DE3830836A1 - Kraftsimulation in servosteuersystemen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kraftsimulation in hand- oder fußbetätigten Servosteuersystemen von bemannten Fahrzeugen aller Art, insbesondere von Luftfahrzeugen, gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruches 1.

In bemannten Land-, Wasser-, Luft- und Raumfahrzeugen werden Servosteu­ ersysteme in der Regel dann verwendet, wenn die menschliche Muskelkraft zu schwach ist, oder zu viel Zeit benötigt, um das jeweilige Fahrzeug in der gewünschten Weise zu bedienen. Die Erfordernis der Servounterstüt­ zung wächst primär mit der Größe, Masse, Geschwindigkeit und Reaktions­ fähigkeit des Fahrzeuges.

Die Verstärkung der Muskelkraft erfolgt meist mit hydraulischer, pneuma­ tischer oder elektromechanischer Energie. Die manuell zu bedienenden Steuerorgane solcher Servosysteme, wie z.B. Ventile oder Schalter, wei­ sen in der Regel nur sehr kleine, vom Belastungszustand weitgehend unab­ hängige Schaltkräfte auf. Ohne das Hilfsmittel der Kraftsimulation führt dies dazu, daß der Bediener das Gefühl für den Geschwindigkeits- und Be­ lastungszustand des Fahrzeuges verliert, woraus sich falsche, insbeson­ dere übertrieben starke Bedienungsreaktionen mit unter Umständen kata­ strophalen Folgen für Mensch und Maschine ergeben können. Angesichts dieser Gefahren bedient man sich in wichtigen Fällen der Kraftsimula­ tion. Darunter ist zu verstehen, daß der manuellen Bedienungsbewegung mit zunehmender Belastung des Fahrzeuges, insbesondere mit zunehmender Geschwindigkeit, eine künstliche, ebenfalls zunehmende Widerstandskraft entgegengesetzt wird. Ein gutes Beispiel hierfür sind geschwindigkeits­ abhängige Servolenkungen von PKW′s.

In Kampfflugzeugen, wie z.B. dem Tornado, werden praktisch alle aerody­ namischen Steuerflächen mit Servosteuersystemen bewegt. Dabei sind Kraftsimulatoren für die Steuerbewegungen um alle drei Achsen vorgesehen.

Für die Steuerung um die Gier- und die Rollachse bedient man sich mecha­ nischer Federn, welche mit zunehmendem Ausschlag des Bedienungsorganes diesem einen zunehmenden Widerstand entgegensetzen. Insbesondere bei kleinen Steuerausschlägen und großen Fluggeschwindigkeiten ist diese Art der Kraftsimulation problematisch, weil der Widerstandseffekt ggf. nicht ausreichend stark und direkt ist.

Für die Steuerung um die Nickachse, welche den größten Einfluß auf die Belastung des Flugzeuges hat, wird eine aufwendigere und wirkungsvolle­ re, hydraulisch/mechanische Kraftsimulation verwendet. Dabei wirkt der im Hydrauliksystem herrschende Druck über eine Kolbenfläche als Kraft der Steuerbewegung des Piloten entgegen. Geregelt wird das System durch statische und dynamische Luftdrücke, welche über Membranen die Stellung des Regelventils beeinflussen. Die dadurch erzeugte Kraft ist demnach abhängig von der Öffnung (Stellung zur Nullage) des Regelventils. Diese Art der Kraftsimulation ist zwar in ihrer Wirkungsweise zufriedenstel­ lend, jedoch infolge der Anzahl und Art der erforderlichen Bauteile kon­ struktiv sehr aufwendig, störungsanfällig, voluminös und schwer.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung zur Kraftsimulation bereitzustellen, welche bei weiter verbesserter Funktionsweise einfacher im Aufbau und in der Herstellung, zuverlässi­ ger, platzsparender und leichter ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merk­ male gelöst.

