DE2234563C3 - Stellanordnung zur Einstellung einer Steuerfläche - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stellanordnung zur Einstellung einer Steuerfläche für Flugzeuge mit einem durch einen Steuerknüppel und ein Steuergestänge verstellbaren Steuerventil zur Steuerung eines mit seinem beweglichen Teil an einem Stellhebel einer Steuerfläche angelenkten und mit dem Gehäuse des Steuerventils verbundenen Stellzylinders.

Bei modernen Flugzeugen, welche einen großen Geschwindigkeitsbereich überdecken, tritt das Problem auf, daß die zur Steuerung aufzubringenden Kräfte sehr häufig die Kraft eines Flugzeugführers übersteigen. Es ist daher üblich, eine Kraftsteuerung, z. B. einen hydraulischen Stellzylinder vorzusehen, welcher die vom Flugzeugführer aufgebrachte Kraft in der notwendigen Weise verstärkt Derartige mit Stellzylindern ausgeführte Steuerungen arbeiten sehr zuverlässig, da die Stellzylinder beim Auftreten von Schwingungen für eine ausgezeichnete Stabilität sorgen. Nachteilig ist aber, daß mit einer derartigen Steuerung dem Flugzeugführer das wirkliche Steuergefühl nicht vermittelbar ist.

Es ist zwar bekannt, mit Hilfe von Federn oder sonstigen Hilfseinrichtungen das Steuergefühl nachzubilden, aber dies gelingt nur unzugänglich, so daß das nachgebildete Steuergefühl in den meisten Fällen nicht realistisch genug ist.

Ein weiterer Nachteil der bekannten mit Stellzylindern ausgerüsteten Flugzeugsteueranordnungen ist die Tatsache, daß derartige Steuerungen eine am Boden durchzuführende Wartung der Steuereinrichtung und/ oder Prüfung ihrer Funktionsfähigkeit erschweren. Die Ursache hierfür ist die Tatsache, daß Verstellungen der jeweiligen Steuerflächen nur mit Hilfe der Stellzylinder durch Einstellung des Stellorgans von der Pilotenkabine aus möglich sind und daher die Betriebsbereitschaft des Stellzylinders auch bei der Wartung erfordern.

Bei Flugzeugsteuerungen mit hydraulischen Stellzylindern zur Kraftverstärkung ist es auch bekannt, das Gehäuse als bewegliches Teil auszubilden und den Stellkolben über eine Kolbenstange an einem Festpunkt anzulenken. Im Fachbuch »Flugzeughydraulik« von Friedrich Klein, Hanns Reich-Verlag München, 1963, sind derartige Kraftverstärker ab Seite 143 ff. abgebildet und beschrieben. Ein derartiger Aufbau hat den Vorteil, daß sich Stellzylinder und zugehöriges Steuerventil in einem Gehäuse unterbringen lassen. Aus dem zuvor erwähnten Fachbuch ist es auch bekannt, die Arbeitsräume eines Stellzylinders, insbesondere eines an getrennten Versorgungen liegenden Tandem-Zylinders, durch vom jeweiligen Systemdruck verschlossene Bypaßventile zu überbrücken. Hierdurch läßt sich, insbesondere bei Ausfall eines Systemdruckes, das betreffende Bypaßventil mit Hilfe einer Druckfeder öffnen und damit die Funktionsfähigke't des Tandem-Zylinders aufrecht erhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stellanordnung zur Einstellung von Flugzeugsteuerflächen der eingangs genannten Art vorzusehen, die sowohl in der Lage ist, ein realistisches Steuergefühl in weitem Bereich zu vermitteln als auch die Wartung zu erleichtern. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine vom Steuerknüppel verstellbare Steuerstange des Steuergestänges mit dem Steuerschieber fest verbunden ist und sich gegen das Gehäuse des Steuerventils in beiden Bewegungsrichtungen der Steuerstange durch eine von der manuellen Steuerkraft des Piloten überwindbarc Federeinrichtung abstützt und daß die beiden Arbeitsräume des Stellzylinders durch eine Bypaßleitung mit kombiniertem Drossel-Rückschlagventil miteinander verbunden sind.

