DE2029287A1

DE2029287A1 - Servostellantrieb mit hydraulischer Waage

Info

Publication number: DE2029287A1
Application number: DE19702029287
Authority: DE
Inventors: Eckhard Dipl.-Ing. 2807 Achim; Linnenbecker Udo 2800 Bremen Renner
Original assignee: Vereinigte Flugtechnische Werke Fokker GmbH
Current assignee: Vereinigte Flugtechnische Werke Fokker GmbH
Priority date: 1970-06-13
Filing date: 1970-06-13
Publication date: 1971-12-23
Also published as: DE2029287C3; DE2029287B2; GB1289950A; FR2095229B3; US3703849A; FR2095229A7

Description

69-B III-035 Bremen, den 12. Juni 197ο

■ Lu B - Sm/ka

Vereinigte Flugtechnische Werke-Fokker Gesellschaft mit "beschränkter Haftung

Servostellantrieb mit hydraulischer Waage

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Überwachung und Anpassung von mehreren auf einen gemeinsamen Ausgang wirkenden elektrohydraulischen Stellantrieben mit durch Servoventil© gesteuerten Arbeitszylindern, deren Kolben fest miteinander verbunden sind.

Zur Steuerung von beweglichen Objekten, insbesondere von modernen Hochleistungsflugzeugen, werden Stellantriebe mit großer Stellgenauigkeit benötigt. Hierfür sind Ausführungsformen einfacher und mehrfacher hydraulischer Stellantriebe bekannt, bei denen durch Servoventile gesteuerte Arbeitszylinder auf einen gemeinsamen Ausgang wirken. Die Mehrfachantriebe bilden hierbei eine Kombination aus mindestens zwei Einfachantrieben, deren Ausgänge über mechanische Kupplungen mit dem gemeinsamen Ausgang verbunden sind. Die Überwachung der Stellgenauigkeit jedes Einfachantriebes kann durch ein nachgebildetes Vergleichsmodell, ein sog. Analogon, und durch eine lastunabhängige elektrische oder hydraulische Vergleichseinrichtung erfolgen.

Hiermit lassen sich aber den Stellmotor beeinflussende Größen nicht vollständig nachbilden. Daher muß für die Fehlererkennung und -abschaltung eine relativ große Abweichung als Erkennungsmarke gewählt und überschritten werden, so daß am Stellmotorausgang ein großer Fehlerweg entsteht. Darüberhinaus bleibt der Abschaltschwellwert für 'jeden Einfachantrieb eines Mehrfachantriebes gleich.

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Weiterhin kann bei den Mehrfachantrieben durch Bautoleranzen der Servoventile und, besonders bei elektrischer Ansteuerung, durch Signalunterschiede im Zusammenhang mit der mechanischen Kupplung unter Umständen ein, Gegoneinanderwirken der einzelnen Arbeitszylinder entstehen. Dadurch wird aber die Stellgenauigkeit des Gesamtantriebes weiter verschlechtert, die durch eine hohe Verstärkung des Rückführsignals nicht wieder verbessert werden kann, da der Stellantrieb sonst instabil wird«,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrund®, die Stellgenauigkeit von Einfach- und Hehrfachantrieben bei relativ weiten Toleranzen der einzelnen Baugruppen und Bauteilen unter Vermeidung eines sich am Antriebsausgang auswirkenden Fehlers zu erhöhen und eine Vorrichtung vorzusehen, die nach der. Abschaltung eines fehlerhaften Arbeitszylinders die verbleibenden weiterhin überwachte

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Drücke aller Arbeitszylinder auf eine hydraulische Waage wirken^ die bei Druckunter-SGhieden den eingeschalteten Arbeitszylindern ein Ausgleichssignal zum Ausregeln zuführt, das bei nicht ausregelbaren Druckunterschieden zur Abschaltung des fehlerhaften Arbeitszylinders dient ο

