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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Stellantrieb, insbesondere
zum Einsatz in Flugsimulatoren, mit einem hydraulischen Stellzylinder
und einem Proportional- oder
Servoventil zur Steuerung des hydraulischen Stellzylinders. Weiterhin
betrifft die vorliegende Erfindung einen Flugsimulator mit mindestens
einem solchen Stellantrieb.
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Solche
Stellantriebe mit einem hydraulischen Stellzylinder werden verwendet,
um die Fahrerkabine eines Flugsimulators zu bewegen und so eine
realistische Simulation der Flugbewegung zu ermöglichen.
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Bei
bekannten Systemen kommen dabei handelsübliche Stellzylinder zum Einsatz,
welche von einem zentralen Hydraulikaggregat mit Druck versorgt
werden. Aufgrund der langen Zuleitungen verlieren solche Stellantriebe
aber an Dynamik, insbesondere aufgrund der großen Hydraulikfluidvolumina
der Hydraulikleitungen. Auch sonst sind die bekannten Stellantriebe
wenig dynamisch, insbesondere da die Stellzylinder zur Bewegung
der Fahrerkabine des Flugsimulators erst die statische Last, welche durch
das Gewicht der Fahrerkabine auf Ihnen lastet, überwinden müssen und zudem die Kolbenstangen der
Stellzylinder nicht leichtgängig
genug sind. Auch sonst sind die bekannten Systeme teuer, schlecht
zu warten und verbrauchen viel Platz und Energie. Insbesondere die
großen
Hydraulikfluidvolumina durch die Zuleitungen von dem zentralen Hydraulikaggregat
verteuern den Betrieb, wobei die Wartung und der Wechsel der einzelnen
Stellantriebe zudem durch das notwendige Ablassen des Hydraulikfluids
erschwert werden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen Stellantrieb insbesondere
zum Einsatz in Flugsimulatoren zur Verfügung zu stellen, welcher eine
hohe Dynamik aufweist. Des Weiteren ist es Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, einen Stellantrieb zur Verfügung zu stellen, welcher kostengünstig produziert
und betrieben werden kann und leicht zu warten ist. Ebenso ist es
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen entsprechenden Flugsimulator
zur Verfügung
zu stellen.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe von einem Stellantrieb gemäß Anspruch 1 gelöst. Ein
solcher Stellantrieb insbesondere zum Einsatz in Flugsimulatoren
umfasst dabei einen hydraulischen Stellzylinder und ein Proportional-
oder Servoventil zur Steuerung des hydraulischen Stellzylinders,
wobei eine Motor-Pumpeinheit zur Druckerzeugung am Stellzylinder
angeordnet. Dies erhöht
die Dynamik des Stellantriebs, da so auf lange Zuleitungen verzichtet
werden kann. Auch die Menge des zum Betrieb des Stellantriebs nötigen Hydraulikfluids
kann massiv gesenkt werden. Beim Betrieb mehrerer Stellantriebe
kann so auch auf eine zentrale Hydraulikdruckquelle und externe
Hydraulikleitungen verzichtet werden. Dies erlaubt wiederum eine
hohe Dynamik sowie Kosten- und Platzersparnisse, da nicht extra
ein separater Raum für
eine große
Hydraulikeinheit zur Verfügung
gestellt werden muss. Auch ist die Wartung des Systems besonders
einfach, da der gesamte Stellantrieb komplett ausgebaut werden kann, ohne
den Stellzylinder von der Motorpumpeinheit zu trennen. Es müssen also
zum Ausbau des Stellantriebs lediglich elektrische Leitungen getrennt
werden.
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Zudem
ergibt sich eine sehr schnelle Ansteuerung, da nicht erst große Verbindungsleitungen
bedruckt werden müssen.
Vorteilhafterweise ist die Motorpumpein heit dabei am Gehäuse des
Stellzylinders angebaut, entweder direkt oder über Verbindungselemente, und
bewegt sich mit dem Stellzylindergehäuse mit. Die Motorpumpeinheit
besteht dabei vorteilhafterweise aus einem Induktionsmotor mit konstanter
Drehgeschwindigkeit und weiterhin vorteilhafterweise aus einer Pumpe
mit einstellbarer Fördermenge,
vorteilhafterweise eine Axialkolbenpumpe mit einstellbaren Hub.
