DE3220782C2

DE3220782C2 -

Info

Publication number: DE3220782C2
Application number: DE3220782A
Authority: DE
Inventors: Hans 8012 Riemerling De Heinke; Siegfried 8012 Ottobrunn De Wagner
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1982-06-02
Filing date: 1982-06-02
Publication date: 1988-01-07
Also published as: DE3220782A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung für ein zu bewegendes Teil eines Flugzeuges, insbesondere für eine Steuerfläche, mit einem dem zu bewegenden Teil zugeordneten variablen Motorgenerator und einem damit in Verbindung stehenden Energiespeicher, der mittels eines Reglers wahlweise Energie an den Motorgenerator abgibt oder von diesem speichert.The invention relates to a drive device for a to be moved Part of an aircraft, in particular for a control surface, with a variable motor generator assigned to the moving part and a part related energy storage using a regulator optionally delivers energy to the motor generator or stores it.

Üblicherweise werden heute militärische und zivile Flugzeuge mittels Flugzeughydrauliksystemen versehen, bei denen eine zentrale Hydraulik versorgung für alle mittels Hydraulik zu bewegenden und zu verstellenden Einrichtungen des Flugzeuges vorgesehen ist. Diese zentrale Flugzeughy draulik wird über von den Triebwerken des Flugzeuges abgenommene Lei stung mit der nötigen Energie versorgt. Kennzeichnend für die herkömmli chen Flugzeughydrauliksysteme ist konstanter Druck während der gesamten Betriebszeit, wobei der Durchfluß bestimmt wird durch die verschiedenen Laufgeschwindigkeitsanforderungen der spezifischen Verbraucher. Als typische Verbraucher ist hierbei an die Antriebssysteme von zu verstel lenden Steuerflächen des Flugzeuges wie Quer-, Seiten- und Höhenruder steuerflächen gedacht, daneben aber selbstverständlich auch an alle anderen mittels der Hydraulik zu bewegenden Teile.Military and civil aircraft are usually used today Aircraft hydraulic systems provide a central hydraulic system supply for everyone to be moved and adjusted by means of hydraulics Facilities of the aircraft is provided. This central aircraft hy draulic is via lei removed from the aircraft's engines with the necessary energy. Characteristic of the conventional Chen aircraft hydraulic systems is constant pressure throughout Operating time, the flow being determined by the different Running speed requirements of specific consumers. As typical consumers are to be adjusted to the drive systems of Control surfaces of the aircraft such as ailerons, rudder and elevator control areas, but of course also for everyone other parts to be moved by the hydraulics.

Bei vorgegebenen Systemdruck ist die maximale Summe der verschiedenen Durchflußkombinationen entscheidend für die zu installierende hydrauli sche Leistung. Diese Leistung wird, wie bereits erwähnt, von den Trieb werken des Flugzeuges bereitgestellt.For a given system pressure, the maximum sum of the various Flow combinations decisive for the hydrauli to be installed performance. This performance is, as already mentioned, the drive works of the aircraft provided.

Nicht nur bei modernen Kampfflugzeugen der nächsten Generation, sondern auch bei den Zivilflugzeugen der nächsten Generation wird jedoch von den Steuerflächen eine bedeutend höhere Laufgeschwindigkeit und Betätigung bei höheren Lasten verlangt werden. Außerdem werden bei zukünftigen Flugzeugkonfigurationen die Auftriebssteuerflächen gleichrangig zu den Quer-, Seiten- und Höhenrudersteuerflächen benötigt, so daß das jetzt gebräuchliche Abschalten dieser Steuerflächen vom Energiefluß mittels Prioritätsschaltungen nicht mehr in Betracht kommt. Wollte man daher die Anforderungen an moderne Flugzeuge der nächsten Generation mit den herkömmlichen Hydrauliksystemen erfüllen, so müßte dies zwangsweise zu der Forderung nach Bereitstellung von mehr Energie führen, oder zumin dest zur Energieeinsparung mittels einer Energierückgewinnung an der Antriebseinrichtung.Not only with modern, next-generation fighter jets, but also the next generation of civil aircraft will also be used by the Control surfaces a significantly higher running speed and actuation be demanded at higher loads. In addition, at future Airplane configurations rank the buoyancy control surfaces Aileron, rudder and elevator control surfaces needed, so that's now usual switching off of these control surfaces from the energy flow by means of Priority circuits no longer come into consideration. So you wanted it the requirements for modern aircraft of the next generation with the conventional hydraulic systems, this would have to the demand for more energy, or at least least to save energy by means of energy recovery at the Drive device.

