-
Hydraulische Stellvorrichtung mit
| Nullast |
| lOgctLptl)ktlrewsctli.ebllnt,,, |
Die Erfindung bezieht sich auf eine hydraulische Stellvorrichtung zur Einstellung
von Stenerflächen für Luftfahrzeuge mit einem eine Lastrückführung aufweisenden
Stellzylinder und einem Steuerventil, das übrr einen den Signaleingang repräsentieren
Steuerhebel einstellbar ist.
-
Bei Luftfahrzeugen ist es üblich, durch Steuerventillle einstellbare
hydraulische Stellvorrichtungen für die Verstellung von Steuerflächen, wie z.B.
Ruder, zu benutzen. In der Regel werden derartige Stellvorrichtungen, die häufig
auch als hydraulische Kraftverstärker bezeichnet werden, dann eingesetzt, wenn die
zur Verstellung der Steuerflächen durch den Piloten aufzubringende Knüppelkraft
zu groß wird. Die bs eher eingesetzten hydraulischen Stelivorrichtungen haben sich
i.n der Praxis bwährt und zwar, weil durch eine Lastrückführung dem Piloten eines
Luftfahrzeuges stets ein Gefül für die an den Steuerflächen tatsächlich auftretenden
Kräfte vermittelt wird. Nachteilig ist jedoch, daß durch den Einbau einer
Lastrückführung
äußere Lasten die Steuerflächen auswehen können.
-
Es kann z.B. bei der Trimmiing eines Luftfahrzeuges durch Flossenverstellung
das Ruder aus der Flossenrichtung geweht werden, so daR hierdurch die Ruderwirksamkeit
vermindert wird. Die Verminderung der Ruderwirksamkeit ist natürlich von den jeweiligen
Verhältnissen einer Ruderanlage in einem Luftfahrzeug abhängig; aber Brfahrungen
haben ergeben, daß mit einer Verminderung in der Größenordnung von 25 Prozent gerechnet
werden muß.
-
Die zuvor beschriebenen Schwierigkeiten treten bei Servostellantrieben,
die keine Iastrückführung zum Signaleingang haben, nicht auf. Servostellantriebe
ohne Lastrückführung erfordern aber Vorrichtungen zur Erzeugung eines künstlichen
Lastgefühls, welche sich außerdem an die Bedingungen der jeweiligen Trimmstellung
anpassen lassen sollen. Ein Vorrichtung zur Erzeugung eines künstlichen Gefühls
soll verschiedene Faktoren, wie Staudruck Ruderwinkel, Beschleunigung, Lastvielfaches
usw. erfassen, so daß sie naturgemäß sehr kompliziert und aufwendig wird. Großen
Anklang haben daher hydraulische Stellvorrichtungen ohne Lastrückführung bisher
noch nicht gefunden und zwar, weil die Piloten eine hydraulische Steilvorrichtung
mit Lastrückführung wegen der richtigen Wiedergabe der tatsächlichen Lastverhältnisse
vorziehen.
-
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine hydraulische
Stellvorrichtung der eingangs genannten Art vorzusehen, welche in jeder durch Flossenverstellung
eingenommenen Trimnposition in der Lage ist, das Ruder in Flossenrichtung und den
Signaleingang lastfrei zu halten und welche nach jeder Auslenkung die Trimmposition
bzw. den lastfreien Signaleingang zurüclcfindet. Gemäß der Erfindung wird diese
Aufgabe dadurch gelöst, daß die Stellvorrichtung eine Anordnung aufweist, welche
in der jeweiligen Trimmposition (Nullstellung) die auf den Stellzylinder der Stellvorrichtung
zurückwirkende Lastkomponente erfaßt, speichert und derart auf
den
Signal eingang überträgt, daß die in einer von der Mittelstellung des Stell zylinders
abweichenden Nullsteilung sich ergebende Trimmlastkomponente kompensiert ist.