Der Motor ist dabei vorteilhafterweise mit einem Ventilator ausgestattet,
um sowohl den Motor als auch den Hydraulikspeicher zu kühlen. Der
Motor ist weiterhin vorteilhafterweise über ein Isolierelement am Stellzylinder
angebaut, um die Übertragung
von Vibrationen und Lärm
vom Motor auf den Stellzylinder zu vermindern. Die Pumpe ist vorteilhafterweise
im Inneren eines Hydraulikspeichers angeordnet, um das Risiko eines
Auslaufens zu verringern. Die Pumpe hat dabei vorteilhafterweise
eine integrierte Hydrauliksteuerung zur Einstellung eines konstanten
Ausgabedrucks. Vorteilhafterweise wird die Pumpe bei einem Viertel
ihrer Maximalleistung betrieben, um eine große Lebensdauer zu garantieren.
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Weiterhin
vorteilhafterweise ist auch das Proportional- oder Servoventil am
Stellzylinder angeordnet ist. Durch die Anordnung des Ventils am
Stellzylinder werden lange Hydraulikleitungen zwischen Ventil und
Stellzylinder vermieden, so dass der erfindungsgemäße Stellantrieb
extrem kurze Ansprechzeiten und eine große Dynamik aufweist.
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Besonders
vorteilhafterweise kommt dabei ein Proportionalventil zum Einsatz,
da dieses weniger empfindlich auf Verunreinigungen im Hydraulikfluid
reagiert als ein Servoventil. Für
den Fachmann ist dabei offensichtlich, dass der Einsatz eines solchen
Proportionalventils auch ohne die Anordnung am Stellzylinder von
großem
Vorteil ist, in Kombination ergibt sich aber eine besonders gute
Dynamik und Steuerbarkeit. Vorteilhafterweise umfasst das Proportionalventil
dabei ein integriertes Feedback über die
Ventilstellung sowie vorteilhafterweise eine integrierte Elektronik.
Das Feedback-Signal, welches die Stellung des Ventils angibt, kann
dafür verwendet werden,
Fehlfunktionen zu erkennen und zu vermeiden. Die integrierte Elektronik
erlaubt eine präzise und
hochdynamische Ansteuerung und ermöglicht es, unterschiedliche
Input-Signale zur Ansteuerung zu verwenden. Vorteilhafterweise ist
das Proportionalventil dabei zweistufig aufgebaut, wobei die erste Stufe
direkt angesteuert wird.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst weiterhin einen Stellantrieb, bei
welchem die Kolbenstange des Stellzylinders zur Reibungsreduktion
mittels eines Linearlagers geführt
ist. Dies ermöglicht
eine besonders leichtgängige
Bewegung der Kolbenstange und damit eine besonders gute Dynamik
des Stellantriebs. Vorteilhafterweise handelt es sich dabei um ein
Linearkugellager, welches vorteilhafterweise in der Spitze des Stellzylindergehäuses angeordnet
ist. Die Spitze des Stellzylindergehäuses ist dabei vorteilhafterweise
ein getrenntes Element, welches von vorne in den Rest des Stellzylindergehäuses eingebaut
wird. Weiterhin umfasst die vorliegende Erfindung vorteilhafterweise
reibungsarme Führungsringe und/oder
Dichtungen für
die Kolbenstange. Insgesamt kann so eine sehr reibungsarme Lagerung
der Kolbenstange und damit ein hochdynamische Bewegung des Stellantriebs
erreicht werden. Für
den Fachmann ist dabei offensichtlich, dass die Verwendung eines
Linearlagers zur Führung
der Kolbenstange des Stellzylinders unabhängig von der sonstigen Konstruktion
des Stellantriebs von großem
Vorteil ist.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst weiterhin einen Stellantrieb, bei
welchem im Stellzylinder eine Gasfeder, insbesondere zum Ausgleich
zumindest eines Teils der auf dem Stellzylinder lastenden statischen
Last, integriert ist. So muss nicht mehr die gesamte statische Last über den
Hydraulikdruck bewegt werden, so dass der Stellantrieb wiederum
sehr schnell reagiert und eine hohe Dynamik aufweist. Vorteilhafterweise
ist die Gasfeder dabei mit Stickstoff gefüllt. In weiterhin vorteilhafter
Weise ist die Gasfeder in der Kolbenstange des Stellzylinders integriert,
so dass hier eine sehr kompakte Konstruktion gewählt werden kann. Vorteilhafterweise
umfasst die Gasfeder weiterhin einen Drucksensor, um den Gasdruck
in der Gasfeder überwachen
zu können.
Dabei ist für
den Fachmann offensichtlich, dass die Verwendung einer Gasfeder
im Stellzylinder auch unabhängig
von der sonstigen Konstruktion des Stellantriebs von großem Vorteil
ist.
