelemente durch ein um 100 erhöhtes Bezugs­ zeichen gekennzeichnet sind, unterscheidet sich von diesem hauptsächlich dadurch, daß er sich mit einer weitgehend beliebigen, gewünschtenfalls auch nicht-linearen Übersetzungscharakteristik ausführen läßt. Zu diesem Zweck ist der Ventilschieber 120 in der Aufnahmebohrung 118 der Kol­ benstange 116 und zusätzlich an einer Lagerabstützung 48 drehbar an­ geordnet, während der Stellkolben 112 zusammen mit der Kolbenstange 116 über ein Gestänge 50 linear verschieblich, aber drehfest am Hydrau­ likzylinder 106 geführt ist. Das Eingangsglied 146 besteht aus einem Kipphebel, über den der Ventilschieber 120 nach Maßgabe der Steuer­ kommandoeingaben bezüglich der Kolbenstange 116 drehpositioniert wird.

In der Steuerfläche 130 des Ventilschiebers 120 ist anstelle einer Umfangs­ nut (Fig. 1) ein in Axialrichtung des Ventilschiebers 120 schräg verlaufen­ der Steuerschlitz 52 mit seitlichen Ventilsteuerkanten 54 und 56 ausge­ bildet. Die kolbenstangenseitige Steuerfläche 128 enthält zwei nierenförmig in den Stellkolben 112 hineinreichende Hydraulikkammern 58, 60 geringer Axialbreite, die jeweils über eine Hydrauliköffnung 132 bzw. 134 im Stell­ kolben 112 mit der Arbeitskammer 108 bzw. 110 in Verbindung stehen und voneinander durch einen Mittelsteg 62 an der Steuerfläche 128 ge­ trennt sind, welcher in der in Fig. 3 gezeigten Neutralstellung des Servo­ ventils 104 den Steuerschlitz 52 überdeckt und dadurch beide Arbeits­ kammern 108 und 110 vom Rücklauf R trennt. Wird jedoch der Ventil­ schieber 120 infolge einer Steuerkommandoeingabe verdreht, so wird - je nach Drehrichtung - die eine oder andere Steuerkante 54 oder 56 auf­ gesteuert und die entsprechende Arbeitskammer 108 oder 110 mit dem Rücklauf R verbunden, während die jeweils andere Arbeitskammer zum Rücklauf R gesperrt bleibt und über das nunmehr in gleicher Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel umschaltende Steuerventil 144 mit einem ungehinderten Druckmittelzustrom beaufschlagt wird. Die daraufhin ein­ setzende Linearbewegung des Stellkolbens 112 wirkt unmittelbar auf das Servoventil 104 zurück, bis sich der Kolbenstangenabschnitt 116 relativ zum Ventilschieber 120 soweit axial verschoben hat, daß der Steuersteg 62 den Steuerschlitz 52 überwandert und erneut beide Steuerkanten 54 und 56 von den Hydraulikkammern 58, 60 getrennt werden, woraufhin der Hydraulikaktuator 102 in der neuen Position zum Stillstand kommt.

Das Übersetzungsverhältnis ist abhängig von der Neigung des Steuer­ schlitzes 52 bezüglich der Servoventilachse. Ist der Steuerschlitz 52 flach geneigt, so ergibt eine relativ kleine Winkelverstellung des Eingangshebels 146 eine vergleichsweise große Ausgangsbewegung des Aktuators 102, und umgekehrt. Auf diese Weise läßt sich der Stellantrieb mit einer irgend erwünschten Übersetzungscharakteristik ausbilden, einschließlich einer nicht-linearen, derart daß der Steuerschlitz 52 nicht mit einem gleichblei­ benden Neigungswinkel, sondern gebogen mit einem sich in Schlitzlängs­ richtung ändernden Neigungswinkel ausgebildet wird. Soll der Stellantrieb z. B. in Verbindung mit einer Rotorblattwinkelsteuerung in der Mittel­ stellung des Stellkolbens 112 sehr feinfühlig auf die Steuerkommando­ eingaben reagieren, das Übersetzungsverhältnis zu den Hubenden hin aber steil ansteigen, so muß der Steuerschlitz 52 gegenüber der Ventil-Längs­ achse in der Schlitzmitte relativ stark geneigt, zu den Schlitzenden hin aber zunehmend flacher verlaufen.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ferner beidseitig des Steuerventils 144 jeweils ein sich zur Anschlußleitung 140 bzw. 142 öffnendes Rückschlagventil 64 bzw. 66 vorgesehen. Hierdurch wird erreicht, daß der Stellkolben 112 hydraulisch verriegelt wird, wenn am Ausgang 114 eine die maximale Stell- oder Haltekraft des Aktuators 102 Übersteigende Außenlast angreift. Im übrigen ist die Bau- und Funktionsweise des Stellantriebs gemäß den Fig. 2 und 3 die gleiche wie beim ersten Ausführungsbeispiel.

