DE3410666C2 - Stellantrieb - Google Patents

Abstract

Um bei einem druckgasbetätigten Stellantrieb mit einem über elektromagnetische Schaltventile 26 impulsgesteuertem Antriebsteil und einem mit diesem gekoppelten Stellglied 34 eine deutliche Schaltzeitverbesserung zu erzielen und das Stellglied exakt und mit voller Steuerbereitschaft in zumindest einer anschlagfixierten Mittelposition zwischen seinen beiden Endpositionen halten zu können, enthält der Antriebsteil zwei unabhängig voneinander jeweils durch einen Schaltimpuls zwischen ihren Endstellungen umsteuerbare Antriebselemente 2, 4, die miteinander durch zumindest ein als Differentialgetriebe auf das Stellglied einwirkendes Verbindungselement 28 kinematisch derart gekoppelt sind, daß das Stellglied in zumindest einer Endstellung des einen und einer zugeordneten Endstellung des anderen Antriebselements zwangsweise auf die Mittelposition eingesteuert ist.

Description

-frequenzmodulation während des einzelnen Umschaltvorgangs problemlos anzusteuern sind.

In baulich besonders einfacher Ausgestaltung der gegenseitigen Differentialverkoppelung der Antriebselemente und zur Erzeugung einer stellgliedseitigen Drehbewegung besteht das Getriebeelernent gemäß Anspruch 2 vorzugsweise aus einem endseitig mit den Antriebselementen kippbeweglich verbundenen Schwenkhebel, dessen Drehlage und damit auch die des Stellgliedes sich beim Umschalten des einen oder anderen Antriebselernentes ändert

Gemäß Anspruch 3 wird der Stellantrieb vorzugsweise durch elektrische Schaltimpulse gesteuert, also Elektromagnete, die die Antriebselemente entweder unmittelbar oder — unter Zwischenschaltung hydraulischer oder pneumatischer Schaltventile — mittelbar betätigen, wobei eine baulich besonders einfache Betätigung der Antriebselemente gemäß Anspruch 4 durch einseitige Vorspannung der Antriebselemente jeweils in Richtung einer ihrer Endstellungen erreicht wird. In diesem Fall sind die Antriebselemente für eine hydraulische, nach Anspruch 5 aber zumindest bei Flugkörpern bevorzugte Druckgas-Betätigung mit zugeordneter Schaltventilanordnung aus Gründen eines verringerten Schaltaufwands zweckmäßigerweise jeweils als Differentialkolben mit konstant druckbeaufschlagter Kolbenringfläche ausgebildet (Anspruch 6), wobei die Anordnung von Zwei-Stellungs-Dreiwegeventilen gemäß Anspruch 7 den Vorteil bietet, daß der Stellantrieb ohne Energie-, also Druckmittelverbrauch in jeder Ends;ellung der Antriebskolben und somit in jeder der insgesamt vier anschlagfixierten Schaltpositionen gehalten werden kann, während die Anordnung von Zweistellungs-Zweiwegeventilen und den größeren Kolbenflächen vorgeschalteten Drosselstellen zwar einen — allerdings durch die Drosselstellen begrenzten — Druckmittelverbrauch in der einen, bei geöffnetem Zweistellungsventil eingrsteuerten Kolben-Endstellung mit sich bringt, dafür aber eine wesentliche schaltungstechnische Verbesserung ergibt.

Bei Zuordnung des Stellantriebes zu einem Steuerruder eines Flugkörpers wird durch die in den Ansprüchen 9 und 10 beanspruchte, schwenkbewegliche Verbindung zwischen Stellglied und Steuerruder erreicht, daß das Steuerruder aus einer geschützten Lage innerhalb des Flugkörperkalibers auf baulich sehr einfache Weise zu Beginn der Flugphase in seine ausgeklappte Betriebsstellung ausschwenkbar ist und dann durch das Stellglied in die zur Flugbahnstabilisierung und -korrektur jeweils erforderliche Einstellwinkellage gebracht wird.

Die Erfindung wird nunmehr anhand zweier Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fi g. 1 einen stark schematisierten Längsschnitt eines einem Flugkörper-Steuerruder zugeordneten Stellantriebs;

Fig. 2 eine Teüansicht der Stellantrieb-Anordnung gemäß F i g. 1 innerhalb des Flugkörpers mit einem Steuerruder in der eingeklappten Ruhe — und einem in der ausgeklappten Betriebsstellung und

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel des Stellantriebs in einer der Fig. 1 entsprechenden Schnittdarstellung.