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In
weiterhin vorteilhafter Weise umfasst die Gasfeder einen Positionssensor
zur Bestimmung der Position des Stellzylinderkolbens. Dies ermöglicht eine äußerst kompakte
Bauform und erleichtert auch den Wechsel oder die Reparatur des
Sensors, da die Hydraulikflüssigkeit
hierfür
nicht ausgelassen werden muss. Zudem ermöglicht die Anordnung des Positionssensors
in der Gasfeder ein besonders verschleißarmes Design.
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In
weiterhin vorteilhafter Weise ist bei der vorliegenden Erfindung
ein Hydraulikspeicher zur Reduktion der benötigten Spitzenleistung der
Motorpumpeinheit vorgesehen. Leistungsspitzen können so über den vorteilhafterweise
als Hochdruckhydraulikspeicher ausgelegten Hydraulikspeicher abgefedert
werden, so dass die Motorpumpeinheit weniger stark ausgelegt werden
muss. So können
Gewicht, Platz und Kosten gespart werden.
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In
weiterhin vorteilhafter Weise wird der Hydraulikspeicher auch dazu
genutzt, im Fehlerfall den Stellantrieb aktiv ein- oder auszufahren.
Dies erhöht die
Sicherheit des Stellantriebs, so dass nicht extra ein zweites paralleles
System zum Ein- oder Ausfahren des Stellantriebs nötig ist.
Auch so können
Kosten gespart werden.
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Vorteilhafterweise
ist auch der Hydraulikspeicher am Stellzylinder angeordnet.
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In
weiterhin vorteilhafter Weise ist das gesamte Hydrauliksystem am
Stellzylinder angeordnet. So kann auf externe Hydraulikleitungen
komplett verzichtet werden, was die zu verwendende Ölmenge erheblich
verringert und damit auch Wartungskosten minimiert. Des Weiteren
erlaubt die kompakte Anordnung des Hydrauliksystems am Stellzylinder
besonders kurze Reaktionszeiten und eine hohe Dynamik des Stellantriebs.
Auch der Einbau bzw. der Wechsel eines Stellantriebs ist so problemlos
möglich,
da lediglich elektrische Verbindungen hergestellt werden müssen.
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In
weiterhin vorteilhafter Weise weist der Stellzylinder des erfindungsgemäßen Stellantriebs insbesondere
im Hubendbereich eine Dämpfung
auf. Dies erlaubt einen besonders sicheren und verschleißarmen Betrieb
des erfindungsgemäßen Stellan triebs,
wobei die Dämpfungskraft
vorteilhafterweise nur im Hubendbereich wirkt und dort kontinuierlich ansteigt.
In weiterhin vorteilhafter Weise sind Rückschlagventile vorgesehen,
um Kavitationen in der Hydraulikflüssigkeit zu vermeiden.
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In
weiterhin vorteilhafter Weise ist bei dem erfindungsgemäßen Stellantrieb
ein Ventil zum Noteinfahren vorgesehen, welches vorzugsweise parallel
zum Proportional- bzw. Servoventil angebaut ist, insbesondere um
hydraulische Verluste zu vermindern und die Baugröße des Ventils
zu reduzieren. Im Fehlerfall kann das Ventil zum Noteinfahren den Stellzylinder
in eine sichere Position bringen. Hierzu beaufschlagt es im Fehlerfall
die entsprechende Druckkammer des Stellzylinders mit Druck, insbesondere
aus dem Druckspeicher. Bei dem Ventil zum Noteinfahren handelt es
sich vorteilhafterweise um ein Zweipositionskolbenventil.
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In
weiterhin vorteilhafter Weise erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Stellantrieb
die Ölfiltration über den
Leckölstrom
der Pumpe, wobei vorzugsweise kein Filter zwischen Pumpe und Proportional-
bzw. Servoventil angebaut ist. Dies ermöglicht wiederum eine besonders
hohe Dynamik des Stellantriebs. Die hohe Dynamik ergibt sich im
Wesentlichen daraus, dass keine Druckverluste zwischen dem Proportional-
bzw. Servoventil und der Pumpe auftreten. Zudem kann ein Niederdruckfilter
verwendet werden, was Kosten spart. Auch ist so der Durchfluss durch den
Filter fast konstant, was die Effektivität der Filterung erhöht und es
ermöglicht,
nur einen kleinen Filter einzubauen.
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Vorteilhafterweise
ist bei dem erfindungsgemäßen Stellantrieb
weiterhin der Ventilblock des Stellantriebs integraler Bestandteil
des Stellzylindergehäuses.
Dies bedeutet eine besonders kompakte Anordnung der Ventile, wobei
die Wege zwischen Stellzylinder und Ventilen minimiert werden und
keine Schläuche
zum Einsatz kommen müssen.