Bei der erfindungsgemäßen hydraulischen Waage dient jeder Arbeitszylinder als Analogon zu einem beliebigen anderen Arbeitszylinder des Stellantriebes, so daß jeder Arbeitszylinder durch die anderen überwacht wird« Die Überwaotangsfunktion bleibt auch dann erhalten, wenn ein falschgehender Arbeitszylinder abgeschaltet werden muß., Die hydraulische Waage besteht dabei aus so vielen Zylindern mit eingesetzten Kolben, wie zu überwachende Arbeitszylinder vorgesehen sind» Der hydraulische Druck der Arbeitszylinder drückt dabei auf die Oberseiten der zugeordneten Kolben, während die Unterseiten ein das jeweilige Ausgleichssignal lieferndes hydraulisches Sekundär syst em steuern,, Die Zylinder der hydraulischen Waage können dabei auf einem gemeinsamen, das hydraulische Sekundärsystem bildendenOelpolstsr ruhen, oder in systemgetrennten und untereinander druclorerbundenen Kammern angeordnet sein.

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Die Steuervorrichtung, der das Ausgleichssignal zum Ausregeln von Druckunterschieden der Arbeitszylinder zugeführt ist, kann beliebig sein. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist jedoch für jeden Arbeitszylinder ein Hilfszylinder vorgesehen, dessen Kolben über eine Kolbenstange ein zugeordnetes Potentiometer zur Steuerung des zugeordneten Servoventils verstellt. Die Kolben der Hilfszylinder liegen dabei mit einer Seite am hydraulischen Druck des jeweiligen ArbeitsZylinders, während die anderen Seiten am hydraulischen Druck des Sekundärsystems der hydraulischen Waage liegen. Dadurch stellt sich bei Druckunterschieden zwischen den Arbeitszylindern automatisch das Ausgleichssignal ein, das über die Kolben der Hilfszylinder die Potentiometer zur Steuerung der zugeordneten Servoventile verstellt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Quadruplex-Stellantriebes

Fing. 2 ein Stellantrieb nach Fig. 1 mit einer anderen Steuereinrichtung und

Fig. 3 einen Stellantrieb nach Fig. 1 mit

einer systemgetrennten hydraulischen Waage.

Fig. 1 zeigt einen Quadruplexstellantrieb mit vier nebeneinander angeordneten Arbeitszylindern 1a-1d, deren Kolbenstangen 2a - 2d an ihren oberen Enden durch ein Querjoch 3 fest miteinander verbunden sind. Jedem Arbeitszylinder ist ein Servoventil 4a - 4d zugeordnet, die elektrisch mit den Ausgängen von elektrischen Vergleichsschaltungen 5a - 5d verbunden sind. Die hydraulische Druckversorgung der Servoventile 4a - 4d erfolgt über Abschaltventile 6a - 6d.

Die Kolbenstangen 4a - 4d der Arbeitszylinder 1a - 1d sind mit je einem Potentiometer 7a - 7d verbunden, die über die Ausgänge der Vergleichsschaltungen 5a - 5d den Servoventilen 4a - 4d zugeordnet sind".

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Die Widerstandsbahnen der Potentiometer 7a - 7d sind axial beweglich und an einem Ende mit Kolbenstangen 9a - 9d von Hilfszylindern 8a - 8d befestigt. Diese Hilfszylinder 8a - 8d sind über Leitungen, die je ein hydraulisches Dämpfungsglied 1o enthalten, auf der einen Seite mit den Arbeitszylindern 1a - 1d und auf der anderen Seite mit einem Sekundärsystem einer hydraulischen Waage 2o verbunden. Die anderen Enden der Kolbenstangen 9a - 9& sind mit je einem Schubglied 11a - 11d zur Betätigung elektrischer Schalter 12a - 12d versehen, die zur Verstellung der Abschaltventile 6a - 6d vorgesehen sind. Weiterhin sind an diesen Enden der Kolbenstangen 9a - 9^- Stabilisierungsfedern 13a - 13d angebracht ·

Die hydraulische Waage 2o besteht aus vier mit Kolben 18 versehenen Zylindern 14a - 14d. Auf die Oberseite dieser Kolben 18a - I8d drückt der Hydraulikdruck der Arbeitszylinder 1a - 1d, während die Unterseiten auf einem geschlossenen, das Sekundärsystera bildenden Ölpolster ruhen. Dieses Ölpolster ist mit den Kolbenunterseiten der Hilfszylinder 8a und 8d verbunden.