Der in den F i g. 1 und 2 gezeigte Stellantrieb enthält zwei unabhängig voneinander umsteuerbare Antriebselemente in Form von ventilgesteuerten, druckgasbetätigten, zueinander achsparallel linear beweglich angeordneten Differentialkolben 2. 4. von denen ieder über ein vorderes und ein hinteres Gleitlager 6, 8 zwischen seinen durch gehäusefeste Anschläge tO bzw. 12 begrenzten Endstellungen verschieblich geführt ist. Die an die Kolbenringfläche 14 angrenzende Arbeitskammer 16 jedes Kolbens 2 bzw. 4 ist von einem Druckgasspeicher 18 her (dessen Anschluß an die Arbeitskammer 16 in Fig. 1 nur für den oberen Differentialkolben 2 gezeigt ist) kontinuierlich mit Arbeitsdruck beaufschlagt und steht über eine z. B. im Kolben selbst ausgebildete to Drosselstelle 20 in ständiger Verbindung mit der entgegengesetzt wirkenden, durch die größere Kolbenfläche 22 begrenzten Arbeitskammer 24, welche ihrerseits durch ein magnetisch gesteuertes Zweistellungs-Zweiwegeventil 26 selektiv zur Atmosphäre entlüftbar ist, so daß der Differentialkolben 2 bzw. 4 bei geöffnetem Ventil 26 und daraus resultierender Druckentlastung der Arbeitskammer 24 die für den Kolben 2 gezeigte, hintere Endstellung einnimmt, während er bei geschlossenem Ventil 26 unter der Wirkung des sich in der größeren Arbeitskammer 24 über die Drosselstelle 20 aufbauenden Arbeitsdrucks in die vordere, in Fi g. 1 für den Kolben 4 gezeigte Endstellung umschaltet.

Kinematisch miteinander verkoppelt sind die beiden Kolben 2,4 jeweils über ein nach Art eines Differentialgetriebes wirkendes Getriebeelement in Form eines zahnsegmentartigen Schwenkhebels 28, der mit entsprechenden, zahnstangenförmigen Kolbenabschnitten 30 bzw. 32 in Eingriff steht und im Bereich seiner Schwenk- oder Drehachse das Stellglied 34 des Stellantriebs bildet, welches aus den unten erläuterten Gründen aus einem senkrecht zur Drehachse des Schwenkhebels 28 verlaufenden Schwenkzapfen besteht.

Durch Umsteuerung eines oder beider Kolben 2, 4 zwischen den Endstellungen ändert sich die Drehlage des Schwenkhebels 28 und damit des Stellglieds 34, wobei bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel evtl. noch zusätzlich eine zu Steuerzwecken nicht ausgenutzte Linearverschiebung des Schwenkhebels 28 auftritt. In der gezeigten Kolbenstellung ist das Stellglied 34 in der Schaltposition mit maximalem negativen Winkelausschlag α fixiert. Durch Umschalten des Kolbens 2 in die vordere und des Kolbens 4 in die hintere Endstellung entsteht eine weitere, anschlagfixierte Schaltposition des Stellgliedes 34, nämlich eine solche mit maximalem positiven Winkelausschlag λ. Zwischen diesen beiden Schaltpositionen liegen zwei weitere, ebenfalls durch Kolben-Endstellungen fixierte Schaltpositionen, von denen die eine durch die vordere Endstellung und die andere durch die hintere Endstellung beider Kolben 2, 4 definiert ist. In diesen beiden mittleren, anschlagbegrenzten Schaltpositionen des Stellglieds 34 ist der Winkelausschlag λ — wegen der bei diesem Ausführungsbeispiel gleichgroßen Hublänge und symmetrischen Verkuppelung der Kolben 2 und 4 — beides Mal Null. Der Stellantrieb verfügt somit über insgesamt vier, jeweils durch unterschiedliche Endstellungen der Kolben 2, 4 fixierte Schaltpositionen des Stellglieds 34, wobei in diesem Fall in den beiden Zwischenpositionen ein und dieselbe Winkellage des Stellglieds 34 (,-ι gleich Null) bo eingesteuert wird.