Aus der DE-OS 25 03 804 geht beispielsweise eine Antriebseinrichtung hervor, bei der am Fahrzeug die durch Bremsen entstehende Energie in einem hydraulischen Speicher gespeichert wird. Dies erfolgt mittels eines mit dem Fahrzeugrad direkt gekoppelten und sowohl als Antriebsmo tor als auch als Pumpe arbeitenden Motorgenerators. Im Falle einer Bremsung baut der Motorgenerator in der Pumpenfunktion einen in einem Hochdruckspeicher speicherbaren hydraulischen Druck auf, der wiederum für Antriebszwecke nutzbar ist.DE-OS 25 03 804, for example, describes a drive device in which the energy generated by braking in a hydraulic accumulator is stored. This is done using one directly coupled to the vehicle wheel and both as a drive motor Tor as well as a motor generator working as a pump. In case of a The motor generator builds braking in the pump function one in one High-pressure accumulators can store hydraulic pressure, which in turn is usable for drive purposes.

Diese Antriebsvorrichtung ist jedoch für den Antrieb von an Flugzeugen zu bewegende Teile nicht geeignet. Einerseits ist hiermit eine einfache und trotzdem genaue Regelung der Betätigungsdrehzahl entsprechend einer Soll-Drehzahl nicht möglich und andererseits kann bei dieser Vorrichtung die Energieabspeicherung und die Energierückgewinnung nur auf hydrauli schem Wege erfolgen.However, this drive device is for driving aircraft parts to be moved are not suitable. On the one hand, this is a simple one and still precise control of the actuation speed according to one Target speed is not possible and on the other hand can with this device energy storage and energy recovery only on hydrauli are done.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine einfache Antriebseinrichtung für zu bewegende Teile an modernen und zukünftigen Flugzeugen zu schaffen, mittels der unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile die Speicherung und Rückgewinnung unterschiedlicher Energie formen, wie z.B. neben der hydraulischen auch die der elektrischen Energie ermöglicht wird.The invention is based on the object, a simple Drive device for moving parts on modern and future To create aircraft by means of avoiding the aforementioned Disadvantages of storing and recovering different energy shapes such as in addition to the hydraulic also the electrical Energy is made possible.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst. This object is achieved by the characterizing part of claim 1 listed features solved.

In den Unteransprüchen werden zusätzlich weiterbildende Maßnahmen aufgeführt.In the subclaims are additional measures listed.

Die auf den ersten Blick verblüffend einfach anmutende Erfindung bedeu tet im wesentlichen eine radikale Abkehr von der bisherigen Energiever schwendung, da nicht mehr das Konstant-Druck-Prinzip heutiger Flugzeuge angewendet wird, sondern eine Einrichtung beschrieben wird, die es ermöglicht durch entsprechende Regelung die abgegebene Leistung genau der geforderten anzupassen. Hieraus folgt, daß Verlustenergie, welche durch Drosselstellen abgebaut werden müßte, weitestgehend vermieden wird und damit auch die Leistungsforderung an die Triebwerke verringert oder allenfalls unterproportional zu steigern ist. Leistungsspitzen werden durch Energiespeicherung abgedeckt. Als äußerst effizienter Speicher ist hierbei vor allen Dingen an ein Schwungrad gedacht, welches für diesen Zweck sattsam bekannt ist. Nach den Erfahrungen mit Flugzeughydrauliksy stemen aber auch nach dem zu erwartenden Anforderungen an vollelektri sche Flugzeuge darf davon ausgegangen werden, daß bei etwa 80% aller Betätigungen von Flugzeugbetätigungssystemen nur etwa 20% der instal lierten Leistung erforderlich sind. Wenn außerdem noch die Ruhezeiten in Betracht gezogen werden, mithin jene Zeiten, in denen eine Betätigung nicht vorgenommen wird, so kann davon ausgegangen werden, daß bei geringer Leistungsforderung der Energiespeicher ständig nur so weit gefüllt werden muß, daß mehrere Betätigungen vom Speicher aus betrieben werden können.At first glance, the seemingly simple invention means meaning essentially a radical departure from the previous energy supply wasteful, since it is no longer the constant pressure principle of today's aircraft is applied, but a facility is described that it enables the output power precisely by means of appropriate regulation to adapt to the required. From this it follows that loss energy, which should be reduced by throttling points, is largely avoided and thus also reduces the power requirements on the engines or is to be increased disproportionately at most. Performance peaks covered by energy storage. It is considered extremely efficient storage above all thought of a flywheel, which for this Purpose is well known. After the experience with aircraft hydraulics but also according to the expected requirements for fully electric Aircraft can be assumed that about 80% of all Actuations of aircraft actuation systems only about 20% of the instal performance. If also the rest times in Be considered, therefore, those times when an activity is not made, it can be assumed that at low power requirement of the energy storage only ever so far must be filled that several operations are operated from the memory can be.

