DE3800533C2 - Hauptsteuerschieber für einen Hydraulik-Aktuator eines Flugzeug-Ruders - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hauptsteuerschieber für einen Hydraulik-Aktuator, der z. B. ein Ruder eines Flug­ zeugs betätigt, mit einem direkt an den Schieberkolben gekoppelten Elektromotor, vorzugsweise Linearmotor, dem elektrische Stellsignale zugeführt werden und der den Kolben des Schiebers entsprechend den elektrischen Stellsignalen verstellt, damit der Kolben das Öffnen und das Schließen von an den Aktuator angeschlossenen Hydraulikleitungen steuert.

Die Ruder eines Flugzeugs, z. B. das Seitenruder, werden von hydraulischen Aktuatoren bewegt, welche ihrerseits von sogenannten Hauptsteuerschiebern gesteuert werden.

Zur Veranschaulichung sei auf die Fig. 1 und 2 ver­ wiesen. Nach Fig. 1 wird ein Kolben 1' eines Aktuators 1 hydraulisch nach links oder nach rechts (Pfeilrichtung P_A) bewegt, je nach dem, wie die an den Aktuator 1 angeschlossenen Hydraulikleitungen H_I und H_II an die Druckleitung oder die Rücklaufleitung des Hydraulik­ systems angeschlossen sind.

Gesteuert wird der Aktuator 1 von einem Hauptsteuer­ schieber 2, der einen in einem Gehäuse verschieblich gelagerten Kolben 3 aufweist, auf dem den Ringräumen 5, 6 Ringflansche 4 angeordnet sind. Die Stellung des Kolbens 3 dieses Hauptsteuerschiebers legt fest, welche der Hydraulikleitungen H_I, H_II mit der Druckleitung P₁, P₂ bzw. der Rücklaufleitung R₁, R₂ des Hydrauliksystems verbunden sind.

Aus Gründen der Redundanz ist das System gedoppelt, d. h. es gibt zwei parallel geschaltete Systeme I und II, so daß bei Ausfall eines der beiden Systeme, z. B. des Systems II, das andere, intakte System I die Aufgabe allein erfüllt.

Die Erfindung betrifft speziell die An­ steuerung des Hauptsteuerschiebers. Diese Ansteuerung basiert auf elektrischen Stellsignalen.

Fig. 2 zeigt ein elektrohydraulisches Servoventil 7, welches elektrische Stellsignale empfängt und an zwei Zylinderleitungen C₁, C₂ einen Druck erzeugt bzw. eine Verbindung zur Rücklaufleitung des Hydrauliksystems schafft. Wie links oben in Fig. 1 angedeutet ist, sind die beiden Ringräume 5 und 6 des Kolbens 3 des Haupt­ steuerschiebers 2 mit den Zylinderleitungen C₁, C₂ verbunden. Aus Gründen der Redundanz muß auch diese Anordnung doppelt vorhanden sein. Dies bedeutet, daß zum Ansteuern des Hauptsteuerschiebers 2 insgesamt vier der in Fig. 2 dargestellten elektrohydraulischen Servo­ ventile benötigt werden.

Das Servoventil 7 besitzt einen in einem Zylindergehäuse verschieblich angeordneten Steuerkolben 8 und einen Drehmomentmotor 10 mit einem Anker 9. Ein Teil des Ankers 9 bildet eine Drosselstelle 11 in einer Druck­ leitung P. Ein federelastisches Rückkopplungsglied 12 verbindet den Steuerkolben 8 mit dem Anker 9.

In der in Fig. 2 dargestellten neutralen Stellung herrschen an den beiden äußeren Stirnseiten des Steuer­ kolbens 8 gleiche Drücke. An der Drosselstelle 11 tritt eine systembedingte permanente Leckage auf. Bei Erregung des Drehmomentmotors 10 durch ein elektrisches Stell­ signal bewegt sich der Anker 9 in eine Richtung des Doppelpfeils P_M, mit der Folge, daß das nach unten weisende Ende des Ankers 9 an der Drosselstelle 11 die eine Seite der Druckleitung P mehr oder fast voll­ ständig sperrt, während die andere Seite weiter geöffnet wird. Dadurch ergibt sich eine Druckdifferenz an den beiden Stirnseiten des Steuerkolbens 8, mit der Folge, daß sich der Steuerkolben 8 verschiebt. Durch das elastische Rückkopplungsglied 12 wird diese Verschiebe­ bewegung des Steuerkolbens 8 auf den Anker 9 über­ tragen, mit der Folge, daß der nach unten vorstehende Abschnitt 9 des Ankers wieder seine frühere Mittel­ stellung einzunehmen trachtet. Solange der Drehmoment­ motor 10 erregt ist, wird der Steuerkolben 8 verschoben.