-
Die erfindungsgemäße hydraulische Stellanordnung zeichnet sich dadurch
aus, daß sie die -Vorteile einer hydraulischen Stellvorrichtung mit Lastnickführung
und die Vorteile einer durch Servoventile gesteuerten hydraulischen Stellvorrichtung
vereinigt, dagegen deren Nachteile nicht aufweist.
-
Es ist zweckmäßig, die Anordnung zur Erfassung, Speicherung und Übertragung
der jeweiligen Trimmlastkomponente aus einem oder zwtai llilfszylinder aufzubauen}
von denen je ein Arbeitsraum einerseits mit einem Druckspeicher und andererseits
iiber ein den Durchfluß der hydraulischen Flüssigkeit beeinflussendes Bauelement
(Drossel) mit einem zugeordneten Arbeitsraum des Stellzylinders verbunden ist und
die Kolben der Hilfszylinder über entsprechende Schubglieder mit zueinander entgegengesetzter
Richtung an einen mit dem Signaleingang verbundenen Steuerhebel anzuschließen.
-
Die Übertragung der jeweiligen Trimmlastkomponente kann durch einen
doppelten oder zwei einfach wirkende Hilfszylinder erfolgen, wobei die jeweilige
Lastkomponente sowohl mechanisch als auch hydraulisch auf den Signal eingang zurückgeführt
werden kann.
-
Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden
über ein bei Abweichung von der jeweiligen Trimmstellung verstellbares Schaltventil
zwei den Lastdruck der Arbeitsräume einem Stellzylinder der zur Steuerung einer
Prallplattenanordnung übertra«ende Leitungen und zwei weitere, gedrosselten Systemdruck
für die Pral lpl attenano rdnung übertragende Leitungen geleitet, wobei der mit
der Prallplattenanordnung erzeugbare Differenzdruck als der dem in der Trimmstellunc
entsprechende Lastdruck einem Hilfszylinder aufgeschaltet wird, dessen Kolben über
ein entsprechendes Schubglied an einem mit dem Signaleingang verbundenen Steuerhebel
angeschlossen ist:
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand
der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein Ausführungsbeispiel
einer hydraulischen Stellvorrichtung mit zeitabhängiger Speicherung der Trimmlastkomponente
und hydraulischer Lastrückführung; Figur 2. ein ausführungsbei spiel einer hydrauli.schen
Stellvorrichtung mit zeitabhängiger Speicherung der Trimmlastkomponente und mechanischer
Last.-rückführung; Figur 3 e-n Ausführungsbeispiel einer hydraulischen Stellvorrichtung
mit zeitabhängiger Speicherung der Trimmlastkomponente und hydraulischer Lastrückführung;
Figur 4 ein Ausführungsbeispiel einer hydraulischen Stellvorrichtung mit zeitunabhängiger
Speicherung der Trimmlastkomponente und mechanischer Lastrükführung u n d Figur
5 ein Ausführungsbeispiel einer hydraulischen Stellvorrichtung mit Nachbildung und
zeitunabhängiger Speicherung der Trimmlastkomponente und hydraulischer Lastrückführung.
-
Im erst-en Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ist eine hydraulische
Stellvorrichtung dargestellt, die aus einem Stellzylinder 10 besteht, bei welchem
als Antriebsteil der eigentliche Zylinder wirkt.
-
Die Steuerung dieses Stellzylinder' erfolgt über ein Steuerventil
11, das durch einen am Stellzylinder 10 angelenkten Steuerhebel 12 einstellbar ist.