Im wesentlichen liegen also die Vorteile darin, daß eine erhebliche Gewichtsersparnis eintritt, weil entweder die hydraulischen Energiever sorgungssysteme nur für kleine konstante Leistung ausgelegt werden müssen oder aber diese vollkommen durch die elektrische Energieversor gung ersetzt werden können. Daraus resultiert eine wesentliche geringere oder unterproportionale Zunahme der Energieabnahme am Triebwerk und schließlich die Möglichkeit der Energierückgewinnung in den Fällen, in denen eine Zusatzlast wie sie beim Einfahren von Steuerflächen entsteht für den Antrieb des Energiespeichers ausgenutzt wird. So the main advantages are that it is considerable Weight saving occurs because either the hydraulic energy ver supply systems can only be designed for small, constant output need or this completely through the electrical energy supplier can be replaced. This results in a much lower one or disproportionately low increase in energy consumption at the engine and finally the possibility of energy recovery in the cases in which are subject to an additional load such as that which occurs when entering control surfaces is used for driving the energy storage.

Diese Erfindung ist anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigenThis invention is explained in more detail with reference to the figures. These show

Fig. 1 das Blockschaltbild für eine Energiespeicherung mit bedarfsgere gelten Antrieb einer Flugzeugsteuerfläche, Fig. 1 is a block diagram for an energy storage with bedarfsgere apply driving an aircraft control surface,

Fig. 2 ein Blockschaltbild für die Energiezufuhr mittels Elektromotor, Fig. 2 is a block diagram of the power supply by an electric motor,

Fig. 3 ein Blockschaltbild für die Schaltung bei Notfällen, Fig. 3 is a block diagram for the circuit in an emergency,

Fig. 4 einen Verstellplan für eine hydraulische Motorpumpe zur Erzeu gung einer Drehrichtungsänderung an der Stellfläche eines Flugzeuges. Fig. 4 is an adjustment plan for a hydraulic motor pump for generating a change in direction of rotation on the footprint of an aircraft.

In der folgenden Erläuterung wird für das bessere Verständnis ausgehend vom Stand der Technik, wonach zentrale Hydrauliksysteme heute noch die Flugzeugtechnik beherrschen, ein Ausführungsbeispiel bei hydraulischen Systemen näher dargestellt. Es bedarf keiner näheren Erläuterung, daß die elektrischen Äquivalente für die hydraulischen Bauteile dem Durch schnittsfachmann ohne weiteres bekannt sind, er mithin selbstverständ lich in der Lage ist, beispielsweise statt der noch näher zu erläutern den hydraulischen Motorpumpen elektrische Motorgeneratoren zu verwenden und diese in Äquivalenz zu den Anweisungen für die Steuerung der hydrau lischen Systeme auszuregeln.The following explanation is based on a better understanding from the state of the art, according to which central hydraulic systems still operate today Master aircraft technology, an embodiment in hydraulic Systems shown in more detail. No further explanation is required that the electrical equivalents for the hydraulic components the through are well known to the cutting specialist, so he goes without saying is able, for example, to explain in more detail instead of to use electric motor generators for the hydraulic motor pumps and this in equivalence to the instructions for the control of the hydrau leveling systems.