Die Erfindung macht sich die charakteristische Eigenschaft elektrorheo­ logischer Flüssigkeiten zunutze, daß deren Aggregatszustand durch das Anlegen einer variablen elektrischen Spannung stufenlos und reversibel zwischen "flüssig" und "fest" einstellbar ist. Somit sind erzwungene Strömungsbewegungen, z.B. in einer Kolben-/Zylinder-Anordnung, mit einem umso größeren Kraftaufwand verbunden, je höher die anliegende Elektro­ denspannung ist. Diese wird von einer Steuereinheit in Abhängigkeit vom momentanen Bewegungs- bzw. Belastungszustand des Fahrzeuges geregelt.

Als Parameter können hier beispielsweise die Geschwindigkeit, Beschleu­ nigungswerte, Druckwerte etc. berücksichtigt werden.

Die Unteransprüche 2 bis 5 enthalten bevorzugte Ausgestaltungen der Vor­ richtung nach Anspruch 1.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung noch näher erläu­ tert. Dabei zeigen in vereinfachter bzw. schematischer Darstellung:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Kraftsimulator, bei welchem der Kolben und die ihn umgebende Buchse die Elektroden bilden,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Kraftsimulator mit Differential­ kolben, Bypassleitung und Ventilkammer,

Fig. 3 die wesentlichen Elemente der Vorrichtung zur Kraftsimulation.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kraftsimulation eignet sich für ei­ ne Vielzahl von Anwendungsfällen in bemannten Fahrzeugen aller Art. Un­ ter dem Begriff "Servosteuersysteme" sind dabei nicht nur Systeme zu verstehen, welche der Richtungsänderung (Lenkung, Steuerung) dienen, sondern auch solche Systeme, welche positive oder negative Beschleuni­ gungen in jeglicher Richtung auf das Fahrzeug ausüben. Somit sind außer Servolenkungen im weitesten Sinn auch Servobrems- und Servogassysteme angesprochen. Die Erfindung kann beispielsweise in Antischleuder-, Anti­ blockier- und Antischlupfsysteme integriert werden, was die Anwendung bei Landfahrzeugen anbelangt.

Mit dem Begriff "Fahrzeuge aller Art" sind spurgebundene und nicht-spur­ gebundene Landfahrzeuge, wie z.B. Eisenbahnzüge, PKW′s, LKW′s und Omni­ busse, Wasserfahrzeuge, wie z.B. Tragflügelboote, Luftfahrzeuge, wie z.B. Flugzeuge und Hubschrauber, und Raumfahrzeuge, wie z.B. bemannte Raumfähren, angesprochen.

Das Hauptelement der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der elektrorheo­ logische Kraftsimulator. In diesem wird die wichtigste Eigenschaft einer elektrorheologischen Flüssigkeit ausgenützt, nämlich daß ihr Aggregats­ zustand bei Anlegen einer elektrischen Spannung von flüssig in fest übergeht. Der Übergang erfolgt nicht schlagartig, die Viskosität nimmt in einem bestimmten Feldstärkebereich linear mit der anliegenden elek­ trischen Feldstärke (Einheit: kV/mm) zu. Bei vorgegebenem Elektrodenab­ stand besteht also ein linearer Zusammenhang zwischen der Viskosität und der anliegenden Spannung. Elektrorheologische Flüssigkeiten bestehen aus einem Gemisch von mikroskopisch kleinen, porösen, polymeren Kunststoff­ teilchen, eingehüllt in eine Lösung aus synthetischem Öl und einer exakt dosierten Menge von Wasser. Sie haben eine dynamische Zähigkeit von etwa 50 cP bei 20°C, das Ansprechverhalten beträgt ca. 1 ms. Das Phänomen der Viskositätserhöhung läßt sich mit Spannungen zwischen 1,8 kV und 4 kV und Stromstärken zwischen 5 mA und 10 mA steuern, wobei maximale Scher­ spannungen von 7 kPa bis 10 kPa erreicht werden. Im Hinblick auf niedri­ ge elektrische Feldstärken (Energiebedarf) und ausreichende Kurzschluß­ sicherheit haben sich Elektrodenabstände von 0,5 bis 1 mm bewährt. Be­ achtlich ist die extreme Abhängigkeit des elektrischen Leistungsbedarfs von der Flüssigkeitstemperatur. Im Temperaturbereich von ca. 20°C bis ca. 80°C führt jede Temperaturerhöhung um 6 Grad zu einer Verdoppelung des Leistungsbedarfs. Das heißt, eine Temperaturerhöhung von 20°C auf 80°C erhöht den Leistungsbedarf um mehr als das Tausendfache. Deshalb wird es sehr wichtig sein, eine Vorrichtung zur Konstanthaltung der Tem­ peratur auf einem niedrigen Niveau vorzusehen. Nur auf diese Weise ist eine zuverlässige Kraftregelung ohne größere Schwankungen möglich.

