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Elektrohydraulischer Stellantrieb, insbesondere für
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Steuerorgane an Luftfahrzeugen Die erfindung betrifft einen elektrohydraulischen
Stellantrieb, insbesondere für Steuerorgane an Luftfahrzeugen.
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Mit elektrohydraulischen Stellantrieben ist es bei Luftfahrzeugen
möglich, bei relativ hohem Leistungsniveau Steuerorgane, z.B. Flugzeugruder, mit
elektrischen Signalen anzusteuern. Um bei Flugzeugen die notwendige Sicherheit zu
haben, werden hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Stellantriebe gestellt,
insbesondere werden zuverlässige Ausfallserkennungen gefordert.
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Bei bekannten als bervokIeise ausgelegten Stellantrieben in flugzeugen
sind kritische @lemente in bezug auf die Zuverlässigkeit
die Rückführung
(Summierstelle; und das Bervoventil. Line Ausfallerkennung ist wegen der analogen
Signalverarbeitung problematisch. Auch bei bekannten Stellantrieben, die mit Schaltventilen
anstelle von Servoventilen arbeiten, ist eine Xückführung bisher stets beibehalten
worden.
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Der Lrfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stellantrieb zu schaffen,
der in der Xealisierung und der Funktion sehr einfach ist und mit dem es möglich
ist, mögliche Ausfälle zuverlässig festzustellen, ohne daß zur Ausfall erkennung
redundante Systeme erforderlich wären.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch einen Stellzylinder,
dem zur Positionierung diskrete Ölvolumina über schnellschaltende Ventile zuführbar
sind, durch einen Rechner, über den den Ventilen die erforderlichen Schaltimpulse
zugeleitet werden und durch druck- und/oder strömungs-und/oder körperschallabhängig
arbeitende Sensoren zwischen den Ventilen und dem Stell zylinder als Mittel 7ur
Ausfallerkennung.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Lrfindung sind in den Unteransprüchen
herausgestellt.
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Über die schnellschaltenden Ventile läßt sich der Ölstrom auch in
sehr kleinen Mengen exakt dosieren. Die Ausfallerkennung erfolgt durch die Uberwachung
des Druckes oder der Strömung der Hydraulikflüssigkeit in den zum Stellzylinder
führenden Leitungen durch die erfindungsgemäß vorgesehenen Sensoren. Die Sensorsignale
werden mit den Ansteuersignalen verglichen und für die Ausfallerkennung ausgewertet.
Line Rückführung des Stellweges ist nicht mehr notwendig. lurch Verwendung von Pulsbreiten-
oder Pulsfrequenrmodulation bei
der Ansteuerung der Ventile wird
ereicht, daß für beide Schaltzustände der Ventile die zeitlichen Prüfabstände sehr
klein gehalten werden können und damit die Wahrscheinlichkeit von verdeckten Fehlern
sehr gering gehalten werden kann.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht
und im nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben.
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Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild eines Flugzeugsteuerungs-und -regelungssystems
mit einem rückführungsfreien elektrohydraulischen Stellantrieb als Vorsteuereinheit
für den Rudersteller.
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big. 2 zeigt eine erste Ausführungsform eines rückführungsfreien Stellantriebes.
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Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform des rückführungsfreien Stellantriebes.
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Das Steuerungssystem nach Fig. 1 weist einen als Flugregler arbeitenden
Prozeßrechner 2 auf, in den das Pilotenkommando 4 als Sollwert eingegeben wird.
Dem Prozeßrechner werden weiter die in üblicher Weise ermittelten Flugzustandsgrößen
6 aufgegeben.
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In dem gestrichelt umrandeten Block @ ist der erfindungsgemäß ausgebildete
Stellantrieb mit Ausfallerkennung dargestellt.
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Dieser Stellantrieb weist elektrohydraulische octraltventile 10 auf,
die über elektrische Signalverbindungen 12, 14 vom Frozeßrechner angesteuert werden.
Lie Schaltventile sind an ein in Fig. 1 nicht dargestelltes Hydrauliksystem ang@schlossen.
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Das Öl wird über eine Leitung 16 einem Stellzylinder 18 zugeleitet.
An die Leitung 16 ist über eine Leitung 22 ein druck- und/oder strömungsabhängig
arbeitender Sensor 24 angeschlossen, der bei jedem Ansprechen ein elektrisches Signal
abgibt, das über eine Signalverbindung 26 auf den Prozeßrechner rückgeführt wird.