Fig. 1 gibt einen Gesamtüberblick für die Energiespeicherung mit be darfsgeregeltem Antrieb einer Steuerfläche 4 eines nicht näher darge stellten Flugzeuges. Eine solche Antriebseinrichtung 10 besteht im we sentlichen aus einer variablen hydraulischen Motorpumpe 1 und einer wei teren variablen hydraulischen Motorpumpe 2, welche mit einem Energie speicher, hier einem Schwungrad 3 verbunden ist. Eine Regeleinrichtung 5 erfaßt die Drehzahl n ₁ der Steuerfläche 4 sowie die Drehzahl n ₂ des Schwungrades 3. Außerdem ist die Regeleinrichtung 5 mit den variablen Motorpumpen 1, 2 verbunden. Ein in einer Schaltvorrichtung angeordnetes Steuerventil 6 - ebenfalls über die Regeleinrichtung 5 verstellbar - dient in noch näher zu erläuternder Weise dem Betrieb der Antriebsein richtung 10. Fig. 1 gives an overview of the energy storage with demand-controlled drive of a control surface 4 of an aircraft not shown Darge. Such a drive device 10 consists essentially of a variable hydraulic motor pump 1 and a white variable hydraulic motor pump 2 , which is connected to an energy store, here a flywheel 3 . A control device 5 detects the speed n _{1 of} the control surface 4 and the speed n _{2 of} the flywheel 3 . In addition, the control device 5 is connected to the variable motor pumps 1 , 2 . A control valve 6 arranged in a switching device - likewise adjustable via the control device 5 - serves in an manner to be explained in more detail for the operation of the drive device 10 .

Bei der Regelung gilt die Drehzahl n ₁ für die zu verstellende Steuer fläche 4 als Vorgabe - dies entspricht der Laufgeschwindigkeit der Steu erfläche 4 - das führt dazu, daß die variable Motorpumpe 1 so verstellt wird, daß entsprechend dem hydraulischen Fluß zwischen den beiden varia blen Motorpumpen 1, 2 die geforderte Drehzahl n ₁ erreicht wird. Reicht der hydraulische Durchfluß nicht aus, so wird durch Verstellung der va riablen Motorpumpe 2 die Forderung nach Drehzahl n ₁ erfüllt.In the control, the speed n ₁ applies to the control surface 4 to be adjusted as a default - this corresponds to the running speed of the control surface 4 - this means that the variable motor pump 1 is adjusted so that according to the hydraulic flow between the two varia ble Motor pumps 1 , 2 the required speed n _{1 is} reached. If the hydraulic flow is not sufficient, adjusting the variable motor pump 2 fulfills the requirement for speed n ₁ .

Unter Verwendung des Schwungrades 3 muß entsprechend der Energieabnahme die Drehzahl n ₂ ständig nachgeregelt werden, um die Forderung nach der Drehzahl n ₁ zu genügen. Durch die ständige Überwachung der beiden Drehzahlen n ₁, n ₂ und der damit verbundenen ständigen Nachregelung der beiden variablen hydraulischen Motorpumpen 1, 2 wird sichergestellt, daß dem Schwungrad 3 nur soviel Energie abverlangt wird, wie zur Bewe gung der Steuerflächen 4 mit der geforderten Drehzahl n ₁ notwendig ist.Using the flywheel 3 , the speed n _{2 must be} continuously adjusted in accordance with the decrease in energy in order to meet the requirement for the speed n ₁ . The constant monitoring of the two speeds n ₁ , n ₂ and the associated constant readjustment of the two variable hydraulic motor pumps 1 , 2 ensures that the flywheel 3 is only required as much energy as for moving the control surfaces 4 at the required speed n _{1 is} necessary.

