DE3017080A1

DE3017080A1 - Elektrohydraulischer stellantrieb

Info

Publication number: DE3017080A1
Application number: DE19803017080
Authority: DE
Inventors: Johannes Ing.(grad.) 3300 Braunschweig Tersteegen
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt Fuer Luft und Raumfahrt EV 5000 Koeln; Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1980-05-03
Filing date: 1980-05-03
Publication date: 1981-11-12
Also published as: US4630523A; CA1170749A; FR2481763A1; GB2075220B; FR2481763B1; DE3017080C2; GB2075220A

Description

Patentanwalt DipL-lng. Harro Gralfs

Gralls Palentanwalt Am Bürgeipaik 8 D 3300 Braunschweig Germany

Am Bürgerpark 8 D 3300 Braunschweig, Germany Telefon 05 31-7 47 98 Cable patmarks braunschweig

28. April 1980 G/Wi - D 649

Deutsche Forschungs- und
Versuchsanstalt für Luft-
und Raumfahrt e.V.
Linder Höhe

5000 Köln 90

Elektrohydraulischer Stellantrieb

Zusatz zu Patentanmeldung P 28 23 960.3-13

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrohydraulischen Stellantrieb, insbesondere für Steuerorgane an Luftfahrzeugen, mit einem Stellzylinder mit einem zweiseitig beaufschlagbaren Stellkolben, dem zur Positionierung über durch eine Schaltimpulsfolge betätigte Drei/Zwei-Wegeventile das benötigte ölvolumen in.Form diskreter ölvolumina zuführbar ist, mit einem Rechner, über den die den Ventilen zuzuleitenden Schaltimpulse festgelegt werden, mit elektrische Signale abgebenden Sensoren und mit durchflußbestimmenden Drosseln, wobei als Ventile magnetische bistabile Drei/Zwei-Wegeventile vorgesehen sind, deren Öffnungsdauer vom Rechner in Abhängigkeit vom vorgegebenen Verstellweg des Stellkolbens mit variabler Pulsdauer festlegbar

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sind, und wobei die von den Sensoren abgegebenen elektrischen Signale als reine Punktionsbestätigungen auf den Rechner rückgeführt werden, und stellt eine Verbesserung und weitere Ausbildung des Stellantriebes nach der Patentanmeldung P 28 23 960.3-13 dar.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 der Hauptanmeldung sind den Wegeventilen jeweils druckseitig einfache Rückschlagventile vorgeschaltet und zwischen den Wegeventilen und den Zylinderräumen sind Drosseln vorgesehen, vor denen die Anschlüsse für die Sensoren liegen. Die Wegeventile sind dabei so geschaltet, daß in der Ruhestellung jeweils beide Zylinderräume mit dem Systemdruck beaufschlagt sind. Zum Positionieren wird dann jeweils eines der Wegeventile für die vorbestimmte Zeitdauer mit dem Rücklauf verbunden. Es wird also jeweils die aus einem der Zylinderräume austretende ölmenge gesteuert. Bei dieser Anordnung treten im Stellzylinder Druckänderungen bis zu 50 % auf. Das führt bei den kleinen gesteuerten ölvolumina infolge der ölkompressibilität in Abhängigkeit von der Kolbenstellung zu Nichtlinearitäten von über 10 %, weiter zu erheblichen dynamischen Belastungen der Dichtungen des Stellzylinders und darüber hinaus zu einer erheblichen Geräuschentwicklung.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Stellantrieb nach der Hauptanmeldung dahingehend weiterzuentwickeln, daß über den ganzen Kolbenhub Linearität zwischen Eingangssignal und Schrittweite des Stellkolbens gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Drosseln druckseitig vor den Wegeventilen angeordnet sind, daß zwischen den Wegeventilen und den zugehörigen Zylinderräumen des Stellzylinders jeweils entsperrbare Rückschlagventile mit Durchlaß in Richtung auf die Zylinderräume vorgesehen sind, daß die Rückschlagventile und die Wegeventile so geschaltet

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sind, daß in der Ruhestellung beide Zylinderräume über die Rückschlagventile abgeschlossen und beide Wegeventile zum Rücklauf geöffnet sind, und daß zum Positionieren des Stellkolbens jeweils ein Wegeventil auf Durchlaß zum Druckanschiuß geschaltet und gleichzeitig das Rückschlagventil vor dem gegenüberliegenden Zylinderraum entsperrt wird.