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In
weiterhin vorteilhafter Weise ist bei dem erfindungemäßen Stellantrieb
eine elektrisch betriebene Motorpumpeinheit vorgesehen, die direkt
an ein Aggregat zur Bereitstellung der elektrischen Leistung, insbesondere
ein Transformator, angeschlos sen ist, wobei die Ansteuerung des
Stellantriebs über das
Proportional- bzw. Servoventil geschieht. Insbesondere im Vergleich
zu einem komplett elektromotorischen Antrieb der Stellantriebe kann
so komplett auf eine teure Hochleistungselektronik zur Ansteuerung der
Motoren verzichtet werden, da diese mit konstanter Drehzahl betrieben
werden.
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In
weiterhin vorteilhafter Weise umfasst der Stellzylinder des erfindungsgemäßen Stellantriebs zwei
Dichtungen, insbesondere eine Niedrigdruck- und eine Hochdruckdichtung,
wobei zwischen den Dichtungen eine Leckölleitung vorgesehen ist. Diese Anordnung
erlaubt wiederum eine besonders reibungsarme Lagerung des Kolbens
des Stellzylinders.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst weiterhin einen Flugsimulator mit
mindestens einem und insbesondere mit mehreren, insbesondere mit
sechs Stellantrieben nach einem der vorangegangenen Ansprüche. Ein
solcher Flugsimulator besitzt eine extrem hohe Dynamik, ist kostengünstig und
leicht zu warten und hat nur einen geringen Platzbedarf sowie einen
niedrigen Energieverbrauch.
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Vorteilhafterweise
sind bei dem erfindungsgemäßen Flugsimulator,
insbesondere bei einem Flugsimulator mit sechs erfindungsgemäßen Stellantrieben,
an den Stellzylindern der Stellantriebe jeweils eine Motorpumpeinheit
zur Druckerzeugung angeordnet. Die Motorpumpeinheiten stellen damit den
jeweiligen Stellzylindern den notwendigen Druck zur Verfügung, so
dass auf eine zentrale Druckversorgung verzichtet werden kann. Dies
erlaubt eine einfache Wartung, da die einzelnen Stellantriebe einfach
ausgebaut werden können,
da lediglich elektrische Kabel zum Anschluss der einzelnen Stellantriebe
verwendet werden müssen.
Zudem ergibt sich nur ein kleines Hydraulikvolumen und damit entsprechend
geringe Betriebskosten sowie ein besonders geringer Platzbedarf
bei sehr hoher Dynamik.
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Vorteilhafterweise
ist bei dem erfindungsgemäßen Flugsimulator
dabei ein zentrales Aggregat zur Bereitstellung der Leistung für die Motoren
aller Motorpumpeinheiten vorgesehen. Das vorteilhafterweise als
Transformator ausgestaltete zentrale Aggregat ermöglicht so
eine zentrale Stromversorgung aller Motoren. Die Motoren der Motorpumpeinheiten der
Stellantriebe sind dabei vorteilhafterweise direkt an dieses zentrale
Aggregat angeschlossen, so dass auf teure Hochleistungselektronik
verzichtet werden kann. Die Ansteuerung der Stellantriebe erfolgt
dann über
die Ansteuerung der Proportional- bzw. Servoventile, welche wiederum
die Ansteuerung der Stellzylinder übernehmen. Vorteilhafterweise
kann das zentrale Aggregat mit unterschiedlichen Spannungen betrieben
werden, was die Flexibilität
des Flugsimulators erhöht.
Zudem hat das zentrale Aggregat vorteilhafterweise einen zentralen
Sicherheitsschalter, um die Energiezufuhr in einem Fehlerfall zentral
abzuschalten und so ein sicheres Einfahren aller Stellantriebe zu
garantieren.
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In
weiterhin vorteilhafter Weise umfasst der Flugsimulator eine Steuerungs-,
Regelungs- und/oder Überwachungselektronik
für die
Stellantriebe. Diese Elektronik kann vorteilhafterweise direkt an den
Simulationsrechner, welcher den Flugsimulator steuert, angeschlossen
werden, und erlaubt so eine zentrale Steuerung, Regelung und/oder Überwachung
der Stellantriebe.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen näher beschrieben.
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Dabei
zeigen:
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1:
eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Stellantriebs,
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2:
eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Stellantriebs,
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3:
eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Stellantriebs,
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4:
eine Frontalansicht des erfindungsgemäßen Stellantriebs,
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5:
eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Motorpumpeinheit
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6a:
eine teilweise Schnittansicht des vorderen Abschnitts des erfindungsgemäßen Stellzylinders,
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6b:
eine perspektivische Ansicht eines Linearlagers des erfindungsgemäßen Stellzylinders,
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7:
eine teilweise Schnittansicht des hinteren Abschnitts des erfindungsgemäßen Stellzylinders,
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8:
eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Flugsimulators und
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9:
zwei perspektivische Ansichten des erfindungsgemäßen Flugsimulators.