Hierbei ist es zweckmäßig, für die Federeinrichtung der erfindungsgemäßen Stellanordnung eine vorgespannte Druckfeder zu benutzen, die sich mit ihren

Enden über Auflageteller an einem mit dem Steuerventil verbundenen Gehäuse abstützt, wobei jeweils eine Schulter der Steuerstange an einem Auflageteller anliegt. Für bestimmte Anwendungsfälle kann es auch sinnvoll sein, zwe< vorgespannte, jeweils in einer Bewegungsrichtung überdrückbare Druckfedern für die Federeinrichtung einzusetzen, und zwischen den Druckfedern einen Mitnehmerbund der Sieuerstange anzuordnen.

Der Aufbau der erfindungsgemäßen Stellanordnung hat den großen Vorteil, bei kleinen bis mittleren auf die Steuerflächen einwirkenden Kräften als reine Handsteuerung zu wirken und dabei das echte Steuergefühl zu vermitteln. Bei großen, die Vorspannung der Federeinrichtung übersteigenden Kräften wird die Handsteuerung durch die Kraftverstärkung des hydraulischen Stellzylinders unterstützt Die Vorspannung der Federeinrichtung kann dabei so bemessen sein, daß der Bereich mit unterstützender Kraftverstärkung dann einsetzt, wenn die notwendigen Steuerkraft für eine manuelle Einstellung zu groß werden.

Ein großer Vorteil ist auch die Tatsache, daß die erfindungsgemäße Stellanordnung geschwindigkeitsunabhängig ist, d. h. sie vermittelt unabhängig von der sich mit der Geschwindigkeit ändernden Ruderwirksamkeit im Bereich der manuellen Steuerung stets das echte Steuergefühl. Außerdem ist die Stellanordnung sehr wartungsfreundlich, denn bei einer am Boden durchzuführenden Wartung und/oder Inspektion ist es möglich, sowohl eine damit verstellbare Steuerfläche als auch das zugehörige Steuergestänge ohne Betriebsbereitschaft des Stellzylinders durch Handverstellung einzustellen.

Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Prinzipdarstellung der Stellanordnung zur Einstellung einer Flugzeugsteuerfläche,

F i g. 2 ein Ausschnitt einer Steilanordnung und

F i g. 3 einen weiteren Ausschnitt einer Stellanordnung.

Bei dem in F i g. 1 dargestellten Prinzip der Anordnung ist ein Steuerknüppel 10 vorgesehen, der in bekannter Weise an einem Festpunkt 12 angelenkt ist. Mit dem Steuerknüppel 10 ist eine Steuerstange 14 verbunden, die an: einer Federeinrichtung 16 im folgenden als kraftabhängiger Mitnehmer 16 bezeichnet, angreift und mit einer Schubstange 32 eines Steuerventils 30 verbunden ist. Der kraftabhängige Mitnehmer 16 besteht aus einer vorgespannten Druckfeder 18, die in einem entsprechenden Gehäuse 20 zwischen zwei Auflagetellern 22,24 für die Übertragung so von Steuerbewegungen spielfrei angeordnet ist. Die Auflageteller 22, 24 sind dabei über die Steuerstange 14 gestreift, deren Durchmesser in diesem Bereich geringer ist. Die sich dadurch ergebenden Schultern 26, 27 der Steuerstange 14 dienen als Mitnehmer für die Auflageteller 22, 24. Das Steuerventil 30 enthält auf der Schubstange 32 angeordnete Steuerkolben 34, 36, die durch den kraftabhängigen Mitnehmer 16 in einer Neutralstellung fixiert sind. In dieser Neutralstellung stehen die Steuerkolben 34, 36 so, daß zwei zu beiden Seiten des Arbeitskolbens 52 im Stellzylinder 50 führende Zuführungskanäle 38,40 geöffnet sind.