Durch Umschalten eines oder beider Kolben 2, 4 kann das Stellglied 34 aus jeder anschlagbegrenzten Schnhposition unmittelbar in jede beliebige andere, anschlagfixierte Schaltposition umgesteuert werden. So b5 wird in der in F i g. 1 gezeigten Schalllage des Stellantriebs durch gleichzeitiges Umschalten beider Kolben 2, 4 in die jeweils entgegengesetzte Endstellung die Mittel-Dosition des Stellslieds 34 ruckfrei überfahren und das

Stellglied 34 in die entgegengesetzte, anschlagfixierte Schaltposition (mit maximalem positiven Winkelausschlag) gebracht. Dabei wird infolge der gleichzeitigen Umschaltung beider Kolben 2, 4 der gesamte Verstellbereich des Stellglieds 34 sehr rasch durchlaufen und eine erhebliche Schaltzeitverbesserung erzielt, dergestalt, daß die Umschaltzeit des Stellantriebs unabhängig von der Größe des (Winkel-)Abstands zwischen der jeweils eingestellten und der anzusteuernden, anschlagfixierten Schaltposition des Stellglieds 34 ist.

Ein weiterer, für die Schaltzeitverkürzung wesentlicher Aspekt besteht darin, daß sich die Totzeiten der Ventile 26 innerhalb jedes einzelnen Steuerzyklus eliminieren und dadurch sehr kurzzeitige Winkelausschläge des Stellglieds 34 realisieren lassen. Es sei angenommen, daß sich beide Kolben 2, 4 in der vorderen Endstellung befinden, das Stellglied 34 also die Null-Schaltposition einnimmt. Ein elektrischer Schaltimpuls öffnet das Ventil 26 des Kolbens 2 und dieser schaltet in die gezeigte Endstellung und würde in dieser für eine zum Schließen des Ventils 26 und zur Bewegungsumkehr des Kolbens erforderlichen Totzeitdauer verbleiben, wenn die Nullschaltposition des Stellglieds 34 erneut durch Ansteuerung der vorderen Endstellung des Kolbens 2 angesteuert werden müßte. Wird jedoch ein das Ventil 26 des Kolbens 4 öffnender Schaltimpuls unter Berücksichtigung der Totzeitdauer für den unteren Kolben 4 zeitlich so gesetzt, daß der Kolben 4 in dem Moment seinen Rückhub beginnt, wo der Kolben 2 seine hintere (gezeigte) Endstellung erreicht, so wird die Dauer des maximalen Winkelausschlags des Stellglieds 34 praktisch auf Null reduziert und dadurch die zwischen der Impulseingabe und dem Hubbeginn des Kolbens unvermeidbar verstreichende Totzeit wirkungsmäßig eliminiert. Durch zeitversetzte Impulseingabe auf die Schaltventile 26 lassen sich ggf. auch, ausgehend von der Null-Schaltposition des Stellglieds 34, kurzzeitig Zwischenstellungen zwischen den fixierten Schaltpositionen, also Kipplagen unterhalb des maximalen Winkelausschlags, einsteuern.

Zugeordnet ist der beschriebene Stellantrieb einem Flugkörper 36, wo er jeweils zur Einstellwinkelsteuerung eines der in Flugkörper-Umfangsrichtung verteilt angeordneten Steuerruder 38 dient. Das in F i g. 1 in gestrichelten Linien gezeigte Steuerruder 38 ist mit dem das Stellglied 34 bildenden Schwenkzapfen über einen hülsenförmigen Anschlußbeschlag 40 verbunden und befindet sich zunächst — in der Null-Winkelposition des Stellglieds 34 — in der innerhalb des Flugkörperkalibers eingeklappten Ruhestellung in einem vom Stellglied 34 zum vorderen Flugkörperende hin verlaufenden Aufnahmeschlitz 42, wie dies anhand des oberen Steuerruders 38 in F i g. 2 gezeigt ist. Zu Beginn der Flugphase wird das Steuerruder 38 aus dem Aufnahmeschlitz 42 um den Schwenkzapfen 34 in die ausgeklappte Betriebsstellung verschwenkt, woraufhin das Stellglied des Stellantriebs unter der Steuerung eines (nicht gezeigten), den Ventilen 26 zugeordneten Schaltimpulsgebers die zur Flugbahnkorrektur und -stabilisierung erforderlichen Einstellwinkeländerungen des Steuerruders 38 vornimmt.