Über das Steuerventil 11 wird in bekannter Weise den
Arbeitsräumen
des Stellzylinders 10 die hydraulische Flüssigkeit zu- bzw. abgeführt. Beim Einsatz
eines derartigen Stel]zylinders stellt sich in den durch den Kolben 13 getrennten
Arbeitsräumen entsprechend der an diesem Stellzylinder angreifenden Last ein Lastdruck
ein. Der Lastdruck des Arbeitsraumes lOa wird dabei über eine Leitung 14 einmal
ungedrosselt einer Seite eines Hilfszylinders 15 und über eine Drossel 16 auch der
anderen Seite dieses Hilfzylinders 15 zugeführt. Analog dazu wird der Lastdruck
des Arbeitsraumes lOb über eine Leitung 17 einerseits direkt einer Seite eines Hilfszylinders
18 und andererseits er eine Drossel 19 der anderen Seite dieses Hilfszylinders zugeleitet.
-
Diejenigen Seiten der Hilfszylinder 15, 18, die über die Drosseln
16, 19 mit den entsprechenden Arbeitsräumen 10a bzw. 10b des Stellzylinders verbunden
sind, sind weiterhin mit jc einem Druckspeicher 20, 21 verbunden. Die Kolben 22,
23 der Hilfszylinder 15, 18 sind über entsprechende Schubglieder 24 an den den Signal.-eingang
bildenden Steuerhebel l 12 angeschlossen.
-
Zur Einstellung dieser Stellvorrichtung wird der Steuerhebel 12 aus
seiner Mittellage entsprechend bewegt, so daß das Steuerventil 11 den Arbeitsräumen
10a bzw. lOb des Stellzylinders 10 einen entsprechenden Druck zuführt. Dieser Druck
pflanzt sich über die Leitungen 14 und 17 zu den Hilfszylinders 15 und 18 fort.
Die Kameiern 15a bzw. 18a dieser Hilfszylinder werden dabei direkt beaufschlagt,
während sich in den Kammern 15b bzw. 18b aufgrund der Drosseln 16 bzw. 19 und der
Druckspeicher 20 bzw. , 21 erst allmählich eine Anpassung an den Lastdruck in den
Arbeitsräumen des Stellzylinders 10 ergibt. Der zeitliche @ Verlauf der Druckanpassung
wird dabei von den Drosseln 16 bzw. 19 und dem Speichervolumen der Druckspeicher
20 bzw. 21 sowie dem Lastniveau bestimmt. Das bedeutet, enn der Steuerhebel 12 über
eine ganz bestimmte Zeit in einer ausgelenkten Position gehalten wird - wie dlcs
z.B. zum Trimmen erfolgt - dann gleichen sich die Drücke in den Kammern 15 a und
15b. bzw. 18a und 18b in den Hilfszylindern einander an.
-
Die resultierenden Kräfte an den Hilfszylindern werden zu Null und
am Steuerhebel 12 ergibt sich fiir die gewählte Ruderstellung ein 1 astfreier Zustand.
-
Wird jedoch der Steuerhebel 12 aus seiner lastfreien Lage nur eine
relativ kurze Zeit ausgelenkt, wie das für normale Ruder kommandos der Fall ist,
dann halten die Kammern 15b und 18b der Hilfszylinder 15 und 18 den ursprünglichen
Druck bei, weil das eingesparte Volumen der Kammern 15b und des Druckspeichers 20
sowie der Kammer 18b und des Druckspeichers 21 nur langsam über die Drossel 16 bzw,
19 entweichen kann. Die Drücke in den Kammern 15a bzw. 18a der Hilfszylinder 15
und 18 folgen jedoch sofort den Drücken der zugeordneten Arbeitsräume des Stellzy
linders 10, so daß sich das den geänderten Lastdrücken der Arbeitsräume 10a und
10b einstellende Druckgleichgewicht zwischen den Kammern 15a und 15b des Hilfszylinders
15 bzw. den Kammern18a und<8b des Hilfszylindcrs 18 eine resultierende Ausgangskraft
ergibt, die auf den Steuerhebel 12 übertragen wird und somit dem Piloten eines Luftfahrzeuges
ein Gefühl vermittelt, das der am Stellzylinder angreifenden äußeren Last direkt
proportional ist.