Die hydraulische Flüssigkeit gelangt hierbei über einen in der Mitte des Steuerventils 30 vorgesehenen Zulauf 42 in das Steuerventil 30 und wird anschließend durch zwei an den Enden vorgesehene Ablaufkanäle 44 in bekannter Weise zu einem Hydraulikkreislauf aphrnrht

Der Stellzylinder 50 enthält einen Arbeitskolben 52, der über eine Kolbenstange 54 gelenkig mit einem Festpunkt 56 verbunden ist, so daß das Gehäuse 51 als bewegliches Teil wirkt. An diesem Gehäuse 51 ist eine die Arbeitsräume zu beiden Seiten des Arbeitskolbens 52 überbrückende und ein kombiniertes Drossel-Rückschlagventil 60 aufweisende BypaßJeitung 58 vorgesehen. Zur Übertragung der Stellbewegung ist am Gehäuse 51 eine Schubstange 62 angebracht, die mit einem Stellhebel 64 einer an einem Lager 68 gelagerten Steuerfläche 66 verbunden ist. Zur direkten Übertragung von Kräften vom Steuerknüppel 10 über die Steuerstange 14 und den Mitnehmer 16 ist am Steuerventil 30 ebenfalls eine mit dem Stellhebel 64 verbundene Schubstange 31 angebracht.

im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Stellzylinder 50 unterhalb des Steuerventils 30 angeordnet, so daß die jeweiligen Schubstangen 62,31 mit unterschiedlichen Hebelarmen an dem Stellhebel 64 angreifen. Um die aufgrund der unterschiedlichen Hebelarme auftretende Relativbewegung ausgleichen zu können, ist daher das Steuerventil 30 verschiebbar am Stellzylinder 50 angeordnet. Dieser Aufbau ist aber nicht zwingend notwendig, denn Stellzylinder 50 und Steuerventil 30 können nebeneinander angeordnet werden, so daß sie über ihre Schubstangen 31,62 mit gleichen Hebelarmen an dem Stellhebel 64 angreifen. Der jeweils zweckmäßigste Aufbau dürfte sich im Einzelfall nach den speziellen Erfordernissen und dem zur Verfügung stehenden Raum richten.

F i g. 2 und F i g. 3 zeigen zwei kraftabhängige Mitnehmer 16, die im Unterschied zu Fig. 1 mit zwei vorgespannten Druckfedern 72, 74 aufgebaut sind. Diese Druckfedern sind in einem Gehäuse 70 untergebracht und greifen über einen auf der Steuerstange 14 vorgesehenen Mitnehmerbund 76 spielfrei an dieser Steuerstange 14 an. In Fig.2 weist die Steuerstange 14 im Bereich des Gehäuses 70 einen geringeren Durchmesser auf, während in Fig. 3 der Durchmesser der Steuerstange 14 konstant ist. Zum Mitnehmen der Druckfedern 72,74 sind in F i g. 2 über die Steuerstange 14 zwei Auflageteller 78, 80 gestreift, die an den gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 70 und an den Schultern 26 bzw. 27 der Steuerstange 14 anliegen. Beim Überdrücken einer dieser beiden Federn 72, 74 wird daher die andere bei Aufrechterhaltung ihrer Länge und damit ihrer Vorspannung mitbewegt.

In Fig.3 ist, im Unterschied zu Fig.2, in der Mitte des Gehäuses 70 eine Zwischenwand 82 vorgesehen, gegen die sich die beiden Auflageteller 78,80 legen. Der Innendurchmesser dieser Zwischenwand 82 ist so gewählt, daß der Mitnehmerbund 76 durchführbar ist. Beim Überdrücken einer der beiden Federn 72, 74 wird daher die andere Feder bei Aufrechterhaltung ihrer Länge örtlich nicht verändert. Die kraftabhängigen Mitnehmer 16 nach F i g. 2 und F i g. 3 sind zum Einsatz für spezielle Anwendungszwecke vorgesehen.