Die Erfindung, ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht und im nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild eines Flugzeugsteuerungsund -regelungssystems mit einem elektrohydraulischen. Stellantrieb als Vorsteuereinheit für den Rudersteller.

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführung eines Stellantriebes gemäß der Erfindung.

Fig. 3 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild für den Stellantrieb nach Fig." 2.

Das Steuerungs- und -regelungssystem nach Fig. 1 weist einen als Flugregler arbeitenden Prozeßrechner 2 auf, in den das Pilotenkommando ¹J als Sollwert eingegeben wird. Dem Prozeßrechner werden weiter die in üblicher Weise ermittelten Flugzustandsgrößen 6 aufgegeben.

In dem gestrichelt umrandeten Block 8 ist der erfindungsgemäß ausgebildete Stellantrieb in Simplexausführung mit Ausfallerkennung dargestellt;. Dieser Stellantrieb weist elektrohydraulische Schaltventile 10 auf, die Über elektrische Signalverbindungen 12, l4 vom Prozeßrechner angesteuert werden. Die Schaltventile sind an ein in Fig* 1 nicht dargestelltes Hydrau-

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likversorgungssystem angeschlossen. Das öl wird über eine Leitung 16 einem Stellantrieb 18 zugeleitet. An eine Druckleitung P₈ 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 als Punktionsbestätigung auf den Prozeßrechner rückgeführt wird. Im Prozeßrechner werden die vom Sensor abgegebenen elektrischen Signale mit den elektrischen Schaltimpulsen für die Schaltventile 10 verglichen, wodurch Ausfälle, z.B. ausgebliebenes Schalten der Schaltventile, unmittelbar erkennbar sind, über den proportional wirkenden Stellantrieb 18 wird der Rudersteller 28 gesteuert, der seinerseits das in Pig» I nicht dargestellte Ruder betätigt,

Als elektrohydraulische Schaltventile sind elektromagnetische bistabile Drei/Zwei-Wegeventile vorgesehen. Mit speziellen Kugelventilen sind Ve-ntilschalt zeiten in der Größenordnung von 1 ms erreichbar. Die Ventilschaltzeit sollte so kurz wie möglich sein₉ da das Auflösungsvermögen direkt von ihr abhängt. Die Durchlaßmenge der Ventile läßt sich durch Pulsmodulation den jeweiligen Forderungen anpassen, wobei die Ventile nach dem Verfahren der differentiellen Pulsdauermodulation angesteuert werden.

Um den Einfluß von Änderungen des durchflußbestimmenden Querschnitts im Ventil auf den Volumenstrom auszuschalten, sind die Wegeventile vorzugsweise nur als Schalter ausgelegt. Der Volumenstrom wird dann ausschließlich durch die viskositätsunabhängige Drossel bestimmt. >

Bei der Ausfuhrungsform nach Fig. 2 ist ein Stellzylinder 30 mit einem doppelt wirkenden Stellkolben 32 vorgesehen. Die Beaufschlagungsflächen des Stellkolbens können abhängig von den Einsatzbedingungen gleich oder ungleich sein. Die Kolbenstange

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34 ist durchgehend ausgebildet und durch die beiden. Zylinderdeckel hindurchgeführt. Für die Betätigung des Zu- bzw. Abflusses des Drucköls zum Stellzylinder 30 sind zwei elektromagnetisch betätigte bistabile Drei/Zwei-Wegeventile 36, 38 vorgesehen, die identisch ausgebildet sein können und beide zusammen in einem Gehäuse integriert sein können. Die beiden Wegeventile 36 und 38 sind einstufig ausgebildet und weisen jeweils ein entsperrbares Rückschlagventil 40 und ein Umschaltventil 42 auf. Beide Ventile haben als Ventilverschlußglieder Ventilkugeln 44, 46. Das Rückschlagventil 40 ist mechanisch entsperrbar über einen Ventilstößel 48, der die Kugel 44 gegen den Druck der Feder 50 beaufschlagt. Das Rückschlagventil 40 ist über eine Leitung 52 mit dem Zylinderraum 54 des .Steilzylinders 30 verbunden, wobei das Rückschlagventil in Richtung auf die Leitung 52 öffnet.