Die Überwachung des Stellantriebes arbeitet wie folgt:

Über die Abschaltventile 6a - 6d wird das Druckmittel den Arbeitszylindern 1a - 1d zugeleitet. Im Ruhezustand sind die Servoventile 4a - 4d in Mittelstellung. Eine diesen Ventilen zugeführte elektrische Größe (Sollwert)} die den Ausgängen der elektrischen Vergleichsschaltungen 5^a ~ 5<1 entnehmbar ist, öffnet die Ventile. Das Druckmittel strömt in die Arbeitszylinder 1a - 1d und bewegt ihre Kolben. Die Kolbenbewegung wird auf die Schleifkontakte der Potentiometer la. - 7d übertragen, die daher eine der Kolbenstellung proportionale elektrische Große (Istwert) an die Eingänge der Vergleichsschaltungen 5& - 5d abgeben. In diesen findet ein Vergleich der Istwerte mit den Sollwerten statt. Jedes Servoventil 4a - 4d bleibt solange geöffnet, bis der Istwert den Sollwert erreicht hat. Infolge von Bautoleranzen, z.B. Unterschieden in der Druck-Signal-Punktion, können Druckunterschiede zwischen den Arbeitszylindern entstehen, was die Antriebsleistung vermindert, die Stellgenauigkeit verschlechtert und bei zusätzlichen Fehlern den Antrieb weich und damit unbrauchbar machen kann. Diese Druckunterschiede werden aber mit Hilfe

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der Erfindung vermieden.

Tritt nun in einem der Arbeitszylinder 1a - 1d zu den anderen Arbeitszylindern unterschiedlicher Druck auf, so verschiebt sich einmal der Kolben seines Hilfszylinders 8 und gleichzeitig der zugeordnete Kolben 18 der hydraulischen Waage 2o. Die Verschiebungen des Hilfszylinderkolbens und die des zugeordneten Kolbens 18 der hydraulischen Waage 2o ergeben im Zusammenhang mit dem unterschiedlichen Druck Verschiebungen der anderen Kolben 18 in der hydraulischen Waage 2o. Dadurch werden aber die.Kolben der Hilfszylinder 8, und zwar in entgegengesetzter Richtung als die Kolben des fehlerhaften Arbeitszylinders, verstellt. Die Verschiebungen der Kolben der Hilfszylinder 8 bewirken über die mit den Kolbenstangen 9 verbundenen Widerstandsbahnen der Potentiometer 7 ein elektrisches Signal, das über die zugeordnete Vergleichsschaltung auf die Servoventile 4 gelangt. Die Steuerung der Arbeitszylinder 1 erfolgt solange, bis die Drücke in den Arbeitszylindern 1 aneinander angepaßt -sind und die Waage 2o sowie"die Kolben der Hilfszylinder 8 wieder im Gleichgewicht stehen. Treten mehrere Fehler gleichzeitig auf, so ist die Punktionsweise die gleiche, denn die Hilfszylinder 8 steuern die Potentiometer 7 solange und soweit aus, bis alle Drücke gleich sind.

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Sollte in einem der Zylinder 1 ein derartiger Fehler auftreten, daß das an der Kolbenstange 9 der Hilfszylinder 8 angebrachte Schubglied 11 des fehlerhaften Arbeitszylinders 1 den Schalter 12 betätigt, so wird über das Abschaltventil 6 die hydraulische Versorgung des fehlerhaften ArbeitsZylinders ab- und die beiden Seiten des Arbeitszylinders auf by-pass geschaltet.

Die von dem Versorgungsdruck der noch intakten Arbeitszylinder 1 belasteten Kolben 18 der hydraulischen Waage 2o schieben nun den druckentlasteten Kolben des Hilfszylinders 8 und den der hydraulischen Waage in ihre obere Endlage. Dadurch nehmen aber die Kolben der hydraulischen Waage 2o eine neue Lage ein. Die Waage bleibt aber zur weiteren Druck-, überwachung der noch intakten Zylinder voll funktionsfähig und hält den Kolben der übrigen Hilfszylinder 8 weiter das Gleichgewicht.