Im Prozeßrechner werden die vom Sensor abgegebenen Signale mit den elektrischen
Schaltimpulsen für die Schaltventile 10 verglichen, wodurch Ausfälle, z.B. ausgebliebenes
Schalten der Schaltventile, unmittelbar erkennbar sind. Uber den proportional wirkenden
Stellantrieb wird der Rudersteller 28 gesteuert, tler seinerseits das in big. 1
nicht dargestellte Ruder betätigt Als elektrohytlraul ische Schaltventile werden
vorzugsweise magnetisch gesteuerte Kugelventile vorgesehen, und zwar vorzugsweise
bistabil gesteuerte Kugelventile. Nit magnetisch gesteuerten Kugelventilen sind
Ventilschaltzeiten in der Größenordnung von 1 ms möglich. Die Ventilschaltzeit sollte
so kurz wie möglich sein, da das Auflösungsvermögen direkt von ihr abhängt . Die
Lurchlaßmenge der Ventile läl3t sich durch iulsmodulation den jeweiligen korderungen
anpassen. Als besonders zweckmäßig hat sich eine Ansteuerung nach dem Verfahren
der differentiellen Pulsdauermodulation erwiesen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel des Stellantriebes nach Fig. 2 ist der
Stellzylinder 30 mit einem bifterentialkolben 32 als Stellkolben ausgebildet. Der
Kolben hat stirnseitig eine Fläche A1 und stangenseitig eine Fläche A2. Die stangenseitige
Zyl inderkammer 44 ist über eine Leitung 34 ständig an das Hydrauliksystem mit dem
Systemdruck P@ angeschlossen.
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Diit dem Hydrauliksystem ist die Zylinderkammer 40 über ein Zulaufventil
38 verbunden, das als magnetbetätigtes 2/2-Wegeventil, vorzugsweise magnetisch betätigtes
Kugelventil ausgebildet ist. Als Verbindung ist eine Leitung 36 vorgesehen, in der
vor der Zylinderkammer 40 eine Drossel oder Blende 42 angeordnet ist. An die Leitung
36 ist ferner ein weiteres Plagnetventil 46 angeschlossen, dessen Auslaß über eine
Rücklaufleitung 48 mit dem Tank 0 des Hydrauliksystems verbunden ist. Das Ventil
46 ist in gleicher Weise ausgebildet wie das Ventil 38.
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SchlieRlich ist an die Leitung 36 ein Durckschalter 54 als Sensor
angeschlossen.
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Die Zylinderkammer 44 ist wie erwähnt ständig mit dem Systemdruck
1b beaufschlagt. Die andere Zylinderkammer 40 kann entweder über das Zulaufventil
38 mit dem Systemdruck beaufschlagt oder über das Rücklaufventil 46 mit der Rücklaufleitung
48 verbunden werden. Das Flächenverhältnis A1/h2 des Kolbens 32 kann beispielsweise
2 : 1 sein.
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Die Arbeitsweise des Stellantriebes kann durch die drei Betriebszustände
beschrieben werden.
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Zustand 1 Sind beide Schaltventile 38 und 46 geschlossen, ist das
Ölvolumen in der Zylinderkammer 40 eingeschlossen, und es stellt sich in den beiden
Kammern ein Druckgleichgewicht in Abhängigkeit vom ilächenverhältnis A1/A2 ein.
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Zustand 2 Wird vom Zustand 1 ausgehend das Zulaufventil 38 geöffnet,
steigt der Druck S-l in der Zylinderkammer 40 an und bewegt den Kolben 32 nach rechts.
Beim schließen des Zulaufventils 38 stellt sich wiederum der Zustand 1 ein.
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Zustand 3 Wird das Rücklaufventil 4u geöffnet, wird der Druck 11 in
der Zylinderkammer 40 abgebaut und der Kolben 32 bewegt sich nach links. Beim Schließen
des Ventils 46 stellt sich wiederum der Zustand 1 ein, bei dem ein Druckgleichgewicht
herrscht.
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In den Zuständen 2 und 3 wird der Durchfluß durch die Drossel 42 bestimmt.
wird das Zulauf'ventil 38 betätigt, baut sich zwischen diesem Ventil und der Drossel
42 in der Leitung 36 ein Druck auf, durch den der bruckschalter 54 betätigt wird.
Ls folgt somit auf den vom Rechner abgegebenen Steuerimpuls für das Zulaufventil
58 eine einen Druckanstieg in der Leitung 36 signalisierende Impulsantwort über
den Lruckschalter 54 an dem Hechner 2. Lurch die Impulsantwort wird angezeigt, daß
das Ventil angesprochen hat. In ähnlicher Weise erfolgt eine Rückmeldung der Funktion
des Tlücklaufventiles 46. wird dieses Ventil betätigt, tritt in der Leitung 36 ein
markanter Druckabfall auf, auf den wiederum der Druckschalter' anspricht.
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Das Anfahren bestimmter Positionen wird mit dem Antrieb nach Fig.
2 wie folgt erreicht. Bei geöffnetem Zulauf- oder Rücklaufventil fließt während
der vom Rechner vorgegebenen Öffnungszeit ein durch den Systemdruck i( und Drosselquerschnitt
definiertes ölvolumen in den Stellzylinder hinein oder aus ihm
heraus.