-
Die Lastproportion von äußerer Last und resultierender Last am Steuerhehel
12 wird dabei durch das Verhältnis der Kolbenflächen 13 im Steilzylinder zu den
Kolbenflächen 22 bzw. 23 in den Hilfszylindern bestimmt. Wird nach der Ausfiihrung
eines Ruderkommandos der Steuerhebel 12 freigegeben, dann stellt sich dieser in
seine ursprüngliche lastfreie Position soweit zurück, bis der Druck in den beiden
Kammern der Hilfszylinder ausgeglichen ist und damit dem Druck der zugeordneten
Arbeitsräume im Stellzylinder 10 entspricht. Die Kammern 15b bzw. 18b in Verbindung
mit den Druc3cspeichern 20 und 21 sowie den Drosseln 16 und 19 wirken somit als
zeitabhängiger Speicher und ermöglichen somit eine Nullastpunkt verschiebung am
hydraulischen Stellzylinder.
-
Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 2 ist eine hydraulische Stellvorrichtung
zu sehen, die sich im Gegensatz zu der nach Figur 1 durch eine mechanische Last
rückführung auf den Steuerhebel 12 unterscheidet. Hierzu ist von dem auf die Last
einwirkenden Gcstänge ein Hebel 30 an eine Schubstange 31 angelenkt, die über ein
Schubglied 32 mit dem Steuerhebel 12 verbunden ist.
-
Das Schubglied 32 ist mit dem Kolben 35 des Hilfszylinders 34 verbunden,
während über ein weiteres mit dem Steuerhebel 12 verbundenes Schubglied 33 der Kolben
37 eines zweiten Hilfszylinders 36 verbunden ist. Die als Einkammersystem ausgeführter,
Stellzylinder 34, 36 sind ebenso wie in Figur 1 über entsprechende Leitungen 38,
39 mit je einem Druckspeicher 20 bzw. 21 verbunden.
-
Weiterhin bestehen von diesen Hilfszylindern 374, 36 über die mit
den Drosseln 16, 19 versehenen Leitungen 14, 17 Verbindungen zu den zugeordneten
Arbeitsräumen 10a bzw. lOb des Stellzylinders 10.
-
Diese Stellanordnung unterscheidet sich in ihrer Funktionsweise nicht
von der nach Figur 1, denn die Nullpunktverschiebung erfolgt durch die am Steuerhebel
12 angreifenden Hilfszylinder 34, 36 in Verbindung mit den Druckspeichern 20, 21,
welche über die in den Leitungen 14, 17 eingebauten Drosseln 16, 39 die zeitabhängigen
Speicher bilden. Die Hilfszylinder 34, 36 können auch zu einer gemeinsamen Zweikammer-Zylinderanordnung
zusammengefaßt werden, wobei dann je eine Kammer an die entspreehcndcn Leitungen
8 bzw.
-
39 angeschlossen wird.
-
Das dritte Ausführungsbeispiel naeh Figur 3 besteht aus einer hlrdraulischen
Stellvorrichtung mit hydraulischer Lastrückführung und Nullpunktverschiebung gemäß
Figur 1. Als Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ist in die Leitungren,
welche die Drosseln 16 bzw. 19 enthalten, ein Sperrventil 45 eingeschaltet. Die
Ansteuerung dieses Sperrventils erfolgt über eine Schubstange 1.6 die an der Flosse
eines Luftfahrzeuges angelenkt ist. An dieser Flosse ist auch der Stellzylinder
10 mit seincr Kolbenstange 44
angelenkt. Das Sperrventil 45 ist
so angelenkt, daß beim Fluchten der Flosse mit zugeordnetetn Ruder der Durchgang
für die Leitungen mit den Drosseln 16 und 19 geöffnet ist. Wird.
-
das Ruder gegen die Flosse ausgelenlct, was durch Flossenverstellung
zur Trimmung oder Rudereinstellung zur Steuerung erfolgen kann, dann wird das Sperrventil
geschlossen, so daß die im StelLzylinder sich ergebende Änderung der Drücke nur
auf die Kammern 15a bzw. 18a der Hilfszylinder 15 und 18 übertragen wird.
