DE19732515C1 - Hydraulischer Stellantrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen hydraulischen Stellantrieb, insbeson­ dere zur Blattwinkelsteuerung eines Hubschraubers, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Hydraulische Stellantriebe dieser Art, wie sie zur kraftverstärkten Blattwin­ kelsteuerung von Hubschrauber-Rotoren Verwendung finden, enthalten ein aus Sicherheitsgründen zumeist duales Hydrauliksystem einschließlich eines hydraulischen Doppelaktuators mit einer zugeordneten, zweifach be­ stückten Servoventilanordnung, welche normalerweise über einen elektri­ schen, rechnergestützten und hilfsweise über einen mechanischen, ein­ gangsseitig an den Steuerknüppel angeschlossenen Steuerkommandopfad angesteuert wird. Die Umschaltung zwischen elektrischer und mechanischer Ansteuerung erfolgt dabei mit Hilfe zweier gegensinnig zueinander hydraulisch betätigter Schaltkupplungen, von denen die erste im elektrischen Ansteuermodus eingerückt ist und dann das Rückführglied des mechani­ schen Steuerkommandopfades am Gehäuse festbremst, um so die Stellbe­ wegungen des Hydraulikaktuators auf mechanischem Wege an den Steuer­ knüppel zurückzumelden, während die zweite, im mechanischen Ansteuer­ modus eingerückte Schaltkupplung das Rückführglied mit dem Ventilkörper der Servoventilanordnung verbindet. Beide Schaltkupplungen müssen selbstzentrierend ausgebildet sein, damit das Rückführglied unabhängig von seiner Momentanstellung positionsgenau an das Gehäuse bzw. an den Ser­ voventilkörper angekoppelt wird, und ferner müssen die Kupplungen ein mechanisches Überdrücken der elektrischen Ansteuerung ermöglichen, um Steuerungsfehler des elektrischen Kommandopfades durch manuelle Steuer­ knüppeleingriffe des Piloten rasch korrigieren zu können. Bei den bekannten Stellantrieben der eingangs genannten Art werden diese Schaltfunktionen durch einen baulich relativ komplizierten Klemmrollen-Kupplungsmecha­ nismus bewirkt, der eine bezogen auf die vor allem im Hubschrauberbau strikten Sicherheitsanforderungen begrenzte Schaltzuverlässigkeit besitzt und darüber hinaus den Nachteil hat, daß ein Zurückschalten vom mechani­ schen in den elektrischen Ansteuermodus - etwa nach einem kurzzeitigen Ausfall des elektrischen Versorgungssystems - nicht immer möglich ist.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, den hydraulischen Stellantrieb der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Umschalt-, Überdrück- und Zentrierfunktionen auf baulich einfache Weise und mit sehr hoher Schaltzuverlässigkeit realisiert werden.

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

Erfindungsgemäß wird durch die besondere Ausbildung des Kupplungsme­ chanismus aus mit unterschiedlichen Formschlußwinkeln unmittelbar und ohne Zwischenschaltung weiterer beweglicher Kupplungselemente zusam­ menwirkenden Kontaktflächen in Verbindung mit der die Kupplungsum­ schaltung bewirkenden Querverstellung des Rückführgliedes eine ganz we­ sentliche bauliche Vereinfachung erzielt und die Schaltzuverlässigkeit des Stellantriebs signifikant, nämlich um mindestens eine Zehnerpotenz erhöht, so daß der erfindungsgemäße Stellantrieb den strengen Sicherheitskriterien von Hubschraubersteuerungen in vollem Umfang entspricht.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird das Rückführglied, wie nach Anspruch 2 bevorzugt, hydraulisch schaltsignalbetätigt und so die Schaltkinematik des Rückführgliedes in das Hydrauliksystem des Stellan­ triebs einbezogen. Dabei ist das Rückführglied nach Anspruch 3 zweck­ mäßigerweise in Richtung der einen Kupplungsposition hydraulisch und in Richtung der anderen Kupplungsposition federbetätigt, wodurch zum einen der Bauaufwand für die Umschaltung des Rückführgliedes reduziert und zum anderen gewährleistet wird, daß das Rückführglied bei einem hydrauli­ schen Druckverlust eine definierte Kupplungsposition einnimmt, wobei das Rückführglied nach Anspruch 4 in besonders bevorzugter Weise in Richtung des mechanischen Ansteuermodus federbetätigt ist, um bei einem Ausfall des Hydrauliksystems sicherzustellen, daß der mechanische Steuer­ kommandopfad selbsttätig mit der Servoventilanordnung zwangsverkoppelt wird und daher Steuerknüppeleingriffe nach Durchfahren des Verstellbe­ reichs der Servoventilanordnung bewegungskonform an den Hydraulikak­ tuator übertragen werden, so daß bei einem Gesamtdruckverlust wenigstens noch eine Notsteuerung des Aktuatorausgangs - wenn auch ohne Kraftver­ stärkung - möglich ist.