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Die Überwachung der übrigen Arbeitszylinder 1 erfolgt danach weiter in der zuvor beschriebenen Weise. Die hydraulische Waage 2 ο ist dabei weiter in der Lage, Fehler, die unterhalb der Abschaltschwelle bleiben, auszugleichen und zwar solange drei oder mehr Arbeitszylinder 1 funktionsfähig sind. Tritt bei den verbleibenden Arbeitszylindern 1 ein Fehler auf, der die Abschaltschwelle überschreitet, so wird der fehlerhafte Arbeitszylinder, wie zuvor beschrieben, abgeschaltet. Sind nur noch zwei Arbeitszylinder eingeschaltet, dann hat die Überwachung keine Entscheidungsmöglichkeit mehr, so daß bei einem Fehler, der die AbschaltschwelIe überschreitet, beide Antriebe abgeschaltet werden. Kleinere Fehler, die unterhalb der Abschaltschwelle bleiben, werden jedoch weiterhin ausgeglichen»

Der Quadruplex-Stellantrieb nach Fig. 2 weist im Gegensatz zu dem nach Fig. 1 Hilfszylinder 8a - 8d auf, deren Kolbenstangen 9a - °<d statt mit den Widerstandsbahnen der Potentiometer Ta. - Td mit weiteren Potentiometern 15a - 15d mechanisch verbunden sind. Diese Potentiometer 15a. - 15d- erzeugen eine der Kolbenstellung der Hilfszylinder 8a - 8d proportionale Größe, die den Vergleichsschaltungen 5^a - 5^ zugeführt wird. Hierdurch wird eine Bewegung der Widerstandsbahnen der Potentiometer 7a — Id. vermieden und außerdem eine Möglichkeit vorgesehen, die Rückführverstärkung der Steuerpotentiometer 15a -15c!· anders als die der Wegpotentiometer 7^a ~ 7<1 vorzunehmen. In der Funktionsweise bestehen keine Unterschiede zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1.

Beim Quadruplex-Stellantrieb nach Fig. 3» der sich funktionsmäßig ebenfalls nicht von dem nach Fig. 1 unterscheidet, ist eine hydraulische Waage 2o mit Systemtrennung vorgesehen. Hierbei ist für jeden Arbeitszylinder 1 eine Kammer vorgesehen, in der die Zylinder 14 angeordnet sind. Die hydraulischen Drücke der Kammern übertragen sich untereinander über die schwimmenden Kolben 16a - I6c. Die Unterteilung der hydraulischen Waage 2o in Kammern hat den Vorteil einer vollständigen Trennung der einzelnen Überwachungskreise der Arbeitszylinder 1. Im Falle eines Lecks in einer Kammer der hydraulischen Waage 2o oder in einer Zuleitung von den Hilfszylindern 8 zur hydraulischen Waage kann somit nicht der gesamte Antrieb ausfallen.

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Die schwimmenden Kolben I6a - I6c der hydraulischen Waage 2o sind mit Druckstiften 17a - 17c versehen, die bei einem Ausfall der mittleren Kammern der hydraulischen Waage 2o gegeneinander fahren und so eine Druckübertragung zwischen den noch verbleibenden Kammern ermöglichen. Eine Systemtrennung und mechanische Druckübertragung ist auch mit entsprechend ausgebildeten und bemessenen Membranen möglich.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Maßnahme ist es also möglich, Druckunterschiede, die aue verschiedenen Gründen zwisenen den Einzelzylinaern eines Mehrfachstellantriebes bestehen können, auszugleichen. Durch eine Dämpfung und Integration der Druckdifferenz mit der anschließenden Aufschaltung des über die Druckdifferenz gewonnenen Steuersignals läßt sich regelungstechnisch die Stabilitätsreserve des Stellantriebes beträchtlich erhöhen. Die Erfindung läßt sich auf alle Mehrfach-, mindestens jedoch für Triplex-Servostellantriebe anwenden, die sowohl parallel als auch tandemförmig angeordnet sein können.