Der Stellantrieb gemäß F i g. 3, bei dem die dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechenden Bauteile durch das gleiche, jedoch um 100 erhöhte Bezugszeichen gekennzeichnet sind, unterscheidet sich von diesem zum einen dadurch, daß eine Drosselverbindung zwischen den beiden Arbeitskammern 116 und 124 fehlt und die der größeren Arbeitskammer 124 jeweils zugeordneten, elektromagnetisch betätigten Schaltventile 126 als Zweistellungs-Dreiwegeventile ausgebildet sind, die die Arbeitskammer 124 — je nach dem dem Ventil 126 zugeführten Schaltimpuls — entweder mit dem Druckgasspeicher 118 verbinden oder ins Freie entlüften, wodurch erreicht wird, daß der zugeordnete Kolben 102 bzw. 104 in jeder der beiden Endstellungen ohne Druckgasverbrauch gehalten werden kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ferner durch entsprechend längere Ausbildung der hinteren Gleitlager 108 auf eine vordere Kolbenführung verzichtet. Der Hauptunterschied liegt in einer anderen Ausbildung des die beiden Kolben 102,104 miteinander verkoppelnden Differentialgetriebes in Form eines Planetengetriebes 128 mit einer gehäusefesten, also — anders als bei dem Getriebeelement 28 — in Kolbenhubrichtung unverschieblichen, zentralen Drehachse 144, einem mit dem Zahnstangenabschnitt 132 des Kolbens 104 kämmenden Sonnenrad 146, einem innen- und außenverzahnten Hohlradsegment 148, das mit dem Zahnstangenabschnitt 130 des Kolbens 102 in Eingriff steht, sowie einem zwischen Hohlradsegment 148 und Sonnenrad 146 wirksamen Planetenrad 150, dessen Planetenradträger 152 das um die Drehachse 144 zwecks Einstellwinkeländerung des (gestrichelt gezeichneten) Steuerruders schwenkbar gelagerte Stellglied 134 des Stellantriebs bildet. Durch entsprechende Wahl der Kolbenhublängen und kinematische Auslegung des Planetenradgetriebes 128 läßt sich auch bei dem Stellantrieb gemäß F i g. 3 das Stellglied 134 auf vier symmetrische, jeweils durch Kolben-Endstellungen fixierte Schaltpositionen einsteuern, nämlich auf eine maximale positive Winkelposition (wie gezeigt), eine Schaltposition mit gleich großem aber negativem Winkelausschlag (in der hinteren Endstellung des oberen und der vorderen Endstellung des unteren Kolbens), sowie zweifach auf die Null-Winkel-Position (wenn beide Kolben die vordere oder die hintere Endstellung einnehmen). Im übrigen ist die Bau- und Funktionsweise die gleiche wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Stellantrieb, insbesondere für das Steuerruder eines Flugkörpers, mit einem impulsgesteuerten Antriebsteil und einem mit diesem bewegungsschlüssig gekoppelten Stellglied, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsteil zwei unabhängig voneinander jeweils durch einen Schaltimpuls zwischen ihren Endstellungen umsteuerbare Antriebselemente (2, 4; 102, tÜ4) aufweist und zwischen diesen und dem Stellglied (34; 134) zumindest ein nach Art eines Differentials wirkendes Getriebeelement (28; 128) vorgesehen ist, derart, daß das Stellglied in mindestens einer definierten Zwischenposition durch entsprechende Endstellungen der beiden Antriebselemente fixierbar ist.

2. Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebselemente (2,4) zueinander achsparallel linear beweglich angeordnet und miteinander durch einen das Differentialgetriebeelement bildenden, drehend auf das Stellglied (34) einwirkenden Schwenkhebel (28) verbunden sind.

3. Stellantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebselemente (2,4; 102, 104) jeweils elektromagnetisch gesteuert sind.

4. Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebselemente (2, 4; 102, 104) jeweils in eine ihrer Endstellungen einseitig vorgespannt sind.

5. Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebselemente (2,4; 102,104) druckgasbetätigt sind.

6. Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebselemente (2, 4; 102, 104) jeweils als druckmittelbetätigte Differentialkolben mit einer ständig mit Arbeitsdruck beaufschlagten Kolbenringfläche (14; 114) ausgebildet sind.

7. Stellantrieb nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein Zweistellungs-Dreiwegeventil (126) zur selektiven Druckbe- und -entlastung der von der größeren Kolbenfläche (122) begrenzten Arbeitskammer(124).

8. Stellantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zweistellungs-Zweiwegeventil (26) zur selektiven Druckentlastung der von der größeren Kolbenfläche (22) begrenzten Arbeitskammer (24) vorgesehen und diese über eine Drosselstelle (20) mit dem Arbeitsdruck beaufschlagt ist.

9. Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (34; 134) zur Einstellwinkeländerung eines Steuerruders (38) drehbeweglich durch die Antriebselemente (2, 4; 102, 104) verstellbar und mit dem Steuerruder über einen senkrecht zur Drehachse des Stellglieds angeordneten Schwenkzapfen verbunden ist, um den das Steuerruder aus einer Ruhelage innerhalb des Flugkörperkalibers in eine.ausgeklappte Betriebsstellung ausschwenkbar ist.

10. Stellantrieb nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen vom Stellglied (34; 134) aus in Richtung des vorderen Flugkörperendes innerhalb des Flugkörperkalibers verlaufenden, seitlichen Aufnahmeschlitz (42; 142) für das in Ruhestellung um den Schwenkzapfen eingeklappte Steuerruder (38; 138).

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stellantrieb, insbesondere für das Steuerruder eines Flugkörpers, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bekannte Stellantriebe dieser Art, wie sie bei Flugkörpern zur Erzielung kurzzeitiger Steurruderausschiäge Verwendung finden, enthalten als Antriebsteil einen magnetisch oder hydraulisch, bei Flugkörpern zumeist aber druckgasbetätigten Antriebskolben, der durch einen einzigen Schaltimpuls zwischen seinen anschlagbegrenzten Endstellungen umsteuerbar ist und dadurch eine Einstellwinkeländerung des Steuerruders über den gesamten, positiven und negativen Verstellbereich bewirkt. Problematisch ist bei derartigen Stellantrieben die Einsteuerung auf eine Zwischenposition mit einem Nullwinkelausschlag des Steuerruders, die häufig während längerer Flugphasen ohne Beeinträchtigung des raschen Ansprechverhaltens des Stellantriebs beibehalten werden muß, wozu eine interne Regelung mit einer Pulsbreiten-Modulation nötig ist, durch die derStellkolben mit möglichst kleinen Abweichungen oszillierend auf die Nullwinkellage stabilisiert wird, mit der Folge, daß derartige Stellantriebe einen erheblichen Regelaufwand und Energieverbrauch für die Nullwinkelstabilisierung erfordern. Ferner ergibt sich bei den bekannten Stellantrieben aus den unvermeidbaren Totzeiten der Schaltmagnete bzw. Schaltventile innerhalb jedes einzelnen Steuerzyklus insoweit eine Verlängerung der Mindeuschaltzeiten, als der Stellkolben bei jeder Bewegungsumkehr oder -Unterbrechung die neu vorgegebene Kolbenstellung erst nach Ablauf einer durch die Totzeit der Schaltmagnete bzw. -ventile bestimmten Verzögerungsdauer ansteuern kann, so daß diese Stellantriebe für Anwendungsfälle, wo extrem kurze Schaltzeiten gefordert werden, nur begrenzt verwendbar sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Stellantrieb nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so auszubilden, daß eine definierte Zwischenlage mit geringem Regelaufwand und kurze Schaltzeiten erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den im Anspruch 1 gekennzeichneten Stellantrieb gelöst.

Aufgrund der besonderen Anordnung und gegenseitigen Verdoppelung der beiden Antriebselemente verfügt der erfindungsgemäße Stellantrieb über vier unterschiedliche, jeweils durch Endstellungen der Antriebselemente anschlagbegrenzte Schaltpositionen, von denen die beiden einen die zwei Endpositionen des gesamten Verstellbereichs und die beiden anderen entweder zwei verschiedene oder aber zweimal ein und dieselbe Zwischenposition des Stellglieds, also bei einem Steuerruder die Nullwinkelstellung, definieren. Infolgedessen ist es möglich, den Stellantrieb unter Verzicht auf eine interne Regelung und ohne oszillierende Positionsstabilisierung und sogar ohne Energieverbrauch mit voller Steuerbereitschaft exakt in einer Zwischenstellung zu positionieren, mit der Besonderheit, daß die schaltmagnet- oder -ventilbedingten Totzeiten innerhalb jedes Steuerzyklus wirkungsmäßig dadurch eleminiert werden können, daß der Schaltimpuls für das jeweils eine Antriebselement unter Berücksichtigung der Totzeitdauer bereits ausgelöst wird, bevor das jeweils andere Antriebselement seinen Umschaltvorgang beendet hat, wodurch — zumindest bei reproduzierbaren Totzeiten der Schaltorgane — eine praktisch verzögerungsfreie Bewegungsumkehr des Stellgliedes an allen anschlagfixierten Schaltpositionen und somit eine deutliche Schaltzeitverkürzung erreicht wird und überdies auch Zwischenstellungen des Stellglieds zwischen den fixierten Schaltpositionen ohne aufwendige Pulsbreiten- oder