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1 bis 4 zeigen
ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Stellantriebs.
Dieses umfasst einen hydraulischen Stellzylinder 10 mit
einem Zylindergehäuse 12 und
einer darin verschiebbaren Zylinderstange 11. Zylindergehäuse 12 und Kolbenstange 11 verfügen jeweils über Anlenkpunkte 8 und 9.
Die Kolbenstange 11 kann dadurch aus dem Zylindergehäuse 12 herausbewegt
werden, dass die hintere Druckkammer 13 mit Druck beaufschlagt
wird und die vordere Druckkammer 17 auf Rücklaufdruck steht.
Umgekehrt kann die Kolbenstange 11 in das Zylindergehäuse 12 eingezogen
werden, indem die vordere Druckkammer 17 mit Druck beaufschlagt wird
und die hintere Druckkammer 13 auf Rücklaufdruck liegt. Am Zylinderkolben 11 sind
Dämpfer 19 angeordnet,
welche in den Hubendpositionen die Bewegung der Kolbenstange 11 dämpfen.
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Im
Inneren des Kolben 11 ist eine Gasfeder 50 angeordnet.
Im Inneren der Gasfeder 50 ist wiederum ein Positionssensor 55 angebracht.
Des Weiteren ist ein Drucksensor 51 zum Messen des Gasdrucks
in der Gasfeder vorhanden. Die Kolbenstange 11 ist über ein
Linearlager 14 reibungsarm im Zylindergehäuse 12 gelagert.
Weiterhin sind Dichtungen 15 und 16 vorgesehen.
Diese Aspekte der vorliegenden Erfindung werden noch im Bezug auf 6 und 7 näher erläutert werden.
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Am
Stellzylinder 10 ist eine Motorpumpeinheit aus einem Motor 40 und
einer Pumpe 30 angeordnet. Der Motor 40 ist dabei
ein Induktionsmotor mit konstanter Drehzahl, welcher die verstellbare Pumpe 30 antreibt.
Die Pumpe 30 stellt über
ein Rückschlagventil 21 Druck
zur Verfügung,
welcher an den Eingang eines Proportionalventils 20 angelegt
ist. Dieser Aspekt der Erfindung wird noch näher mit Bezug auf 5 beschrieben.
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Das
Proportionalventil 20 ist dabei ein zweistufiges hochdynamisches
Ventil, bei welchen die erste Stufe direkt angesteuert wird und
welches einen integrierten Sensor zur Abgabe eines Feedbacksignals über die
Ventilstellung umfasst. Ebenso ist die entsprechende Elektronik
im Proportionalventil integriert. Ein solches Ventil hat den Vorteil,
dass nur wenig Energie verbraucht wird (Leckölstrom). Ein Proportionalventil
ist zudem weniger anfällig
für Verunreinigungen
des Hydrauliköls
als ein Servoventil. Die integrierte Elektronik ermöglicht eine
präzise
und dynamische Regelung des Ventils, wobei unterschiedliche Inputsignale
verwendet werden können. Das
Feedbacksignals der Ventilstellung ermöglicht es, Fehler zu erkennen
und schnell auf diese zu reagieren. Die Anordnung des gesamten Hydrauliksystems
am Stellzylinder 10 ermöglicht
es, eine extrem kompakte Bauform ohne jegliche äußere Hydraulikanschlüsse oder
Hydraulikleitungen zu erreichen. Zudem ermöglicht insbesondere das nur
minimale Hydraulikölvolumen
zwischen Proportionalventil und Hydraulikkammern 13 und 17 ein
sehr schnelles Ansprechen. Zudem kann die Anzahl der statischen Dichtungen
auf ein Minimum reduziert werden.
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Wie
insbesondere aus 2 und 3 gut zu
erkennen ist, ist der Ventilblock 23 integraler Bestandteil
des Zylindergehäuses
des Stellzylinders 10. Das Proportionalventil 20 ist
dabei von außen
an den Ventilblock 23 angebaut, so dass das Proportionalventil 20 nicht
innerhalb des ölführenden
Bereichs angeordnet ist und damit gut zugänglich ist.