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Claims

Patentansprüche

Anordnung zur Überwachung und Anpassung von mehreren auf einen gemeinsamen Ausgang wirkenden elektrohydr?,ulisehen Stellantrieben mit durch Servoventile gesteuerten Arbeitszylindern, deren Kolben fest miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Drücke aller Arbeitszylinder (1) auf eine hydraulische Waage (2o) wirken, die bei Druckunterschieden den eingeschalteten Arbeitezylindern (1) ein Außgleichssignal zum Ausregeln zuführt, das bei nicht ausregelbaren Druckunterschieden zur Abschaltung des fehlerhaften Arbeitszylinders (1) dient.

Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hydraulische Waage (2o) so viele Zylinder (14) mit eingesetzten Kolben (18) aufweist, wie zu überwachende Arbeitszylinder vorgesehen sind und daß uer Hydraulikdruck der Arbeitszylinder (i) auf die Oberseiten der zugeordneten Kolben (18) der hydraulischen Waage (2o) wirkt, deren Unterseiten ein das jeweilige Ausgleichssignal lieferndes hydraulisches Sekundärsystem steuern»

3» Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumina der in der hydraulischen Waage (2o) vorgesehenen Zylinder (14) derart bemessen sind, daß die hydraulische Waage (2o), deren Kolben (18) beim Ausfall der zugeordneten Arbeitszylinder (1) durch das hydraulische Sekundärsystem in eine obere Endstellung bewegt werden, unabhängig von der Zahl der ausgefallenen Arbeitszylinder (1) funktionsfähig bleibt.

4· Anordnung nach einem der Ansprüche i bis 3ι dadurch gekennzeichnet, daß die Unterseiten der in den Zylindern (14) der hydraulischen Waage (2o) vorgesehenen Kolben (18) auf einem gemeinsamen, das · hydraulische Sekundärsystem bildenden Ölpolster ruhen.

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5· Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder (14) der hydraulischen Waage (2o) in systemgetrennten und untereinander druckverbunden Kammern angeordnet sind.

6. Anordnung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Druckübertragung zwischen den Kammern durch schwimmende, mit Druckstiften (17) versehenen Kolben (16) erfolgt, die beim Ausfall von Arbeitszylindern (1) den Druck mechanisch übertragen.

7. Anordnung nach Anspruch S₁ daduroh gekennzeichnet, daß die Druckübertragung zwischen den Kammern durch geeignete Membranen erfolgt, die derart ausgebildet und bemessen sind, daß die Druckübertragung auch beim Ausfall von Arbeitszylindern gesichert ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 71 dadurch gekennzeichnet, daß jeder Arbeitszylinder einen Hilfszylinder (8) aufweist, dessen Kolben über eine Kolbenstange (9) ein Potentiometer zur Steuerung der Servoventile (4) verstellt, und daß auf einer Seite des Kolbens im Hilfszylinder (8) der hydraulische Druck des Arbeitszylinders(i) und auf der anderen Seite der des Sekundärsystems der hydraulischen Waage (2o) wirkt.

9·. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichssignal zur Ausregelung von Druckunterschieden durch Verschiebung eines in der hydraulischen Waage (2o) vorgesehenen Kolbens (18) und einen damit verbundenen Volumenausgleich im Sekundärsystem entsteht und über den Hilfszylinder (8) und das Potentiometer (7) dem zugeordneten Servoventil (4) zugeführt ist. .

1o. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 'dadurch gekennzeichnet, daß bei der Abschaltung eines oder mehrerer Arbeitszylinder (1) die Kolben der zugeordneten Hilfszylinder (8) in eine Endstellung bewegt werden und dabei die Abschaltung auslösen und daß die sich hierbei ergebende Volumenänderung in der hydraulischen Waage (2o) durch Kolbenverschiebungen der noch druckbelasteten Kolben (18) der hydraulischen Waage (2o) derart ausgleichbar ist, daß sich die Kolben der Hilfszylinder (8) der noch eingeschalteten Arbeitszylinder O) automatisch in eine Neutralstellung einstellen. 109852/0 7 94

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