Nach Anspruch 5 ist der Verstellweg des Rückführgliedes in Richtung der Servoventilbetätigung vorzugsweise anschlagbegrenzt, um eine Überlastung der Servoventilanordnung im mechanischen Ansteuermodus, vor allem für den Fall einer mechanischen Notsteuerung, zu verhindern.

Eine baulich besonders einfache Gestaltung der Kontaktflächen der Schalt­ kupplungen wird nach Anspruch 6 zweckmäßigerweise dadurch erreicht, daß die Kontaktflächen keilförmig ausgebildet sind, und zwar mit einem Keilwinkel, der für das erste Kontaktflächenpaar größer und für das zweite Kontaktflächenpaar kleiner als der Haftreibungswinkel bemessen ist.

Wird der Stellantrieb aus Sicherheitsgründen, wie eingangs erwähnt, als Doppelsystem ausgebildet, so ist das Rückführglied nach Anspruch 7 vor­ zugsweise einerseits mit dem Ausgang beider Aktuatorteile und andererseits im eingerückten Zustand der zweiten Kupplung gemeinsam mit beiden Ser­ voventilen der Servoventilanordnung verbunden, so daß das Gesamtsystem mit einem einzigen mechanischen Steuerkommandopfad für beide System­ hälften auskommt.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbin­ dung mit der Zeichnung näher erläutert, die in ihrer einzigen Figur ein Blockschaltbild eines Stellantriebs nach der Erfindung in stark schemati­ sierter Darstellung zeigt.

Der in der Zeichnung dargestellte Stellantrieb ist als duales Hydrauliksystem ausgebildet und enthält als Hauptbestandteile einen aus zwei Aktuatorteilen 2A und 2B bestehenden Hydraulikaktuator 2, zwei voneinander getrennte, jeweils einer Systemhälfte zugeordnete Hydraulikkreisläufe einschließlich einer Hydraulikdruckquelle 4A bzw. 4B und eines Rücklaufs 6A bzw. 6B, sowie eine im Zuge der Hydraulikkreisläufe liegende Doppelservoventil-An­ ordnung 8 mit zwei über ein Verbindungselement 10 bewegungsschlüssig miteinander verbundenen, jeweils einen der Aktuatorteile 2A bzw. 2B steu­ ernden Servoventilen 8A und 8B.

Die beiden Aktuatorteile 2A und 2B werden simultan betrieben und ihre gemeinsame Kolbenstange 12 ist ausgangsseitig - wie in der Zeichnung stark schematisch dargestellt - an die Blattwinkelsteuerung 14 eines Hubschrau­ ber-Hauptrotors angeschlossen. Die Aktuatorteile 2A und 2B sind so aus­ gelegt, daß die Blattwinkelsteuerung 14 bei einem Ausfall der einen System­ hälfte allein von dem Aktuatorteil der noch funktionsfähigen, anderen Sy­ stemhälfte übernommen werden kann, während der funktionsunfähige Ak­ tuatorteil "leer" mitläuft.

Zur Eingabe der Steuerbefehle enthält der Stellantrieb einen mechanischen Steuerkommandopfad 16 mit einem einerseits mit dem Steuerknüppel (nicht gezeigt) verbundenen und andererseits an der Kolbenstange 12 des Hydrau­ likaktuators 2 angelenkten Eingangshebel 18 und einem mit dem Eingangs­ hebel 18 zwischen der steuerknüppelseitigen und der kolbenstangenseitigen Anschlußstelle drehbar verbundenen Rückführglied 20, sowie einen elektri­ schen Steuerkommandopfad 22 in Form eines Autopiloten oder einer rech­ nergestützen Fly-by-wire-Steuerung mit einem die jeweilige Kolbenstan­ genstellung aufnehmenden, elektrischen Weggeber 24 und einer die Servo­ ventilanordnung 8 nach Maßgabe der elektrischen Steuersignale betätigen­ den Magnetspulenanordnung 26.

Dem Rückführglied 20 ist ein mit zwei durch Querverstellung des Rück­ führgliedes 20 gegensinnig zueinander ein- und ausrückbaren Formschluß­ kupplungen 28, 30 versehener Schaltmechanismus zugeordnet. Die erste Kupplung 28 besteht aus einem keilförmig gestalteten Kontaktflächenpaar 32, 34 mit einer gehäusefesten Kontaktfläche 32 und einer korrespondie­ renden, am Rückführglied 20 befestigten Gegenfläche 34, und die zweite Kupplung 30 besteht aus einem ebenfalls keilförmig ausgebildeten Kontakt­ flächenpaar 36, 38 mit einer am Verbindungselement 10 der Servoventilan­ ordnung 8 und einer am Rückführglied 20 ausgebildeten Kontaktfläche 36 bzw. 38.