Die für einen bestimmten Stellweg erforderliche Öffnungszeit des Ventils läßt sich
aus ölvolumen und Kolbenfläche exakt bestimmen.
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Bei einem Volumen der Zylinderkammer 40 in der Größenordnung von 7
cm3 lassen sich mit einer Kolbengeschwindigkeit von 70 mm/sec bei Verwendung von
magnetbetätigten Kugelventilen mit Schaltzeiten von 1 ms etwa 600 diskrete Kolbenpositionen
ansteuern.
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Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel eines Stellantriebes mit Ausfailerkennung
nach Fig. 3 ist der Stellantrieb )C6 mit einem ausgeglichenen Kolben 58 versehen,
dessen beaufschlagte Kolbenflächen gleich groß sind. Ls ist wieder ein Hydrauliksystem
mit dem Systemdruck PS vorgesehen. Der Anschluß des Stellzylinders 56 erfolgt jeweils
über Rückschlag ventile 60, 62, Leitungen 64, 66 und als 3/2-Wegeventile ausgebildete
Schaltventile 68, 70, die wiederum magnetbetätigt sind. Zwischen den Ventilen 68
und 70 und den Zylinderkammern 55 und 57 sind wiederum Drosseln oder Blenden 72,
74 geschaltet. Zwischen den Ventilen 68 und 70 und den Drosseln 72 und 74 sind jeweils
Verbindungsleitungen 76, 78 angeschlossen, die zu einem Differenzdruckschalter 80
führen. Die Rücklaufanschlüsse der Ventile 68 und 70 sind jeweils über eine blrücklaufleitung
82 mit dem Wank ti4 des Hydrauliksystems verbunden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 treten wiederum drei Betriebszustände
auf.
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Zustand 1 Die Ventile 68 und 70 befinden sich in der dargestellten
Schaltstellung. Die beiden Zylinderkammern @ und @7 sind mit
dem
Systemdruck PS beaufschlagt. Auch auf die beiden Anschlüsse des Druckschalters 80
wirkt der gleiche Druck.
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Der Kolben 58 ist in seiner Stellung gefesselt und der Druckschalter
8() befindet sich in einer Nittelstellung.
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Zustand 2 Das Ventil 68 wird geschaltet und damit die Zylinderkammer
55 mit der Bücklaufleitung 82 verbunden. Aus der Lylinderkammer ,5 strömt Ö1 mit
einer durch den Querschnitt der Drossel oder Blende 72 vorgegebenen Geschwindigkeit
ab. In die rechte Zylinderkammer 57 wird Öl eingespeist. In Strömungsrichtung hinter
der Drossel oder Blende 72 kommt es zu einem in der Leitung 76 wirksam werdenden
Druckabfall.
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buich den Differenzdruck wird der Druckschalter 80 betätigt und gibt
eine das Ansprechen des Ventil es 68 bestätigende Impulsantwort an den Rechner 2.
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hach dem Umschalten des Ventils 68 stellt sich der Zustand 1 wieder
ein. Der Druckschalter kehrt in seine Nittelstellung zurück.
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Zustand 3 Bei Betätigung des Ventils 70 wird die Ventilkammer 57 mit
der Rücklaufleitung 82 verbunden. Analog der Beschreibung des Zustandes 2 wird der
Kolben 58 nach rechts verschoben.
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In der Anschlußleitung 78 des Druckschalters 80 kommt es zu einem
Druckabfall, der Druckschalter wird betätigt und gibt an den Rechner 2 eine das
Ansprechen des Ventils 70 bestätigende Impulsantwort.
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Ventilfehlverhalten in Form von Driften werden durch mathematische
Funktionen vom Rechner erfaßt und kompensiert. Lat
eine vollständige
mathematische Verfassung nicht möglich, kann die Verfassung und Beseitigung des
Restfehlers oder alternativ die Erhaltung der Stellgenauigkeit durch Messung eines
stellungsabhängigen Ausgangssignals erfolgen. Dieses Signal kann am Rudersteller
abgegriffen werden. Dieses rückgeführte Signal soll lediglich dazu dienen, Stellungsfehler
auszugleichen, die sich während eines definierten Zeitraumes, während dem die Ventile
betätigt wurden, aufsummiert haben.
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Im Gegensatz zu herkömmlichen Servostellantrieben ist bei dem erfindungsgemäßen
System der Antrieb nach Ausfall der Rückführung noch funktionsfähig.
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Bei den beiden im vorstehenden beschriebenen Ausführungsbeispielen
sind zur Lrzeugung einer Impulsantwort auf das Ansprechen der Ventile Jeweils Druckschalter
verwendet worden.
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In analoger Weise lassen sich die Impulsantworten auch mit Hilfe von
Volumenstromsensoren ableiten. Ls können auch körperschallabhängig arbeitende Sensoren
allein oder in Kombination mit druck- und/oder strömungsabhängig arbeitenden Sensoren
verwendet werden.