DE3515173A1 - Elektromagnetisch nicht stoerbare flugsteuerungseinrichtung - Google Patents

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetisch nicht störbare Flugsteuerungseinrichtung mit einem hydraulischen Stellantrieb für eine in ihrer Stellung zu beeinflussende Steuerfläche, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Einrichtung ist aus dem Firmenprospekt der Firma Bertea Corp., Irvine, Kalifornien, mit dem Titel "Hydra-optic Servo Control Demonstrator" bekannt. Dort wird eine Steuerungseinrichtung für Flugzeuge vorgestellt, die nach außen hin gegen elektromagnetische Störungen vollständig abgeschirmt ist. Die Steuersignale werden auf optischem Wege zugeführt, und zwar über Lichtleiter. Die Energie zur Betätigung des Stellantriebes für die zur verstellende Steuerfläche wird über eine hydraulische Druckleitung geliefert, der eine hydraulische Rückführungsleitung zugeordnet ist. Diese Flugsteuerungseinrichtung zeichnet sich demnach dadurch aus, daß keinerlei elektrische Zuleitungen, die elektromagnetischen Störungen ausgesetzt sein könnten, vorhanden sind. Die Einrichtung ist mit der Außenwelt lediglich über Lichtleiter sowie hydraulische Leitungen verbunden. Im Inneren werden die optischen Steuersignale in einem opto-elektronischen Wandler in entsprechende elektronische Ansteuersignale für eine elektrohydraulische Ventilanordnung umgewandelt, welche dem Stellantrieb vorgeschaltet ist und dazu dient, diesen in der durch die Steuersignale vorgegebenen Weise mit hydraulischer Energie zu beaufschlagen, um so die gewünschte Verstellung der Steuerfläche zu bewirken. Die zur opto-elektronischen Signalwandlung sowie zur Ansteuerung der elektro-hydraulischen Ventilanordnung benötigte Energie wird durch einen Hydraulikmotor bereitgestellt, der parallel zu der genannten Ventilanordnung von der hydraulischen Druckleitung gespeist wird.

ίο Als nachteilig bei der bekannten Flugsteuerungseinrichtung muß angesehen werden, daß zur internen Energieversorgung ein Hydraulikmotor verwendet wird. Zwar ist hierdurch vermieden, daß elektrische Energie von außen zugeführt werden muß, wie dies beispielsweise aus der EP-Al 0 046 875 bekannt ist (siehe dort Fig. 7), womit wiederum elektromagnetische Störungen eindringen können, jedoch besitzt ein derartiger Hydraulikmotor bewegte Teile und ist damit stör- sowie verschleißanfällig und erfordert folglich einen gewissen Wartungsaufwand.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Flugsleuerungseiririchtung der eingangs gcnannlen Art bereitzustellen, bei der die hydraulisch-elektrische Energiewandlung zur internen Energieversorgung auf möglichst wenig stör- und verschleißanfällige Weise, insbesondere unter Vermeidung der Verwendung mechanisch bewegter Teile, zuverlässig gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der hydraulisch-elektrische Energiewandler aus einem fluidischen Oszillator und einem oder mehreren von diesem mit periodisch veränderlichem Druck beaufschlagten piezoelektrischen Elementen besteht. Insbesondere ist vorgesehen, piezokeramische Elemente zu verwenden. Hier wird von dem piezoelektrischen Effekt Gebrauch gemacht, nach dem gewisse Kristalle, sobald sie in einer Vorzugsrichtung unter Druck gesetzt werden, eine von der Höhe dieses Druckes abhängige Potentialdifferenz erzeugen. Weiterhin wird ein an sich bekannter fluidischer Oszillator eingesetzt, in den eingangsseitig ein unter Druck stehendes Fluid einströmt, und der intern so aufgebaut ist, daß dieser Fluidstrom unter Ausnutzung des Coanda-Effekts zeitlich alternierend in zwei unterschiedliche Ausgangskaruile gelenkt wird. Bei dem gemäß der Erfindung einzusetzenden hydraulisch-elektrischen Wandler werden an die Ausgangskanäle des fluidischen Oszillators vorzugsweise je ein piezoelektrisches bzw. piezokeramisches Element angesetzt, so daß diese Elemente alternierend mit fluidischem Druck beaufschlagt werden. Ausgangsseitig kann von diesen Elementen dann eine elektrische Wechselspannung abgenommen werden, die in der Praxis Größenordnungen von einigen 100 V bei einigen 1000 Hz annehmen kann. Der so aufgebaute hydraulisch-elektrische Wandler weist keine mechanisch bewegten Teile auf und ist damit wenig störanfällig und nur einem äußerst geringen Verschleiß ausgesetzt. Damit verbunden sind hohe funktionale Zuverlässigkeit sowie eine lange Lebensdauer. Außerdem ist ein derartiger Energiewandler kostengünstig herstellbar und zeichnet sich gegenüber einem Hydraulikmotor durch geringeren Raumbedarf sowie geringeres Gewicht aus.