Je nach Drehrichtung des Ankers 9 wird der Steuerkolben 8 nach links oder nach rechts bewegt, mit der Folge, daß entweder die Zylinderleitung C₁ mit der Druck­ leitung P und die Zylinderleitung C₂ mit der Rücklauf­ leitung R verbunden wird, oder umgekehrt.

Nun ist die Anordnung von vier Servoventilen der in Fig. 2 gezeigten Art platzraubend und teuer. Außerdem gibt es die erwähnte systembedingte Leckage an der Drosselstelle 11. Diesen Nachteilen steht der beträcht­ liche Vorteil gegenüber, daß mit dem Servoventil be­ trächtliche Stellkräfte aufgebracht werden können.

Die hohen Stellkräfte sind wichtig, um im Fall einer Schwergängigkeit den Hauptsteuerschieber dennoch ent­ gegen der Klemmkraft zu bewegen.

Zur Vermeidung der genannten Nachteile des elektrohydrau­ lischen Servoventils ist man teilweise dazu übergegangen, den Hauptsteuerschieber mittels eines sogenannten Direkt­ antriebs zu verstellen. Unter diesem Direktantriebsven­ teil (direct drive valve) versteht man eine Vorrichtung, die den Hauptsteuerschieber nicht über den Umweg einer Hydraulik, sondern direkt elektromechanisch betätigt. An einer Seite des Hauptsteuerschiebers befindet sich ein Linearmotor mit mehreren Spulen- und Permanentmagnetab­ schnitten. Durch Erregung der Spulen wird der Kolben des Hauptsteuerschiebers verschoben. Ein Stellungssensor liefert Stellungssignale des Kolbens des Hauptsteuer­ schiebers. Sollte es zu einem Klemmen des Schiebers kommen, wird der Linearmotor zur Überwindung der Klemm­ kraft mit einem Vielfachen der üblichen Nennleistung beaufschlagt.

Den genannten Vorteilen des Direktantriebs steht der Nachteil gegenüber, daß der Linearmotor für die u. U. erhöhte Leistung ausgelegt werden muß. Problematisch ist auch die Prüfung des Antriebs bei erhöhter Motor­ leistung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Haupt­ steuerschieber für einen Hydraulik-Aktuator zu schaffen, der einfach und kompakt aufgebaut ist, sich durch hohe Zuverlässigkeit auszeichnet und einen für die üblichen Betriebskräfte ausgelegten Elektromotor aufweist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen elektrohydraulischen Hilfsantrieb, der an den Haupt­ steuerschieber gekoppelt ist.

Der erfindungsgemäße Hilfsantrieb ist im Prinzip ähnlich aufgebaut wie der Hauptsteuerschieber selbst (ohne Hilfsantrieb). Aufgrund des elektrohydraulischen Hilfsan­ triebs kann der Linearmotor des Hauptsteuerschiebers relativ klein dimensioniert sein. Wird von einem Positionssensor im Betrieb festgestellt, daß der Haupt­ steuerschieber nicht die vorgeschriebene Soll-Position einnimmt, so werden die daraus abgeleiteten Fehler­ signale in Stellsignale für den Hilfsantrieb umgesetzt. Aufgrund dieser Stellsignale beaufschlagt der Hilfsan­ trieb den Hauptsteuerschieber hydraulisch. Damit ist der Hilfsantrieb in der Lage, den Hauptsteuerschieber mit hohen Stellkräften zu beaufschlagen. Diese reichen in jedem Fall aus, um eine Schwergängigkeit des Haupt­ steuerschiebers zu überwinden, die Funktionsfähigkeit der Anlage also aufrechtzuerhalten.

Bei der Vorflugkontrolle kann der Hauptsteuerschieber in Verbindung mit dem Hilfsantrieb mühelos und zuver­ lässig geprüft werden. Durch Beaufschlagen des Hilfsan­ triebs mit elektrischen Stellsignalen wird der Haupt­ steuerschieber hydraulisch betätigt, während der an den Kolben des Hauptsteuerschiebers gekoppelte Linearmotor in Ruhe bleibt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der Hilfsantrieb einen Linearmotor auf­ weist, der im Normalbetrieb den Kolben eines Hilfs­ steuerschiebers in einer Ruheposition hält, in der zwei dem Hilfssteuerschieber zugeordnete Ringräume des Hauptsteuerschiebers verbunden und an die Hydraulik- Rücklaufleitung gekoppelt sind. Zylinder und Kolben des Hilfssteuerschiebers bilden im normalen Betriebs­ zustand einen Bypass, indem die beiden Zylinderleitungen des Hilfssteuerschiebers mit der Rücklaufleitung des Hydrauliksystems verbunden sind. Wird der Kolben des Hilfssteuerschiebers nun elektromechanisch verschoben, so wird einer der beiden zusätzlich im Hauptsteuer­ schieber vorgesehenen Ringräume mit der Druckleitung, der andere mit der Rücklaufleitung verbunden. Dadurch erfolgt die hydraulische Verschiebung des Kolbens des Hauptsteuerschiebers.