Es wird selbstverständlich, daß bei Übereinstimmung der Drehrichtung n ₁ mit der aerodynamischen Lastrichtung - also unterstützende Last richtung - durch weitere Kontrolle der Drehzahl n ₁ die variable Motorpumpe 1 zum treibenden Teil wird und über die variable Motorpumpe 2 das Schwungrad 3 wieder auflädt. Bei diesem Lastrichtungswechsel ist keine Jochumkehr der beiden variablen Motorpumpen 1, 2 notwendig. Daraus wird ersichtlich, daß bei diesem Betrieb eine Energierückgewinnung erreichbar ist.It goes without saying that if the direction of rotation n ₁ corresponds to the aerodynamic load direction - that is to say the load direction - by further checking the speed n _1, the variable motor pump 1 becomes the driving part and recharges the flywheel 3 via the variable motor pump 2 . With this change of load direction, no yoke reversal of the two variable motor pumps 1 , 2 is necessary. It can be seen from this that energy recovery can be achieved in this operation.

Mittels des gezeigten Steuerventiles 6 in der Schaltvorrichtung lassen sich weitere Möglichkeiten realisieren. Zum besseren Verständnis sei in diesem Zusammenhang auch auf die Fig. 4 hingewiesen, in welcher schema tisch der jeweilige Betrieb als Motor oder Pumpe entsprechend der Verstellung der variablen Motorpumpe 1 oder 2 dargestellt ist. Ausgehend von einer Pumpe mit Jochansteuerung - es kann selbstverständlich genauso gut jede andere Möglichkeit der Ansteuerung einer variablen hydrauli schen Motorpumpe gewählt werden - ist in Fig. 4 mit ±α auf der Ordina te die Stellung des Jochs dargestellt. Auf der Abszisse ist mit ±Q die Fördermenge hydraulischer Flüssigkeit aufgetragen. Im ersten und vierten Quadranten ergibt sich der Betrieb als Pumpe, hingegen im zweiten und dritten Quadranten als Motor. Zur Erzeugung der entsprechenden hydrauli schen Strömungsrichtungen dient wie bereits angedeutet, das Steuerventil 6 mit den gezeigten verschiedenen Stellmöglichkeiten. Befindet sich das Steuerventil 6 in der Stellung C, so wird während der Ruhepausen der variablen Motorpumpe 1, mithin bei Drehzahl n ₁=0 das Schwungrad 3 wieder aufgeladen. Für diesen Ladevorgang wird der maximale Systemdruck ausgenutzt, jedoch kann der hydraulische Durchfluß, d.h. die Systemlei stung niedrig gehalten werden. Ist das Schwungrad 3 geladen, so wird das Steuerventil 6 auf die Stellung B - in der es sich in der Darstellung Fig. 1 befindet - geschaltet. Hierdurch wird sichergestellt, daß in dem System auftretende Leckverluste über die Rücklaufdruckleitung ausgegli chen werden können. Befindet sich das Steuerventil 6 in der Stellung A, so wird erreicht, daß in dieser Stellung vom Hydrauliksystem aus die variable Motorpumpe 1 angetrieben werden kann. Dies ist etwa in den Fällen nötig, in denen das Schwungrad 3 keine Energie mehr gespeichert hat oder aus anderen Gründen ausgefallen ist.Further possibilities can be realized by means of the control valve 6 shown in the switching device. For a better understanding in this context, reference is also made to FIG. 4, in which the respective operation as a motor or pump corresponding to the adjustment of the variable motor pump 1 or 2 is shown schematically. Starting from a pump with yoke control - it can of course be selected just as well any other way of controlling a variable hydraulic motor pump - the position of the yoke is shown in Fig. 4 with ± α on the ordina te. The delivery rate of hydraulic fluid is plotted on the abscissa with ± Q. In the first and fourth quadrants, the operation is as a pump, but in the second and third quadrants as a motor. As already indicated, the control valve 6 with the various setting options shown serves to generate the corresponding hydraulic flow directions. If the control valve 6 is in the position C , the flywheel 3 is recharged during the rest periods of the variable motor pump 1 , that is to say at speed n ₁ = 0. The maximum system pressure is used for this charging process, however, the hydraulic flow, ie the system performance, can be kept low. If the flywheel 3 is loaded, the control valve 6 is switched to the position B - in which it is located in the illustration in FIG. 1. This ensures that leakage losses in the system can be compensated for via the return pressure line. If the control valve 6 is in position A , it is achieved that in this position the variable motor pump 1 can be driven by the hydraulic system. This is necessary, for example, in cases in which the flywheel 3 has no longer stored any energy or has failed for other reasons.