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Des
Weiteren ist ein Hochdruckspeicher 35 vorgesehen, der ebenfalls
von der Pumpe mit Druck beaufschlagt wird und mit dem Eingang des
Proportionalventils in Verbindung steht. Am Hochdruckspeicher 35 ist
weiterhin ein Drucksensor 36 an geordnet. Der Hochdruckspeicher 35 ist
dabei ein entsprechend angepasster Kolbenhochdruckspeicher, welcher
ebenfalls am Stellzylinder 10 angeordnet ist. Wie aus den
Zeichnungen zu erkennen, ist er direkt am Zylindergehäuse 12 angebaut
und befindet sich auf der der Motorpumpeneinheit gegenüberliegenden
Seite. Durch die Verwendung des Hochdruckspeichers 35 kann
die benötigte
Spitzenleistung der Motorpumpeneinheit reduziert werden. Er kann
zudem dazu genutzt werden, im Fehlerfall den Stellantrieb aktiv
einzufahren. Hierzu wird der Hochdruckspeicher im Fehlerfall mit
der Hydraulikkammer 17 verbunden.
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Dabei
ist ein Noteinfahrventil 22 vorgesehen, über das
bei einer Fehlfunktion die hintere Druckkammer 13 auf Rücklaufdruck
geschaltet werden kann und die vordere Druckkammer 17 mit
Druck beaufschlagt wird, so dass die Kolbenstange 11 eingefahren
wird. Das Ventil zum Noteinfahren 22 und das Proportionalventil 20 sind
dabei parallel angeordnet, um die hydraulischen Verluste und die
Baugröße der Ventile
zu reduzieren. Das Ventil zum Noteinfahren 22 ist dabei
als einfaches Zweipositionenventil ausgeführt. Wenn nötig, kann alternativ zur oben
beschriebenen Vorgehensweise im Fehlerfall der Hochdruckspeicher 35 auch
isoliert werden, was die Sicherheit nochmals erhöht.
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Die Ölfiltration
erfolgt in dem erfindungsgemäßen Stellantrieb über einen
Filter 25 im Leckölstrom
der Pumpe, so dass kein Filter zwischen Pumpe 30 und Proportionalventil 20 angeordnet
werden muss. Hierdurch muss nur ein Niederdruckfilter verwendet
werden, wobei zusätzlich
sichergestellt ist, dass der Durchfluss durch den Filter in etwa
konstant ist. Hierdurch muss nur ein kleiner Filter verwendet werden.
Zudem entstehen durch den Filter keine Druckverluste in der Hochdruckleitung.
Auch kann ein Standardfilter verwendet werden, wobei der Filter so
installiert ist, dass er mit einem Minimum an Ölverlust einfach zu wechseln
ist. Dabei ist eine Leckölleitung 33 am
Zylindergehäuse
vorgesehen, welche zwischen den Dichtungen 15 und 16 angeordnet
ist.
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5 zeigt
nun die Motorpumpeinheit des erfindungsgemäßen Stellantriebs. Der Motor 40 ist ein
Elektromotor, und zwar ein robuster Induktionsmotor mit konstanter Geschwindigkeit.
Werden mehrere Stellantriebe nebeneinander z. B. in einem Flugzeugsimulator
verwendet, werden die einzelnen Stellantriebe nacheinander mit einem
zeitlichen Abstand von 2 Sekunden angefahren, um die Leistungsspitzen
im System zu reduzieren. Aus Gründen
der besseren Kühlung
und um das Gewicht des Motors zu reduzieren, ist das Gehäuse des
Motors aus Aluminium gefertigt. Der Motor ist zudem mit einem leisen Ventilator
ausgestattet, um sowohl den Motor als auch den Hydraulikspeicher
zu kühlen.
Zudem verfügt
der erfindungsgemäße Elektromotor über Wärmeschutzschalter
an jeder Windung. Der Motor ist am Gehäuse des Stellantriebs über einen
speziellen Isolierflansch 41 angeflanscht, um die Geräuschbelastung
zu vermindern und die Übertragung
von Vibrationen auf den Stellantrieb zu minimieren.
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Die
Pumpe 30 ist verstellbar ausgeführt und stellt so einen konstanten
Systemdruck zur Verfügung.
Es handelt sich dabei um eine Axialkolbenpumpe mit einstellbarem
Hub. Diese ist innerhalb des Hydraulikölspeichers angeordnet, so dass
Leckagen nach außen
ausgeschlossen sind. Die Pumpe verfügt über eine integrierte Hydraulikregelung,
um einen konstanten Druck zur Verfügung zu stellen. Die Pumpe
wird nur mit ca. ¼ ihrer
Maximalleistung betrieben, um den Verschleiß zu minimieren und so eine
lange Lebensdauer der Pumpe zu garantieren.
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6a zeigt
nun den vorderen Bereich des Hydraulikzylinders 10 im Detail.
Hierbei ist gut die Stickstofffeder 50 zu sehen, welche
im Inneren des Kolbens 11 angeordnet ist. Der Kolben 11 ist
reibungsarm über
Linearkugellager 14 im Hydraulikzylinder 12 gelagert.