Ein besonderes Merkmal besteht ferner darin, daß am Ausgang des hydraulisch-elektrischen Energiewandlers nur relativ geringe Ströme abgenommen werden können und somit nur verhältnismäßig geringe Leistungen, dafür aber relativ hohe Spannungen zur Verfügung stehen. Der Einsatz der Erfindung bietet sich daher insbesondere dann an, wenn in der -elektro-hydraulischen

Ventilanordnung, welche dem Stellantrieb vorgeschaltet ist, Ventile verwendet werden, die mittels piezoelektrischer, insbesondere piezokeramischer Elemente anzusteuern sind. Derartige Ventile sind zwar an sich bekannt, (siehe z.B. Ninth European Rotorcraft Forum, Paper No. 38, "Electrohydraulic Servoactuator Using Digital Input Signals" von G. Diessel, 13.—15. September 1983, Stresa, Italien), jedoch ist deren Anwendung in Kombination mit den durch die Erfindung vorgeschlagenen hydraulisch-elektrischen Energiewandlern noch nirgends vorgeschlagen worden. Derartige Ventile, deren Ventilhub mittels piezoelektrischer bzw. piezokeramischer Elemente erzeugt wird, schalten zumeist im Pulsbetrieb zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Stellung hin und her, und zwar gemäß den einlaufenden elektrischen Ansteuersignalen. Dabei werden jedoch keine hohen Ströme benötigt, wie dies etwa bei Magnetventilen der Fall ist, es genügen vielmehr konstante Spannungen, von deren Höhe der Ventilhub abhängig ist, und somit nur äußerst geringe Leistungen. Genau diese Voraussetzungen liegen aber bei Anwendung der aus fluidischem Oszillator sowie piezokeramischen bzw. piezoelektrischen Elementen bestehenden hydraulisch-elektrischen Energiewandler an deren Ausgang vor. Die dort zur Verfugung stehenden Wechselspannungen brauchen lediglich in entsprechende Gleichspannungen zur Ansteuerung der genannten Ventile umgewandelt zu werden.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Abbildungen näher erläutert. Es zeigen in schematischer Weise:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Flugsteuerungseinrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2a einen Querschnitt durch einen hydraulischelektrischen Energiewandler gemäß der Erfindung sowie

Fig. 2b einen fluidischen Oszillator, der einen Teil des hydraulisch-elektrischen Energiewandlers gemäß Fig. 2a bildet, in Draufsicht.

In Fig. 1 ist gestrichelt in schemalischer Weise eine die Flugsleuerungscinrichlung umschließende elektromagnetische Abschirmung 2 dargestellt. Deren Inneres ist mit der Außenwelt durch eine optische Signalleitung 3, eine hydraulische Druckleitung 5 sowie eine hydraulische Rückführleitung 6 verbunden. Weiterhin hat ein im Inneren der Abschirmung 2 befindlicher hydraulischer Stellantrieb 10 eine nicht dargestellte Wirkverbindung zu der ebenfalls im Außenraum befindlichen, von ihm zu verstellenden, nicht dargestellten Steuerfläche. Die hydraulische Druckleitung 5 ist mit einer elektro-hydraulischen Ventilanordnung 4 sowie mit einem hydraulischelektrischen Energiewandler 1 verbunden. Über eine Signalleitung 15 werden der elektro-hydraulischen Ventilanordnung 4 Ansteuersignale zugeführt, durch welche deren Zustand in der Weise beeinflußt wird, daß das Stellglied des nachgeschalteten hydraulischen Stellantriebes 10 in die gewünschte Position gebracht wird.