Die Querverstellung des Rückführgliedes 20 zwischen den beiden Kupp­ lungspositionen wird auf hydraulischem Wege mit Hilfe einer aus Redun­ danzgründen doppelt bestückten Stellkolbenanordnung 40 bewirkt, von de­ nen der eine Stellkolben 40A über ein Solenoidventil 42A an den ersten Hy­ draulikkreis 4A, 6A und der zweite Stellkolben 40B über ein weiteres So­ lenoidventil 42B an den zweiten Hydraulikkreis 4B, 6B angeschlossen ist.

Bei Druckbeaufschlagung der Stellkolbenanordnung 40 gelangt das Rück­ führglied 20 in den in der Zeichnung dargestellten Schaltzustand, in dem die erste Kupplung 28 vollständig eingerückt ist und dadurch das Rückführglied 20 in Längsrichtung formschlüssig am Gehäuse festgebremst wird. Bei Druckentlastung beider Stellkolben 40A und 40B wird die erste Kupplung 28 unter der Kraft einer wiederum aus Sicherheitsgründen doppelt bestück­ ten Federanordnung 44 aus- und die zweite Kupplung 30 eingerückt, so daß das Rückführglied 20 in Längsrichtung bewegungsfest mit dem Verbin­ dungselement 10 der Servoventilanordnung 8 verkoppelt wird. Die Kontakt­ flächenpaare 32, 34 und 36, 38 sind so gestaltet, daß die Kupplungen 28 bzw. 30 einen Selbstzentrierungseffekt besitzen, d. h. unabhängig von der Momentanstellung des Rückführgliedes 20 und des Verbindungselements 10 gelangt das Rückführglied 20 beim Einrücken der Kupplung 28 selbsttätig in eine vorgegebene Längenposition bezüglich des Gehäuses und beim Einrücken der Kupplung 30 selbsttätig in eine vorgegebene Lage bezüglich des Verbindungselements 10. Ferner liegt der Keilwinkel des Kontakt­ flächenpaares 32, 34 außerhalb des Selbsthemmungswinkels, so daß die er­ ste Kupplung 28 von Seiten des Eingangshebels 18 aus und gegen die Stell­ kraft der Stellkolbenanordnung 40 überdrückt und dadurch das Rückführ­ glied 20 in die zweite Kupplungsposition verstellt werden kann. Der Keil­ winkel des Kontaktflächenpaares 36, 38 liegt hingegen im Selbsthemmungs­ bereich, so daß die zweite Kupplung 30 nur durch die Stellkolbenanordnung 40, nicht aber durch manuelle Steuereingriffe seitens des Eingangshebels 18 freigeschaltet werden kann. Der zum Überdrücken der Kupplung 28 und zur mechanischen Ansteuerung der Servoventilanordnung 8 erforderliche Längshub des Rückführgliedes 20 wird durch gehäusefeste Anschläge 46 begrenzt.

Normalerweise befindet sich der Stellantrieb - wie gezeigt - im elektrischen Ansteuermodus, in welchem die Servoventile 8 nach Maßgabe der vom elektrischen Steuerkommandopfad 22 eingegebenen Steuersignale geschaltet werden und das Rückführglied 20 durch Aktivierung der Schaltsignalbetäti­ gung 40, 42 gehäusefest verkoppelt ist, so daß die Stellbewegungen des Hy­ draulikaktuators 2 auf dem Wege über den mechanischen Steuerkommando­ pfad 16 an den Steuerknüppel zurückgemeldet werden. Zum Umschalten auf den mechanischen Ansteuermodus wird die Schaltsignalbetätigung 40, 42 deaktiviert und dadurch die Kontaktfläche 34 von der Gehäusefläche gelöst und die Kupplung 30 eingerückt, so daß die Servoventilanordnung 8 nunmehr vom Steuerknüppel aus über den Eingangshebel 18 und das Rück­ führglied 20 ansteuerbar ist, wobei die Stellbewegungen des Hydraulikak­ tuators 2 über den Eingangshebel 18 und das Rückführglied 20 auf die Ser­ voventilanordnung 8 zurückwirken. Mit dem beschriebenen Kupplungs- und Schaltmechanismus ist ein störungsfreies Umschalten zwischen elektrischer und mechanischer Ansteuerung jederzeit und in beiden Richtungen mit hoher Schaltsicherheit möglich. Im elektrischen Ansteuermodus ergibt sich ferner auf die oben beschriebene Weise dadurch eine Überdrückmöglichkeit, daß sich die Kupplung 28 durch mechanische Steuerkommandoeingriffe freischalten und hierdurch das Verbindungselement 10 mit dem Rückführ­ glied 20 verkoppeln läßt, so daß die elektrischen Steuerkommandos auf dem Wege über den mechanischen Steuerkommandopfad 16 korrigiert werden können.