Das Umschaltventil 42 ist an eine hydraulische Druckyersorgung P angeschlossen, und zwar über eine Drossel 56. Zwischen der Drossel 56 und dem Ventilsitz 58 ist der Anschluß 60 für den Drucksensor 62 vorgesehen. Das Umschaltventil 42 ist weiter über den zweiten Ventilsitz 64 mit der Rücklaufleitung P_R verbunden. Der Mittelanschluß 66 steht mit dem Zulauf des Rückschlagventils 40' des zweiten Wegeventils 38 in Verbindung. Das kugelförmige Ventilverschlußglied 46 wird über einen Ventilstößel 68 mechanisch betätigt, und zwar gegen den Ventilsitz gepreßt. ■

Als Antrieb ist ein bistabiles, polarisiertes Drehmagnetsystem 70 vorgesehen mit einem Drehmagnetanker 72, der um eine Drehachse 74 schwenkbar ist. Die Schenkelenden des Drehankers72 wirken mit den "außen liegenden Enden der Ventilstößel 48, 68 zusammen, und zwar vorzugsweise über verstellbare Anschläge, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind. Auf dem Drehanker befinden sich Spulen W₁ und W₉, die über die Anschlußdrähte 76,

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78 wechselweise pulsförmig mit Strom beaufschlagt werden. Durch die verstellbaren Anschläge werden zwischen den Schenkelenden des Drehankers 72 und den Polen 80 Luftspalte festgelegt.

Zur Erhöhung der Übersichtlichkeit ist in Fig. 3 ein elektrisches Ersatzschaltbild des Stellantriebes wiedergegeben, anhand dessen im nachstehenden die Arbeitsweise des Stellantriebes erläutert werden soll.

Dargestellt ist der Stellantrieb in Ruhestellung. Die beiden Wegeventile 36 und 38 sind hierbei auf Durchlaß zum ölrücklauf P_R geschaltet. Die beiden Rückschlagventile 40, ¹IO¹ sind geschlossen und halten den Stellkolben 32 des Stellzylinders 30 zwischen den eingeschlossenen ölsäulen in einer arretierten Stellung. Den Wegeventilen 36 bzw. 38 sind jeweils auf der Zulaufseite die den Durchfluß bestimmenden Drosseln 56, 56' vorgeschaltet. Zwischen diesen Strömungswiderständen und dem Druckanschluß der Wegeventile befindet sich der Anschluß für die Sensoren 62 bzw. 62'. Bei Betätigung des Wegeventiles wird dieses auf Durchlaß geschaltet, während gleichzeitig das Rückschlagventil 40 entsperrt wird, wie in Fig. 3 durch die parallel liegenden überbrückungsschalter veranschaulicht, über das Rückschlagventil 40' kann jetzt eine entsprechende ölmenge in den linken Zylinderraum des Stellantriebes 30 einströmen, während gleichzeitig aus dem rechten Zylinderraum eine entsprechende ölmenge über das entsperrte Rückschlagventil in den Rücklauf abströmen kann. Dem öleinschub wirkt hierbei die Vorspannung des Rückschlagventils 40 entgegen. Dieses kann so eingestellt sein, daß dieser Gegendruck etwa 1 % des Systemdrucks beträgt. Dem ölausschub wirkt abgesehen vom Leitungswiderstand kein weiterer hydraulischer Widerstand entgegen. Die Druckdifferenz über den Stellkolben 34 wird somit im wesentlichen durch eine Kraft bestimmt, die sich aus der Stellkolbenreibung und der Beschleunigung der Kolbenmasse in Bewegungsrichtung ergibt,

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_ w W ■*

Der Wert der Druckdifferenz liegt unter 10 % des Systemdrücks. Damit wird eine wesentliche Verringerung des Einflusses der ölkompressibilität erreicht und die Linearität zwischen Eingangssignal und Schrittweite über den ganzen Kolbenhub erhalten. Aufgrund der geringen Druckänderungen und des niedrigen Kammerdruckes treten auch positive Auswirkungen auf die Lebensdauer der dynamischen Dichtungen auf. ^j

Die anhand des Ersatzschaltbildes nach Fig. 3 beschriebene Arbeitsweise wirkt sich bei einem Doppelventil, wie es in Fig. 2 veranschaulicht ist, wie folgt aus.