-
Die Kammern 15b bzw. 18b der Hilfszylinder 15, 18 behalten dagegen
ihren ursprünglichen Druck, so daß sich an diesen Hilf szylindern eine Ausgangskraft
ergibt, die auf den Steuerhebel 12 wirkt und das resultierende Lastgefühl vermittelt.
Wenn der Steuerhebel danach freigegeben wird, dann stellen die Hilfszylinder 15
und 18 den lastfreien Zustand wieder her und zwar dadurch, daß das Steuerventil
11. durch die Hilfszylinder 15 soweit verstellt wird, bis in den Kammern der Hilfszylinder
15, 18 Druckgleichgewicht herrscht.
-
Damit ist der Lastnullpunkt wieder erreicht, so daß am Steuerhebel
12 eine Last nicht zu fühlen ist und das Steuerventil J.5 die Durchgängs für die
Kammern 15b bzw 18b der Hilfszylinder wieder öffnet.
-
Bei der Trimmung eines Luftfahrzeuges durch Flossenverstellung wird
zunächst die Flosse gegen das Ruder verstellt, was zum Schliessen des Sperrventils
1.5 fiihrt. Danit sind die Kammern 15a und 15b bzw. 18a und 18b der Hilfszylinder
hydraulisch voneinander getrennt, so daß die durch die Verstellung der Flosse hervorgerufene
Laständerung am Stellzylinder 10 eine Druckhnderung in den Arbeitsräumen 10a bzw.
lOb zur Folge hat. Die dadurch in den Hilfszylindern 15 und 18, und zwar in den
Kammern 15a bzw. 18a entstehende Druckdifferenz übt auf den Steuerhebel 12 eine
Kraft aus, welche eine Auslenkung dieses Steuerhebels bewirkt und damit das Steuerventil
11 verstellt.
-
Die Auslenkung des Steuerhebels 32 erfolgt dabei so lange, bis die
Drücke in den Arbeitsräumen 10a, lOb bzw. in den Kammern 15a, 18a wieder im Gleichgewicht
sind und Ruder und Flosse in einer Flucht
stehen. Damit wird auch
das Sperrventil 45 wieder geöffnet und in der neuen Trimmposition ist auch der Steuerhebel
12 lastfrei.
-
Der Einbau des Spcrrventils 45 in die mit den Drosseln 16 bzw. 19
versehenen Leitungen hat den Vorteil, daß die Speicherung nicht mehr zeitabhängig,
sondern zeitunabhängig ist. Damit wird eine automatische Ausrichtung des Ruders
nach der Flosse bei lastfreiem Signaleingang bewirkt.
-
Das Ausführungsbeispiel nach Figur 4 zeigt eine hydraulische Steilvorrichtung
gemäß Figur 2, die ebenfalls mit einem Sperrventil 45 zusätzlich bestückt ist. Die
Funktionsweise ist ebenfalls, wie beim ausführungsbeispiel nach Figur 2, d.h. mit
mechanischer Lastrückführung und zeitunabhängi gern Speicher gemäß Figur 3.
-
Beim letzten Ausführungsbeispiel nach Figur 5 ist eine hydraulische
Stellvorrichtung zu sehen, die sich im Gegensatz zu der nach Figur 3 daclurch unterscheidet,
daß anstelle der Lastdruckspeicher eine Prallplattenanordnung vorgesehen ist; welche
den der jeweiligen Trimmstellung entsprechenden Lastdruck nachbildet.
-
Hierzu ist ein Schaltventil 50 vorgesehen, das ebenfalls über eine
Schubstange 46 6 mit der Flosse eines Luftfahrzeuges verbunden ist. Das Schaltventil
50 ist zur Steuerung von vier Leitungen 51, 52, 53, 54 vorgesehen, und zwar jeweils
zwei Leitungen, welche zu zugeordneten Kammern zweier federbelasteter Hilfszylinder
60, 61 führen. Die Leitungen 51, 52 gehen von den Arbeitsräumen 10a bzw.