Über die optische Signalleitung 3 werden, beispielsweise auf Initiative des Piloten, optische Steuersignale herangeführt, die ebenso wie die hydraulischen Leitungen unempfindlich gegen eventuell auftretende elektromagnetische Störungen sind. Der optische Signalleiter 3 wird im allgemeinen ein Lichtleiter sein. Die optischen Signale gelangen zu einem opto-elektronischen Wandler 8, bei dem es sich beispielsweise um eine Photodiode handeln kann. Am Ausgang des opto-elektronischen Wandlers 8 stehen den optischen Steuersignalen entsprechende elektronische Signale an, die über eine Signalleitung 14 einer elektronischen Signalverarbeitung 9 zugeführt werden. Diese liefert Ansteuersignale für die elektro-hydraulische Ventilanordnung 4, wobei noch über eine Signalleitung 16a vom hydraulischen Stellantrieb 10 sowie über eine Signalleitung 16b von der elektro-hydraulischen Ventilanordnung 4 her eintreffende Rückführsignale berücksichtigt werden, welche die tatsächliche Stellung des Stellgliedes bzw. des Ventilschiebers anzeigen. Die elektrische Energie für die der elektrohydraulischen Ventilanordnung 4 zuzuführenden Ansteuersignale stammt von einer elektrischen Energieaufbereitung 7, welche über eine elektrische Leitung 13 mit der elektronischen Signalverarbeitung sowie über eine elektrische Leitung 12 mit dem opto-elektronisehen Wandler 8 in Verbindung steht. Die elektrische Energieaufbereitung 7 ist über eine elektrische Verbindungsleitung 11 dem hydraulisch-elektrischen Energiewandler 1 nachgeschaltet.

Letzterer besteht gemäß der Erfindung aus einem fluidischen Oszillator 17 und einem oder mehreren von diesem mit periodisch veränderlichem Druck beaufschlagten piezoelektrischen Elementen 18 (siehe Fig. 2a und 2b). Dieser hydraulisch-elektrische Energiewandler 1 ist in der Lage, unter Ausnutzung der an seinem Eingang (hydraulische Druckleitung 5) zur Verfügung stehenden hydraulischen Energie an seinem Ausgang eine elektrische Wechselspannung von einigen 100 V abzugeben, wobei Frequenzen im KHz-Bereich erzielbar sind. Dabei hängen diese Werte vom zur Verfügung stehenden hydraulischen Druck sowie den Abmessungen des fluidischen Oszillators und den Abmessungen sowie der Art der verwendeten piezoelektrischen Elemente ab. Der Einsatz eines derartigen hydraulischelektrischen Energiewandlers in einer elektromagne- tisch nicht störbaren Flugsteuerungseinrichtung hat somit den Vorteil, daß zur elektrischen Energieversorgung keine Zuleitungen vorhanden sein müssen, und daß weiterhin wegen nicht vorhandener bewegter Teile eine außerordentlich hohe Lebensdauer aufgrund geringen Verschleißes gegeben ist. Weiterhin zeichnet sich der hydraulisch-elektrische Energiewandler 1 durch hohe Betriebszuverlässigkeit sowie äußerst geringen Warlungsbedarf aus.

Die ausgangsseitig am hydraulisch-elektrischen Energiewandler 1 zur Verfügung stehende Wechselspannung geringer Leistung (Größenordnung ca. 50 Watt) wird über die elektrische Verbindungsleitung 11 der elektrischen Energieaufbereitung 7 zugeführt, wo die Wechselspannung je nach Bedarf so umgeformt wird, wie es die anschliessenden Verbraucher, nämlich gegebenenfalls der opto-ektronische Wandler 8 sowie die elektronische Signalverarbeitung 9, welche wiederum zur Ansteuerung der elektro-hydraulischen Ventilanordnung 4 dient, verlangen. In dieser elektro-hydraulisehen Ventilanordnung 4 können zweckmäßig Ventile verwendet werden, die mittels piezoelektrischer, insbesondere piezokeramischer Elemente anzusteuern sind. Zur Betätigung derartiger Ventile bzw. Elemente werden wiederum, wie oben bereits erwähnt, Gleichspannungspulse längerer oder kürzerer Dauer benötigt, und hierzu ist es zweckmäßig, daß die elektrische Energieaufbereitung 7 aus der eingangsseitig anliegenden Wechselspannung eine Gleichspannung erzeugt und diese über die elektrische Leitung 13 an die elektronisehe Signalverarbeitung 9 liefert, weiche wiederum unter Berücksichtigung der über die Signalleitungen 14 sowie t6a,b einlaufenden Steuerbzw. Rückführsignale entsprechende Gleichspannungspulse an die piezoelek-

trischen Elemente der elektro-hydraulischen Ventilanordnung 4 abgibt. Die piezoelektrisch anzusteuernden Ventile, die im allgemeinen in den beiden Betriebszuständen "auf/zu" betrieben werden, haben neben dem Vorteil geringen Leistungsverbrauchs die weiteren Vorteile digitaler Ansteuerbarkeit sowie sehr kurzer Schaltzeiten. Prinzipiell ist es jedoch auch möglich, klassische Servoventile, etwa Magnetventile, einzusetzen.