Zudem sind zwei Dichtungen 15 und 16 vorgesehen,
welche extrem reibungsarm ausgelegt sind und zwischen denen sich
eine Leckölleitung 33 befindet.
Bei der Dichtung 15 handelt es sich dabei um eine reibungsarme
Hochdruckdichtung, während
die äußere Dichtung 16 eine
zweite leckagefreie Dichtung darstellt. Zudem ist ein Abstreifer 7 vorgesehen.
Die Dichtungen 15 und 16 sind dabei hinter dem
Linearkugellager 14 angeordnet, so dass sich das Linearkugellager 14 noch
im Bereich der Druckkammer 17 befindet. Das Linearkugellager
ist nochmals in 6b im Detail dargestellt.
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7 zeigt
nun den Aufbau des hinteren Teils des Zylindergehäuses in
einer teilweisen Schnittdarstellung. In dem Zylindergehäuse 12 ist
der Kolben 11 verschiebbar gelagert. Im Kolben 11 ist wiederum
die Stickstofffeder 50 angeordnet ist. Zum Messen des Drucks
in der Stickstofffeder 50 ist ein Sensor 51 vorgesehen.
Zudem besitzt die Gasfeder 50 ein Füllventil zur einfachen Zuführung von
Stickstoff am hinteren Ende des Zylindergehäuses. Die Stickstofffeder 50 dient
bei dem erfindungsgemäßen Stellantrieb
dazu, zumindest einen Teil der auf dem Stellantrieb lastenden statischen
Last auszugleichen. Dies erhöht
die Dynamik des Stellantriebs, welcher hierdurch eine geringere
Last hydraulisch bewegen muss.
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In
der Stickstofffeder ist nun der Positionssensor 55 angeordnet,
was eine extrem kompakte Bauweise erlaubt. Zudem muss das Hydrauliköl nicht abgelassen
werden, um den Sensor 55 zu ersetzen. Der Sensor 55 umfasst
eine integrierte Elektronik. Durch die Anordnung des Sensors innerhalb
der Stickstofffeder 50 ist dieser zudem extrem verschleißarm und
leicht zugänglich.
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Das
Hydrauliksystem umfasst weiterhin einen Durchflussbegrenzer 31 sowie
Rückschlagventile 24,
um Kavitationen zu vermeiden. Zudem sind an der Zylinderstange 11 Dämpfer 19 angeordnet,
welche in den Hubendpositionen die Bewegungen der Kolbenstange 11 dämpfen. Dabei
steigt die Dämpfung
im Bereich der Hubendposition sanft an, so dass eine effektive Dämpfung erreicht
wird.
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8 zeigt
nun den erfindungsgemäßen Flugzeugsimulator,
bei welchem die erfindungsgemäßen Stellantriebe
zum Einsatz kommen. Um den Flugzeugsimulator in sechs Freiheitsgraden
bewegen zu können,
sind sechs Stellantriebe vorgesehen. Zur Stromversorgung der Induktionsmotoren
der einzelnen Stellantriebe ist dabei ein zentraler Transformator 80 vorgesehen,
welcher die Induktionsmotore der Stellantriebe direkt über Versorgungsleitungen 81 und 82 versorgt.
Hierdurch kann im Vergleich zu rein elektromotorischen Stellantrieben
auf Hochleistungselektronik verzichtet werden. Der Transformator ist
so ausgestattet, dass er über
unterschiedliche Eingangsspannungen mit Strom versorgt werden kann. Er
weist zudem einen Sicherheitsschalter auf, mit welchem der Transformator
von der Stromquelle ge trennt werden kann, so dass automatisch alle
Induktionsmotoren stromlos sind und so ein sicheres Noteinfahren
der Stellantriebe eingeleitet wird. Wenn nötig, umfasst der Transformator
Elemente zur Leistungsfaktorenkorrektur.
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Der
Flugzeugsimulator umfasst weiterhin die Steuerelektroniken für die Proportionalventile.
Die Aufgabe der Steuerelektroniken 61 und 62 ist
dabei, die Signale des Simulator-Controllers in ein Signal zur Ansteuerung
der Proportionalventile der Stellantriebe umzuwandeln. Die Steuerelektroniken
steuern so die Proportionalventile und hierüber die Stellung der Stellantriebe.
Die Proportionalventile der Stellantriebe, z. B. der Stellantriebe 1 und 2,
sind dabei über Steuerleitungen,
z. B. Leitungen 71 und 72 mit ihren jeweiligen
Steuerelektroniken, z. B. 61 und 62 verbunden.