-
lOb des Stellzylinders 10 aus, während die Leitungen 53, 54 über je
eine Drossel 65, 66 am Systemdruck liegen. In der Mittelstellunge des Stellzylinders
bzw. der jeweiligen Trimmstellung wird der Lastdruck aus den Arbeitsräumen 30a bzw.
lOb den entsprechenden Kammern des Hilfszylinders 60 übertragen, so daß der in dem
Hiifszylinder 60 vorgesehene federbelastete Kolben 70 um einen dem Lastdruck proportionalen
Weg (X1) aus seiner Mittelage bewegt
wird. Die Bewegung dieses
Kolbens 70 wird über einen Hebel 62 auf einen Kolben 72 im Hilfszylinder 61 übertragen.
nei festge-.
-
haltenem (gedachten) Kolben 72 hat die Auslenkung der Kolbens 70 im
Hilfszylinder 60 eine entsprechende Auslenkung eines Prallplattenhehels 63 zur Fo]ge,
da an diesem Prallplattenhebel 63 der Hebel 62 angelenkt ist.
-
Die.PrallplattcnanordnIIng 64 ist über die Drosseln 65, 66 am Systemdruck
an£eschlossen, so daß sich bei einer Verschiebung des Prallplattenhebels 63 aus
der Mittellage hinter den Drosseln 65, 66 ein Differenzdruck ergibt. Dieser Differenzdruck
wird einem Hilfszylinder 75 zugeführt und über die Leitungen 53, 54 zu den Kammern
des federbelasteten Hilfszylinders 61 übertragen. Unter der Voraussetzung, daß die
Konstanten der die Kolben der Hilfszylinder 60, 61 belastenden Federn gleich sind,
hat dies eine Auslenkung (x2) des Kolbens 71 zur Folge, die praktisch gleich der
Auslenkung X1 des Kolbens 70 im Hilfszylinder 60 ist. Die Auslenkung des Kolbens
71 erfolgt aber in entgegengesetzter Richtung zur Auslenkung des Kolbens 70. Der
Hebel 63 führt daher nur eine sehr kleine Schwenkbewegung um die Mittellage aus
die bei sehr hoher Druckverstärkung der Prallplatte 64 zu einer Verschiebung X führt,
welche den am Hilfszylinder 60 aufgeschalteten Lastdruck bis auf einen verschwindend
kleinen fehler über der Prallplattenanordnung 64 als Differenzdruck wieder erzeugt.
er stationäre Fehler dieses Regelvorganges ist von der Hcbelgeometrie der Hebel
62, 63 den Federkonstanten in den Hilfszylindern 60, 61 und der Druckverstärkung
abhängig.
-
Dieser Einstellvorgang erfolgt in der jeweiligen Trimmstellung des
Stellzylinders. Bei einer Stellung des Ruders, die sich von der Trimmstellung unterscheidet,
sind die Hilfszylinder 60, 61 durch das Schaltventil 50 blockiert, so daß die Einstellung
über der Prallplattenanordnung 64 und der auf den Hilfszylinder 75 geführte Differenzdruck
konstant sind.
-
Der Hilfszylinder 76, der über eine Kolbenstange an dem Punkt des
Steuerhebels 12 angreift, an dem auch der Hilfszylinder 75 angelenkt ist, ist zur
Lastfühlung vorgesehen und über entsprechendc Leitungen an die Arbeitsräume 10a
bzw. 10b des Stellzylinders angeschlossen. Diese Stc]lanordnung entspricht daher
in ihrer Funktion der Stellanordnung nach Figur 3 mit dem Unterschied, daß hier
der Lastdruck für die Speicherung nachgebildet wird.
-
- Patentansrüche -