Die Stellanordnung arbeitet wie folgt:

Bei einer Verstellung des Steuerknüppels 10 wird die Steuerbewegung über den kraftabhängigen Mitnehmer 16 auf das Steuerventil 30 übertragen. Ist das Rudermoment der Steuerfläche 66 gering und die davon abhängige Kraft geringer als die eingestellte Kraft des Mitnehmers 16, dann bleibt die Steuerung manuell. Der Stellzvlinder 50 verschiebt sich dabei mit dem Steuerventil 30, da sich der Arbeitskolben 52 im Gehäuse 51 wegen der offenen Bypaßleitung 58 verschieben kann. In diesem Betriebszustand sind die

Steuerkolben 34, 36 des Steuerventils 30 in der Neutralstellung durch den kraftabhängigen Mitnehmer 16 fixiert, so daß die hydraulische Flüssigkeit vom Zulauf 42 zu beiden Seiten des Arbeitskolbens 52 und zum Rücklauf 44 gelangt. Die Zuführkanäle 38, 40 sind hierbei so angeordnet, daß die hydraulische Flüssigkeit in der Neutralstellung auch zu beiden Seiten des Arbeitskolbens 52 gelangt. Bei kleinen und mittleren Kräften erhält daher ein Flugzeugführer das echte Steuergefühl, da diese Steuerung in diesem Fall eine reine Handsteuerung ist.

Übersteigt aber die von dem Rudermoment der Steuerfläche 66 über den Stellhebel 64 auf die Stellanordnung ausgeübte Kraft die eingestellte Kraft des kraftabhärigigen Mitnehmers 16, dann entsteht bei einer derartigen Verstellung eine Relativbewegung, die mit einer entsprechenden Verschiebung der Steuerkolben 34, 36 im Steuerventil 30 verbunden ist. Dabei wird einer der Zuführungskanäle 38, 40 gedrosselt und der andere weiter geöffnet sowie gleichzeitig die Verbindung zwischen dem zu füllenden Arbeitsraum des Stellzylinders 50 und dem anliegenden Rücklaufkanal 44 gedrosselt. Die hydraulische Flüssigkeit baut daher zwischen den Seiten des Arbeitskolbens 52 einen Differenzdruck auf und sperrt gleichzeitig durch den nun herrschenden Druckunterschied das kombinierte Drossel-Rückschlagventil 60. Der Stellzylinder 50 unterstützt damit die Handsteuerung durch Verstellung seines Gehäuses 51. Mit dieser Verstellung ist aber, da der Stellzylinder 50 und das Steuerventil 30 in ihren Lagen zueinander fixiert sind, eine Rückkopplung verbunden, die das Steuerventil 30 wieder in die Neutralstellung bewegt. Diese Rückkopplung verhindert, daß der Stellzylinder 50 nach seiner Ansteuerung eine Verstellung der Steuerfläche 66 bis zur Endlage ausführt. In diesem Betriebszustand wird daher einem Flugzeugführer ein konstantes Steuergefühl vermittelt, das mit Hilfe des aus Federelementen aufgebauten kraftabhängigen Mitnehmers 16 auf einen Wert eingestellt werden kann, oberhalb dessen eine manuelle Steuerung nur mit erheblichen Kraftaufwand möglich sein würde.

Wird in diesem Betriebszustand der Ausschlag des Steuerknüppels 10 verringert, dann wandern das Steuerventil 30 und das Gehäuse 51 des Stellzylinders 50

je nach ihren kinematischen Verhältnissen gemeinsam zurück. Mit einem Nachgeben der Ruderstellung ist aber auch eine Verringerung des Rudermomentes verbunden, so daß auch die Längskraft im Steuergestänge kleiner wird, bis schließlich die vom Steuerknüppel 10

ausgeübte Kraft ausreicht, um der Steuerfläche 66 manuell das Gleichgewicht zu halten. Bei dieser Verstellung verschieben sich auch die Steuerkolben 34, 36, bis sie ihre Neutralstellung erreichen und die Druckdifferenz im Stellzylinder 50 abbauen. Das

is kombinierte Drossei-Rückschlagver.ti! 60 öffnet dann wieder die Bypaßleitung 58, so daß der Arbeitskolben 52 wieder im Stellzylinder 50 bewegt werden kann.