In einer besonderen Ausführungsform ist vorgesehen, daß dem Linearmotor des Hauptsteuerschiebers und/oder dessen Kolben eine Stellungssensoranordnung zugeordnet ist, und daß bei Feststellung eines Fehlers, z. B. des Klemmens des Hauptsteuerschiebers, dem Hilfsantrieb ein Stellsignal zugeführt wird, aufgrund dessen einem der Ringräume unter Druck stehendes Fluid zugeführt wird.

Mußte früher der Linearmotor des Hauptsteuerschiebers für den Fall des Schieberklemmens dimensioniert werden, also gegebenenfalls mit einer Leistung gespeist werden, die einem Vielfachen der üblichen Nennleistung entsprach, so kann die einer solchen erhöhten Elektromotorleistung entsprechende Kraft durch den Hilfsantrieb hydraulisch auf den Kolben des Hauptsteuerschiebers aufgebracht werden.

Trotz einer relativ einfachen Anordnung werden durch die erfindungsgemäße Maßnahme die Vorteile einer An­ steuerung des Hauptsteuerschiebers durch elektrohydrau­ lische Servoventile verbunden mit den Vorteilen des sogenannten Direktantriebs für den Hauptsteuerschieber.

Es tritt keine Leckage im Normalbetrieb auf. Der Linear­ motor des Hauptsteuerschiebers ist relativ klein di­ mensioniert. Die Hilfsventilanordnung ist am Gehäuse des Hauptsteuerschiebers angebracht, insbesondere im Bereich zwischen Linearmotor und Zylindergehäuse seit­ lich angebracht. Die Funktionsfähigkeit der Anlage läßt sich vor dem Flug mühelos und sicher testen.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Skizze eines von einem Hauptsteuerschieber ange­ steuerten Aktuators für ein Flug­ zeugruder,

Fig. 2 eine Prinzip-Skizze eines elektro­ hydraulischen Servoventils, und

Fig. 3 eine Skizze eines erfindungsgemäßen Hauptsteuerschiebers mit Hilfsantrieb.

Fig. 3 zeigt einen Hauptsteuerschieber 20 mit einem in einem Gehäuse 21 untergebrachten Kolben 23, der durch einen Linearmotor 22 elektromechanisch verstellt wird. Hierzu werden den einzelnen Spulen 24 des Linearmotors 22 elektrische Stellsignale zugeführt, so daß sich der Kolben entsprechend der Ansteuerung der einzelnen Spulen nach links oder nach rechts bewegt, wie durch den Doppelpfeil angedeutet ist. An der Stirnseite des Hauptsteuerschiebers 20 befindet sich ein Stellungs­ sensor 25, der Positionssignale bezüglich der Stellung des Kolbens 23 liefert. Es erfolgt ein Sollwert/Istwert- Vergleich mit den den Spulen 24 zugeführten Stell­ signalen. Weicht die Ist-Lage des Kolbens 23 von der Soll-Lage ab, kann dies auf eine Schwergängigkeit des Schiebers zurückzuführen sein.

Um den Kolben 23 dennoch in die gewünschte Position zu bringen und somit die zu dem Aktuator 1 führenden Hydraulikleitungen H_I... H_II vorschriftsmäßig mit der Druckleitung bzw. der Rücklaufleitung des Hydrau­ liksystems zu verbinden, wird der oben in Fig. 3 ge­ zeigte Hilfsantrieb aktiviert. Dieser Hilfsantrieb be­ steht aus einem Hilfssteuerschieber 30, der in einem Gehäuse einen Linearmotor 32 und einen direkt damit gekoppelten Kolben 33 umfaßt. An der Stirnseite des Hilfssteuerschiebers 30 befindet sich ein Stellungs­ geber 35.

Bei Beaufschlagung der Spulen 34 des Linearmotors 32 wird der Kolben 33 nach oben oder nach unten bewegt.

Im Hauptsteuerschieber 20 sind für den Hilfsantrieb zwei zusätzliche Ringräume 36 und 37 ausgebildet, so daß bei Beaufschlagung eines dieser beiden Ringräume 36, 37 der Kolben 23 nach links oder nach rechts bewegt wird. Die anderen Ringräume des Hauptsteuerschiebers 20 sind mit der Rücklaufleitung R, der Druckleitung P, der einen Zylinderleitung C₂ oder der anderen Zylinderleitung C₁ verbunden.