Wie ein hydraulisch-elektrischer Energiewandler 1 gemäß der Erfindung aufgebaut sein kann, geht aus den Fig. 2a, b, hervor. Wesentlicher Bestandteil ist ein fluidischer Oszillator 17, der in Fig. 2b in Draufsicht dargestellt ist. Er besteht im vorliegenden konkreten Falle aus einer rechteckigen Metallplatte, in welche die in Fig. 2b durchgezogen dargestellten Strömungskanäle einge- is fräst sind. Der als Platte ausgebildete fluidische Oszillator 17 ist Teil einer Gesamtanordnung, welche aus mehreren, aufeinandergeschichteten und beispielsweise verschraubten, jeweils unterschiedlichen Funktionen zugeordneten Platten besteht, wie in Fig. 2a im Schnitt dargestellt. Die Schnitte sind bei den verschiedenen Platten in unterschiedlichen Schnittebenen geführt, deren Lage wiederum in Fig. 2b durch Pfeile sowie strichpunktiert angegeben ist. In einer oberen Platte, einem Verteilerblock 56, sind ein Fluideinlaß 26 sowie ein Fluidauslaß 27 vorhanden. Der Fluideinlaß 26 steht über eine entsprechende Verbindungsöffnung 28 in einer unter dem Verleilerblock 56 angeordneten Zwischenplatte 20 mit dem äußeren Ende 29 des Einlaßkanals 30 des Huidischen Oszillators 17 in Verbindung. Durch diesen Einlaßkanal 30 gelangt das unter Druck stehende, einströmende Fluid in einen der beiden Ausgangskanäle 31 oder 32. Rückführkanäle 33 und 34 dienen in bekannter Weise dazu, die Fluidströmung zwischen den Ausgangskanälen 31 und 32 oszillieren zu lassen. Diese Rückführkanä-Ie 33, 34 sind in ihren zum Einlaßkanal 30 parallelen Abschnitten (gestrichelt in Fig. 2b) in der unter der den fluidischen Oszillator 17 bildenden Platte angeordneten Rückführplatte 21 geführt, wie dort Fig. 2a gestrichelt angedeutet ist. Die Enden der Ausgangskanäle 31, 32 stehen mit Bohrungen 35,36 in Verbindung, welche sowohl durch die Rückführplatte 21 als auch durch die darunterliegende Verbindungsplatte 22 hindurchgeführt sind. In die Ausgangskanäle 31, 32 münden noch seitlich Auslaßkanäle 37,38 ein, welche über Bohrungen 39,40 in der Zwischenplatte 20 mit dem Fluidauslaß 27 im Verteilerblock 56 verbunden sind. Über diesen Weg verläßt das strömende Fluid den hydraulisch-elektrischen Wandler 1, um dann durch eine hydraulische Zweigleitung 41 in die Rückführungsleitung 6 zu gelangen (siehe Fig. 1).