Sollten bei einem mit der Stellanordnung ausgerüsteten Flugzeug schwingende Rudermomente auftreten, dann wirkt die Anordnung wegen des Zusammenwirkens von Steuerventil 30 und Stellzylinder 50 entweder quasi irreversibel oder schwingungsdämpfend. Bei kleinen Steuerkräften, d. h. bei Handsteuerung, ist das kombinierte Drossel-Rückschlagventil offen, so daß ein

schneller Öldurchfluß gedrosselt wird und Schwingungen gedämpft werden. Wird die (^geschwindigkeit zu groß, dann sperrt das kombinierte Drossel-Rückschlagventil die Bypaßleitung 58, so daß über die zuvor erwähnte Rückkopplung die Anordnung irreversibel arbeitet. Sind die Steuerkräfte groß, d. h. bei der Unterstützung der Steuerung durch den Stellzylinder 50, dann ist das kombinierte Drossel-Rückschlagventil 60 geschlossen. Die von den Schwingungen erzeugten Ventilkräfte sind entweder zu klein, um ein Öffnen des kombinierten Drossel-Rückschlagventils zu erzielen, so daß die Anordnung irreversibel wirkt. Sollten die von den Schwingungen erzeugten Kräfte ausreichen, das kombinierte Drossel-Rückschlagventil zu öffnen, dann geschieht dies im Rhythmus der Schwingungen mit einer solchen Phasenverschiebung, daß die Schwingungen gedämpft werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Stellanordnung zur Einstellung einer Steuerfläche für Flugzeuge mit einem durch einen Steuerknüppel und ein Steuergestänge verstellbaren Steuerventil zur Steuerung eines mit «ejnem bewaglichen Teil an einem Stellhebei einer Steuerfläche angelenkten und mit dem Gehäuse des Steuerventils verbundenen Stellzylinders, d a durch gekennzeichnet, daß eine vom Steuerknüppel (10) verstellbare Steuerstange (14) des Steuergestänges mit dem Steuerschieber (32,34, 36) fest verbunden ist und sich gegen das Gehäuse des Steuerventils (30) in beiden Bewegungsrichtungen der Steuerstange (14) durch eine von der manuellen Steuerkraft des Piloten überwindbare Federeinrichtung (16) abstützt und daß die beiden Arbeitsräume des Stellzylinders (50) durch eine Bypaßleitung (58) mit kombiniertem Drossel-Rückschlagventil (60) miteinander verbunden sind.

2. Stellanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federeinrichtung (16) durch mindestens eine vorgespannte Druckfeder (18; 72, 74) gebildet ist.

3. Stelianordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Federeinrichtung (16) durch eine vorgespannte Druckfeder (18) gebildet ist, die sich mit ihren Enden über Auflageteller (22,24) an einem mit dem Steuerventil (30) verbundenen Gehäuse (20) abstützt und daß jeweils eine Schulter (26, 27) der Steuerstand (14) an einem Auflageteller (22,24) anliegt.

4. Stellanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Federeinrichtung (16) durch zwei vorgespannte, jeweils in einer Bewegungsrichtung überdrückbare Druckfedern (72, 74) und durch einen zwischen den Druckfedern (72, 74) angeordneten Mitnehmerbund (76) der Steuerstange (14) gebildet ist (F i g. 2 und F i g. 3).

5. Stellanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Druckfedern (72, 74) jeweils mit einem Ende an einer Gehäusewand und mit dem anderen Ende an einer Zwischenwand (82) über Auflageteller (78, 80) abstützen, an welch letztere der Mitnehmerbund (76) anliegt (F i g. 3)

6. Stellanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Druckfedern (72, 74) jeweils mit einem Ende an einer Gehäusewand über Auflageteller (78, 80) mit daran anliegenden Schultern (26, 27) der Steuerstange (14) absnützen und und mit ihren anderen Enden unmittelbar am Mitnehmerbund (76) anliegen (F i g. 2).

7. Stellanordnung nach einem der Ansprüche I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das kombinierte DrOSSeI-RuCkSChIa⁴⁷VCnIi! ^60^ derart bemessen ist, daß die Bypaßleitung (58) in der Neutralstellung des Steuerventils (30) geöffnet und in einer von der Neutralstellung abweichenden Stellung durch den hydraulischen Systemdruck gesperrt ist.