Ergänzend sei angemerkt, daß die Hydraulikversorgung über die Leitungen P, R erfolgt.In addition, it should be noted that the hydraulic supply takes place via the lines P , R.

In Fig. 2 ist in vereinfachter Form dargestellt, wie ein Elektromotor 8 für die Energiezufuhr zu dem Schwungrad 3 eingesetzt werden kann. Aus Gründen der Überschaubarkeit sind in dieser Figur, wie auch in der Fig. 3 für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen gewählt.In Fig. 2 is shown in simplified form, such as an electric motor 8 can be used for the power supply to the flywheel 3. For reasons of clarity, the same reference numerals have been chosen for the same components in this figure as in FIG. 3.

Durch den Einsatz des Elektromotores 8 ist es möglich, auch mit kleiner Energiezufuhr eine große Energieabgabe sicherzustellen.By using the electric motor 8 , it is possible to ensure a large energy output even with a small energy supply.

In Fig. 3 ist eine schematische Darstellung enthalten zur Abdeckung von Notfällen. Dies können sein, Ausfall des Schwungrades 3 oder Ausfall der variablen Motorpumpe 1 und/oder der variablen Motorpumpe 2. Für den Ausfall des Schwungrades 3 ist vorgesehen, dieses über eine Kupplung K ₂ zu entkuppeln und einen Elektromotor 9 die variable Motorpumpe 2 treiben zu lassen. Für den Ausfall der variablen Motorpumpe 1 und/oder der variablen Motorpumpe 2 wird ebenfalls über die Kupplung K ₂ entkup pelt und über eine weitere Kupplung K ₁ eingekuppelt. Der Elektromotor 9 treibt in diesem Fall über die Kupplung K ₁ und über ein Getriebe 11 direkt die Steuerfläche 4.In Fig. 3 a schematic diagram is included to cover emergencies. This can be failure of the flywheel 3 or failure of the variable motor pump 1 and / or the variable motor pump 2 . In the event of failure of the flywheel 3 , provision is made to decouple it via a clutch K ₂ and to have an electric motor 9 drive the variable motor pump 2 . For the failure of the variable motor pump 1 and / or the variable motor pump 2 is also decoupled via the clutch K ₂ and engaged via a further clutch K ₁ . In this case, the electric motor 9 drives the control surface 4 directly via the clutch K ₁ and via a gear 11 .

Claims

1. Drive device for a part of an aircraft to be moved, in particular for a control surface, with a variable motor generator assigned to the part to be moved and a related energy store which selectively emits or stores energy to the motor generator by means of a controller, characterized in that that the energy storage as a flywheel is formed (3) with zugeord NetEm variable motor generator (2), that the Motorgenera motors (1, 2) of the part to be moved and the flywheel (3) in a closed circuit are connected together and that the place for engine Generators ( 1 , 2 ) are selectively connectable to an energy source by means of a switching device which can be switched by the control device ( 5 ).

2. Device according to claim 1, characterized in that by means of the control device ( 5 ) and the switching device, the power flow between and to the variable motor generators ( 1 , 2 ) according to a feasible comparison of the required speed ( n ₁ ) for the control surface ( 4 ) with the speed ( n ₂ ) of the flywheel ( 3 ), is adjustable.

3. Device according to claims 1 and 2, characterized in that the switching device is designed as a hydraulic or electrical device which has a control valve ( 6 ) which can be controlled by the control device ( 5 ) or a switching element.

4. Device according to one or more of the preceding Ansprü surface, characterized in that in the closed circuit check valves ( 7 ) to avoid a backflow of force to the engine generator ( 1 ) when charging the flywheel ( 3 ) by the energy source or to the motor generator ( 2nd ) are provided when actuating the control surface ( 4 ).

5. Device according to one or more of the preceding Ansprü surface, characterized in that in the control valve ( 6 ) in the closed circuit from the energy source switching stage opening to the closed circuit check valve is arranged in the return line.