Bei Ausfall eines der Hydraulikkreise bleibt die beschriebene Arbeitsweise des Stellantriebs im wesentlichen ungestört erhalten. Die Umschaltung zwi­ schen mechanischer und elektrischer Ansteuerung wird dann allein von dem im noch funktionsfähigen Hydraulikkreis enthaltenen Stellkolben 40A bzw. 40B übernommen, und der verbleibende Aktuatorteil 2A bzw. 2B erzeugt eine für die Blattwinkelsteuerung 14 ausreichend große Stellkraft. Fallen hingegen beide Hydraulikkreise aus, so wird das Rückführglied 20 unter der Wirkung der Federanordnung 44 selbsttätig in die zweite Kupplungsposition verstellt, und die Steuerknüppelbewegungen werden nach Erreichen der Ventilendstellungen der Servoventilanordnung 8 bzw. nach Anlage des Ein­ gangshebels 18 an einem der Anschläge 46 mechanisch an die Kolbenstange 12 des Hydraulikaktuators 2 und von dort an die Blattwinkelsteuerung 14 übertragen, so daß auch eine Notsteuerfunktion - allerdings ohne Kraftverstärkung mittels des Hydraulikaktuators 2 - erhalten wird.

Claims (7)

1. Hydraulischer Stellantrieb, insbesondere zur Blattwinkelsteuerung eines Hubschraubers,
mit einem Hydraulikaktuator,
einer diesen selektiv mit der Hydraulikdruckquelle und dem Rücklauf verbindenden Servoventilanordnung, die einerseits über einen mecha­ nischen Steuerkommandopfad einschließlich eines zwischen Hydrau­ likaktuator und Servoventilanordnung wirkenden Rückführgliedes und andererseits über einen elektrischen Steuerkommandopfad ansteuerbar ist,
sowie mit ersten und zweiten, durch Schaltsignalbetätigung gegensin­ nig zueinander ein- und ausrückbaren, das Rückführglied jeweils im elektrischen Ansteuermodus gehäusefest bzw. im mechanischen An­ steuermodus mit der Servoventilanordnung in vorgegebener Lage ver­ bindenden Schaltkupplungen,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Rückführglied (20) zum gegensinnigen Ein- und Ausrücken der beiden Schaltkupplungen (28, 30) quer zur Rückführbewegung schalt­ signalbetätigt verstellbar ist und jede Kupplung aus zwei bei einer Querverstellung des Rückführgliedes zunehmend ineinandergreifen­ den und sich gegenseitig auf eine vorgegebene Relativlage selbst­ zentrierenden, jeweils am Rückführglied und am Servoventilkörper (10) befestigten bzw. gehäusefesten Kontaktflächen (32, 34 und 36, 38) besteht, und daß das die erste Schaltkupplung (28) bildende Kon­ taktflächenpaar (32, 34) einen außerhalb des Selbsthemmungswinkels liegenden, bei einer die Stellkraft der Schaltsignalbetätigung (40, 42, 44) übersteigenden, mechanischen Steuerkommandoeingabe sich lösenden und das Rückführglied in die entgegengesetzte Kupplungs­ position verstellenden Formschluß besitzt.

2. Hydraulischer Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückführglied (20) hydraulisch schaltsignalbetätigt ist.

3. Hydraulischer Stellantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückführglied (20) in Richtung der einen Kupplungsposition hy­ draulisch und in Richtung der anderen Kupplungsposition federbetä­ tigt ist.

4. Hydraulischer Stellantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückführglied (20) in Richtung des mechanischen Ansteuermodus federbetätigt ist.

5. Hydraulischer Stellantrieb nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstellweg des Rückführgliedes (20) in Richtung der Servoven­ tilbetätigung anschlagbegrenzt ist.

6. Hydraulischer Stellantrieb nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen (32, 34 und 36, 38) der beiden Schaltkupplungen (28, 30) keilförmig ausgebildet sind, wobei der Kontaktflächen-Keil­ winkel der ersten Kupplung (28) größer und der der zweiten Kupp­ lung (30) kleiner als der Haftreibungswinkel bemessen ist.

7. Hydraulischer Stellantrieb nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, mit einem dualen Hydraulikaktuator und zwei jeweils einem Aktua­ torteil zugeordneten, an voneinander getrennte Hydraulikkreise ange­ schlossenen Servoventilen, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückführglied (20) mechanisch einerseits mit dem gemeinsamen Ausgang (12) beider Aktuatorteile (2A, 2B) und andererseits im ein­ gerückten Zustand der zweiten Schaltkupplung (30) mit beiden Ser­ voventilen (8A, 8B) verbunden ist.