Unter der Verbindungsplatte 22 ist eine Zylinderplatte 23 angeordnet, welche mit zwei zylindrischen Ausnehmungen 42, 43 versehen ist. In diesen Ausnehmungen sind zwei Kolben 44,45 angeordnet, welche mittels Ringdichtungen 46,47 an den Wänden der Ausnehmungen 42,43 anliegen. Die Kolben 44,45 werden über die mit den Enden der Ausgangskanäle 31, 32 des fluidischen Oszillators 17 in Verbindung stehenden Bohrungen 35, 36 mit dem Fluiddruck beaufschlagt, welcher einen oszillierenden Verlauf aufweist. Unter der Zylinderplatte 23 ist eine Trägerplatte 24 für die piezoelektrischen bzw. piezokeramischen Elemente 18,19 angeordnet. Diese Elemente haben im vorliegenden Ausführungsbeispiel etwa Tableltenform und werden über lso- t>^r> lationsplauchen 48, 49 sowie Kontaktplältchcn 50. 51 von der Seite der Kolben 44,45 her mit dem oszillierenden Druck beaufschlagt. An ihren anderen Seiten liegen die piezoelektrischen bzw. piezokeramischen Elemente 18, 19 an einer metallischen Grundplatte 25 an, wobei die Kontaktplättchen 50,51 einerseits sowie die Grundplatte 25 andererseits als Elektroden dienen, an denen die piezoelektrisch erzeugten Wechselspannungen abnehmbar sind. Isolationsplättchen 48, 49, Kontaktplättchen 50,51 sowie die piezoelektrischen bzw. piezokeramischen Elemente 18,19 sind in zylindrischen Ausnehmungen 52, 53 in der Trägerplatte 24 eingefügt, wobei durch ringförmige Isolierungen 54, 55 an den Wänden dieser Ausnehmungen ein Kurzschluß zwischen den Kontaktplättchen und der Grundplatte verhindert wird. Durch seitliche Bohrungen 57,58, (siehe Fig. 2b), welche das Innere der Ausnehmungen 52,53 in der Trägerplatte 24 mit dem Außenraum verbinden, können isolierte Elektrodenleitungen an die Kontaktplättchen 50,51 herangeführt werden. In der Verbindungsplatte 22 können noch (nicht dargestellte) seitlich hereingeführte, durch abgedichtete Schrauben verschließbare Entlüftungskanäle vorgesehen sein.

Als Fluid wird zweckmäßig Hydrauliköl verwendet. Der Versorungsdruck kann zu etwa 20 MPa (200 bar) gewählt werden. Mit gebräuchlichen piezokeramischen Elementen, deren Abmessungen beispielsweise zu 2 mm Dicke und 28 mm Durchmesser gewählt werden können, lassen sich Spitzenspannungen von ca. 800 V bei einer Frequenz von ca. 4000 Hz und einer elektrischen Leistung von etwa 3,5 Walt erzielen. Die Druckrückgewinnung beträgt dabei 60-70%. Es sei darauf hingewiesen, daß die Darstellungen der Fig. 2a sowie 2b nicht maßstäblich, sondern vielmehr schematisch sind.

Der gemäß der Erfindung in Flugsteuerungseinrichtungen der beschriebenen Art einsetzbare hydraulischelektrische Energiewandler, bestehend aus einem fluidischen Oszillator sowie piezoelektrischen bzw. piezokeramischen Elementen, ist nicht nur für den angegebenen Einsatzbereich verwendbar, sondern überall dort, wo eine hydraulisch-elektrische Energiewandlung verlangt ist und ähnliche Anforderungen hinsichtlich der elektrischen Ausgangsgrößen (relativ hohe Spannung, relativ kleine Ströme sowie relativ kleine abnehmbare elektrische Leistung) gestellt sind.

Claims (4)

Patentansprüche

1. Elektromagnetisch nicht störbare Flugsteuerungseinrichtung mit einem hydraulischen Stellantrieb für eine in ihrer Stellung zu beeinflussende Steuerfläche, mit mindestens einer Signalleitung zur Zuführung optischer Steuersignale, mindestens je einer hydraulischen Druck- und Rückführungsleitung, einer dem hydraulischen Stellantrieb vorgeschalteten, mit der hydraulischen Druckleitung verbundenen elektro-hydraulischen Ventilanordnung, einem die optischen Steuersignale in entsprechende elektronische Signale für die elektro-hydraulische Ventilanordnung umwandelnden optoelektronischen Wandler sowie einem mit der hydraulischen Druckleitung verbundenen, als elektrische Energiequelle für den opto-elektronischen Wandler und zur Ansteuerung der elektro-hydraulischen Ventilanordnung dienenden hydraulischelektrischen Energiewandler, dadurch gekenn zeichnet, daß der hydraulisch-elektrische Energiewandler (1) aus einem fluidischen Oszillator (17) und einem oder mehreren von diesem mit periodisch veränderlichem Druck beaufschlagten piezoelektrischen Elementen (18,19) besteht.

2. Flugsteuerungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als piezoelektrische Elemente (18, 19) piezokeramische Elemente verwendet werden.

3. Flugsteuerungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der elektro-hydraulischen Ventilanordnung (4) mittels piezoelektrischer, insbesondere piezokeramischer Elemente anzusteuernde Ventile verwendet werden.

4. Hydraulisch-elektrischer Energiewandler, gekennzeichnet durch einen ein piezoelektrisches, insbesondere piezokeramisches Element oder mehrere solcher Elemente mit periodisch veränderlichem Druck belastenden fluidischen Oszillator (17).