Claims (8)

1. Hydraulischer Stellantrieb, insbesondere für die Blattwinkelsteue­ rung eines Hubschraubers, mit einem Hydraulikaktuator mit minde­ stens einer stellkolbenbegrenzten Arbeitskammer und einem die Arbeitskammer selektiv mit der Hydraulikdruckquelle bzw. dem Rücklauf verbindenden Servoventil mit einem steuerkommandobe­ tätigten Ventilschieber und einer die Ventilstellung entsprechend der Stellkolbenbewegung gegensinnig zur Steuerkommandoeingabe be­ einflussenden Ventil-Rücksteuerung, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellkolben (12, 112) des Hydraulikaktuators (2,102) einen zu­ sammen mit dem Ventilschieber (20, 120) das Servoventil (4, 104) einschließlich der Ventil-Rücksteuerung bildenden Kolbenabschnitt (16, 116) enthält und dieser mit einem im Bereich des Stellkolbens in die Arbeitskammer (8, 10, 108, 110) mündenden Ventilauslaß (32, 34) versehen ist.

2. Hydraulischer Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydraulikdruckquelle (P) und der Rücklauf (R) Über voneinander getrennte Hydraulikleitungen (40, 42, 140, 142 bzw. 22, 24, 122, 124) an die Arbeitskammer (8, 10, 108, 110) angeschlossen sind und im Zuge der einen Hydraulikleitung das durch den Kolben­ abschnitt (16, 116) gebildete Servoventil (4, 104) angeordnet, während in der anderen Hydraulikleitung ein dem Servoventil nach­ laufend in Abhängigkeit vom Druckniveau in der Arbeitskammer gesteuertes, gegensinnig zum Servoventil umschaltendes Steuerventil (44, 144) vorgesehen ist.

3. Hydraulischer Stellantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenabschnitt (116) verschieblich, aber drehfest geführt und der Ventilschieber (120) als entsprechend den Steuerkommando­ eingaben drehpositionierter Drehschieber ausgebildet ist und zumin­ dest eine der zwischen Kolbenabschnitt und Drehschieber wirkenden Ventilsteuerflächen (128, 130) eine bezaglich der Kolbenachse schräg verlaufende Steuerkante (54, 56) aufweist.

4. Hydraulischer Stellantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die drehschieberseitige Steuerfläche (130) einen in der Sperrlage des Servoventils (104) durch die kolbenseitige Steuerfläche (128) ver­ schlossenen, steuerkantenbildend schräg zur Schieberlängsrichtung verlaufenden Steuerschlitz (52) aufweist.

5. Hydraulischer Stellantrieb nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerkante (54, 56) bzw. der Steuerschlitz (52) bezüglich der Kolbenachse ungleichförmig geneigt verläuft.

6. Hydraulischer Stellantrieb nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, mit einem doppelt wirkenden Hydraulikaktuator, dadurch gekennzeichnet, daß das Servoventil (4, 104) als in die Kolbenstange (16, 116) integrier­ tes Mehrwegeventil zur Druckmittelsteuerung beider Arbeits­ kammern (8, 10, 108, 110) des Aktuators (2, 102) ausgebildet ist.

7. Hydraulischer Stellantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Arbeitskammern (8, 10, 108, 110) des Aktuators (2, 102) eine Hydraulikverbindung mit einem zum Freigängigschalten des Aktuators von einer Schließ- in eine Öffnungslage umsteuerbaren Bypaßventil (36, 136) vorgesehen ist.

8. Hydraulischer Stellantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Bypassventil (36, 136) eine die Druckzufuhr (38, 138) zu den beiden Arbeitskammern (8, 10, 108, 110) in der Freischaltstellung des Aktuators (2, 102) sperrende Ventilstufe enthält.