In dem in Fig. 3 dargestellten Normalzustand hat der Kolben 33 des Hilfssteuerschiebers 30 eine Stellung, in der der Ringraum 36 über die Zylinderleitung C_1', den daran anschließenden Ringraum, der den Kolben 33 umgibt, und die andere Zylinderleitung C₂, mit der Rücklaufleitung R verbunden ist. Außerdem ist der Ringraum 37 über einen Ringraum, der Kolben 33 um­ gibt, und den unteren Zweig des Zylinderleitung C₂, mit der Rücklaufleitung R verbunden.

Es sei angenommen, der Linearmotor 22 werde derart an­ gesteuert, daß er den Kolben 23 nach links bewegen soll, wobei jedoch von dem Stellungssensor 25 ein Signal ab­ gegeben wird, welches bedeutet, daß der Kolben 23 tat­ sächlich nicht oder nicht vollständig in die gewünschte Lage gebracht wird. In diesem Fall werden die Spulen 34 des Linearmotors 32 des Hilfssteuerschiebers 30 so angesteuert, daß sich der Kolben 33 in Fig. 3 nach oben bewegt. Dadurch bleibt der Ringraum 36 über die Leitungen C₁, und C₂, mit der Rücklaufleitung ver­ bunden, wohingegen der Ringraum 37 über die Leitung 39, den anschließenden Ringraum am Kolben 33 und die Leitung 38 mit der Druckleitung P des Hydrauliksystems verbunden wird. Der Kolben 23 wird somit hydraulisch nach links bewegt. Bei Erreichen der Soll-Lage des Kolbens 23, was durch den Stellungssensor 25 ermittelt wird, wird der Kolben 33 des Hilfssteuerschiebers 30 wieder in die in Fig. 3 dargestellte Stellung zurück­ gestellt.

Soll der Kolben 23 z. B. unter Überwindung der Klemm­ kraft bei einem Schieberklemmer nach rechts bewegt werden, so werden die Spulen 34 des Linearmotors 32 derart angesteuert, daß sich der Kolben 33 nach unten bewegt. Der obere Ringflansch des Kolbens 33 ver­ sperrt den Weg zwischen dem Ringraum 36 und der Zylin­ derleitung C₂, und mithin der Rücklaufleitung.

Hingegen wird eine Verbindung zwischen dem Ringraum 37 und der daran anschließenden Leitung 39 zu der Zylin­ derleitung C₂, und folglich der Rücklaufleitung R geschaffen. Die Leitung 38 verbindet jetzt die Druck­ leitung P mit der Zylinderleitung C₁, und dem Ring­ raum 36, so daß der Kolben 23 hydraulisch nach rechts bewegt wird.

Durch die hydraulische Hilfssteuerung des Hauptsteuer­ schiebers 20 läßt sich dieser mit hohen Kräften beauf­ schlagen, so daß auch bei Auftreten einer Schieber­ schwergängigkeit eine sichere Funktionsweise der Anordnung gewährleistet ist.

Claims (3)

1. Hauptsteuerschieber für einen Hydraulik-Aktuator (1), der zum Beispiel ein Ruder eines Flugzeugs betätigt, mit einem direkt an den Schieberkolben (23) gekoppelten Elektromotor, vorzugsweise Linearmotor (22), dem elektri­ sche Stellsignale zugeführt werden und der den Kolben (23) des Hauptsteuerschiebers (20) entsprechend den Stellsignalen verstellt, damit der Kolben (23) das Öffnen und das Schließen von an den Aktuator (1) angeschlossenen Hydraulikleitungen (H_I, H_II) steuert, gekennzeichnet durch einen elektrohydrau­ lischen Hilfsantrieb (30) zur Unterstützung des Elektromotors, wobei der Hilfsantrieb an den Hauptsteuerschieber (20) gekoppelt ist.

2. Hauptsteuerschieber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsan­ trieb einen Linearmotor (32) aufweist, der im Normalbe­ trieb den Kolben (33) eines Hilfssteuerschiebers (30) in einer Ruheposition hält, in der zwei dem Hilfssteuer­ schieber (30) zugeordnete Ringräume (36, 37) des Haupt­ steuerschiebers (20) verbunden und an die Hydraulik- Rücklaufleitung (R) gekoppelt sind.

3. Hauptsteuerschieber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Linearmotor (22) des Hauptsteuerschiebers (20) und/oder dessen Kolben (23) eine Stellungssensoranordnung (25) zuge­ ordnet ist, und daß bei Feststellung eines Fehlers, z. B. der Schwergängigkeit des Hauptsteuerschiebers (20, 23) dem Hilfsantrieb (30) ein Stellsignal zuge­ führt wird, aufgrund dessen einem der Ringräume (36, 37) unter Druck stehendes Fluid zugeführt wird.