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Zudem
besteht die Möglichkeit, über die
Signale der Positionssensoren der Stellantriebe die Stellung der
Stellantriebe zu ermitteln und in die Ansteuerung der Proportionalventile
einzubeziehen, so dass sich ein geschlossener Position-Loop ergibt.
Hierzu gibt es die Möglichkeit,
Input/Output-Karten an der Flugsimulatorsteuerung 60 anzubringen.
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Darüber hinaus
verfügt
die Simulatorsteuerung 60 über zwei Industriecomputer,
einen Bildschirm sowie ein Keyboard und ein Maus. Darüber hinaus
umfasst auch die Simulatorsteuerung 60 eine Notausregelung.
Die Antriebssteuerung 60 kommuniziert über Datenleitungen 90 mit
dem Rest der Flugsimulatorelektronik.
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Das
System überwacht
weiterhin auch alle unkritischen Funktionen, wie z. B. den Druck
in den Stickstofffedern sowie die Feedbacksignale der Relais usw..
Es kann darüber
hinaus automatische Testprozeduren durchführen.
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Zum
Aufbau des auch in 9 gezeigten Flugzeugsimulators
bzw. der die Fahrerkabine des Flugzeugsimulators bewegenden Stelleinheit
werden die sechs Stellentrieben jeweils paarweise V-förmig miteinander
verbunden. Die Stellzylinder sind über ihre Anlenkpunkte unten
mit entsprechenden Anlenkpunkten am Boden sowie oben mit der Fahrerkabine verbunden.
Die Induktionsmotoren werden dann direkt mit dem Transformator verbunden,
während
die Proportionalventile mit der Ansteuerelektronik verbunden werden.
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Im
Vergleich zu den bekannten hydraulischen Flugsimulatoren ergeben
sich damit die folgenden Vorteile:
Die einzelnen Stellantriebe
müssen
nur über
elektrische Leitungen mit der Steuerelektronik bzw. mit dem Transformator
verbunden werden. Hierdurch müssen keine
Hydraulikleitungen zu den einzelnen Stellantrieben gelegt werden,
so dass auch Leckagen der Leitungen oder der Anschlüsse vermieden
werden. Zudem werden Druckverluste durch die langen Leitungen vermieden
und so die Dynamik der Stellantriebe erhöht. Auch sind die einzelnen
Stellantriebe einfach zu wechseln, ohne dass hierzu Hydrauliköl abgelassen
werden müsste.
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Zudem
ist keine zentrale Hydraulikdruckversorgung nötig. Hierdurch wird auch kein
separater geräuschisolierter
Raum nötig,
was die Kosten bei der Aufstellung des Flugsimulators reduziert.
Zudem ergibt sich hierdurch auch ein verminderter Platzbedarf des
Flugsimulators, so dass mehr Simulatoren auf der gleichen Fläche installiert
werden können. Zudem
wird die nötige
Hydraulikölmenge
massiv reduziert. Auch konnte so das Gesamtgewicht des Flugsimulators
erheblich reduziert werden, so dass sich die Transportkosten vermindern
und die Installation vereinfacht wird.
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Zudem
sind die Instandhaltungskoten sowie die Betriebskosten des Flugsimulators
erheblich niedriger, da nur ein geringes Hydraulikölvolumen verwendet
werden muss und zudem keine Hydraulikleitungen ausgetauscht werden
müssen.
Auch kann jeder einzelne Stellantrieb einfach ausgetauscht werden.
Weiterhin umfasst das erfindungsgemäße System bereits eine integrierte
Energieversorgung.
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Im
Vergleich zu einem elektromechanischen System ergeben sich folgende
Vorteile:
Die Energieverbrauchsspitzen können im Vergleich zu elektromechanischen
Antrieben durch die Verwendung der Hydraulikdruckspeicher extrem
reduziert werden, was sowohl die Installationskosten als auch die
Energiekosten reduziert. Zudem kann das Gesamtgewicht des Systems
reduziert werden, was die Transportkosten vermindert und die Installation vereinfacht.
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Auch
sind die Wartungs- und Instandhaltungskosten reduziert, insbesondere
da keine Hochleistungselektronik nötig ist. Des Weiteren ist eine Fehlfunktion
des Systems z. B. durch Klemmen gegenüber elektromotorischen Systemen
um das Hundertfache reduziert. Auch ist kein zusätzliches Dämpfungssystem nötig, da
insbesondere durch die in die Stellzylinder integrierten Dämpfer im
Hubendbereich bereits eine ausreichende Dämpfung zur Verfügung steht.
Auch ist es nicht nötig,
eine Batterieanordnung für
den Fehlerfall vorzusehen. Zudem ist auch keine Elektronik zum Noteinfahren
notwendig.