Das Ventil 36 ist in Ruhestellung, wobei über das Ventil 42. die Leitung 66 frei mit dem Rücklauf P_R verbunden ist. Der Zulauf aus der Druckleitung Pg ist über das Ventil 42 abgesperrt. Das Rückschlagventil 40 sperrt den Ausfluß aus dem linken Zylinderraum 54. . . " " -

Das rechte Wegeventil' 38 ist geschaltet. Damit ist das Rück"-, schlagventil 40' entsperrt und der Zulauf von Drucköl aus der Druckleitung P₃ durch das Ventil 42' freigegeben. Der Anschluß/ zum Rücklauf P_R über das Ventil 42' ist abgesperrt. Aus der Druckleitung P„ kann öl über die Leitung 66'und das Rückschlagventil 40 sowie die Leitung 52 in den linken Zylinderraum 54 einströmen. Gleichzeitig kann öl über die Leitung 52'> das entsperrte Rückschlagventil 40', die Leitung 66 und das Ventil in den Rücklauf P^ ablaufen. Damit bewegt sich der Kolben 32 und mit ihm die Kolbenstange 34. über den hinter der Drossel 56' angeschlossenen Drucksensor PT« wird nach dem öffnen des Ventils 42' ein elektrisches Signal auf den Prozeßrechner rückgeführt, das als Bestätigung dafür verarbeitet wird, daß das Ventil 42· tatsächlich geöffnet hat. Die Durchflußmenge pro Zeiteinheit wird durch die Drossel 56' bestimmt. Das Ventil hat keine durch-

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flußbestimmenden Querschnitte. Es wirkt also lediglich als Schalter.

Nach Einspeisung der durch den Prozeßrechner vorgegebenen ölmenge wird das Wegeventil 38 in seine. Ausgangsstellung zurückgeschaltet. Dabei schließt das Ventil 42'. den Zufluß von Drucköl ab, während das Rückschlagventil ¹JO' wieder seine Sperrstellung einnimmt. Die ölvolumina der beiden Zylinderräume 5¹* und 82 sind damit zwischen den beiden Rückschlagventilen 40 und 40' eingeschlossen. Zur Bewegung des Kolbens 32 in entgegengesetzter Richtung wird das Ventil 36 geschaltet.

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Leerseite

Claims

Anspruch

Elektrohydraulisch^ Stellantrieb, insbesondere für Steuerorgane an Luftfahrzeugen, mit einem Stellzylinder mit einem zweiseitig beaufschlagbaren Stellkolben, dem zur Positionierung über durch eine Schaltimpulsfolge betätigte Drei/Zwei-Wegeventile das benötigte ölvolumen in Form diskreter ölvolumina zuführbar ist_s mit einem Rechner, Über den die den Ventilen zuzuleitenden Schaltimpulse festgelegt werden, mit elektrische Signale abgebenden Sensoren und mit durchflußbestimmenden Drosseln_s wobei als Ventile elektro-magnetisehe Drei/Zwei-Wegeventile vorgesehen sind, deren Öffnungsdauer vom Rechner in Abhängigkeit vom vorgegebenen Verstellweg des Stellkolbens mit variabler Pulsdauer festlegbar sind, und wobei die von den Sensoren abgegebenen elektrischen Signale als reine Funktionsbestätigungen auf den Rechner rückgeführt werden, nach Patentanmeldung P 28 23 96Ο.3-13, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosseln druekseitig vor den Wegeventilen angeordnet sind, daß zwischen den Wegeventilen und dan zugehörigen Zylinderräumen des Stellsylinders jeweils entsperrbare Rückschlagventile mit Durchlaß in Richtung auf die Zylinderräume vorgesehen sind, daß die Rückschlagventile und die Wegeventile so geschaltet sind_s daß in der Ruhestellung beide Zylinderräume über die Rückschlagventile abgeschlossen und beide Wegeventile zum Rücklauf geöffnet sind, und daß zum Positionieren des Stellkolbens jeweils ein Wegeventil auf Durchlaß zum Druckanschluß geschaltet und gleichzeitig das Rückschlagventil vor dem gegenüberliegenden Zylinderraum entsperrt wird.

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