Der Kraftsimulator 1 nach Fig. 1 besteht aus einer mit elektrorheologi­ scher Flüssigkeit B gefüllten Kolben-/Zylinder-Einheit. Die Kolbenstange 14 ist in beiden Stirnwänden des Zylinders 10 axialverschieblich gela­ gert und abgedichtet. Der Kolben 12 ist mit radialem Spiel von ca. 0,5 bis 1 mm in der mit dem Zylinder 10 verbundenen Buchse 16 angeordnet. Bei Axialbewegungen des Kolbens 12 entsteht eine Zwangsströmung zwischen dem Kolbenhemd und der Buchse 16, was durch einen Doppelpfeil angedeutet ist. Die Buchse 16 ist als Elektrode ausgeführt und gegenüber dem Zylin­ der 10 elektrisch isoliert. Die korrespondierende Elektrode ist der Kol­ ben 12 samt Kolbenstange 14 und Zylinder 10. Bei Führung der Kolbenstan­ ge in isolierenden Buchsen könnte der Zylinder als erste Elektrode, der Kolben als zweite Elektrode arbeiten. Es besteht auch die Möglichkeit, den Kolben mit einem isolierten, als Elektrode ausgeführten Kolbenhemd zu versehen. Wichtig ist nur, daß sich beiderseits des Strömungspfades flächige, gegeneinander isolierte Elektroden in kleinem Abstand gegen­ überstehen.

Die Ausführung nach Fig. 2 unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 1 in mehrfacher Hinsicht. Der Kolben 13 ist als Differentialkolben mit einseitiger Kolbenstange 15 ausgeführt. Dadurch lassen sich unterschied­ liche Kolbenstangenkräfte bei Zug oder Druck realisieren. Der Nachteil dabei ist, daß das ein- und ausfahrende Kolbenstangenvolumen kompensiert werden muß. In Fig. 2 ist ein gasgefülltes Ausgleichsvolumen 20 gezeigt, welches durch den verschiebbaren, abgedichteten Ausgleichskolben 21 von der elektrorheologischen Flüssigkeit 9 getrennt ist. Eine vergleichbare Kompensationsanordnung ist von Gasdruckstoßdämpfern her bekannt. Anstel­ le des Ausgleichskolbens 21 könnte auch eine dichte Membran eingebaut sein. Der Kolben 13 ist axialverschieblich und weitgehend dichtend in den Zylinder 11 eingepaßt. Auf diese Weise wird die elektrorheologische Flüssigkeit 9 gezwungen, bei Kolbenbewegungen durch die Bypassleitung 18 und die Ventilkammer 19 zu strömen. Die gezielte Viskositätsänderung vollzieht sich in der Ventilkammer 19, wobei der Stromfluß zwischen dem Gehäuse und der Elektrode 17 erfolgt. Zur Flächenvergrößerung konnen mehrere, paarweise zusammenwirkende Elektroden parallel zueinander ange­ ordnet sein.

Die Anordnung nach Fig. 3 ist beispielhaft für eine Anwendung in einem Kampfflugzeug, vorzugsweise für die Nickkraftsimulation. Mit dem Steuer­ knüppel 5 bewegt der Pilot - servounterstützt - eine oder mehrere, aero­ dynamisch wirksame Steuerflächen (z.B. Höhenruder), welche Drehbewegun­ gen des Flugzeuges um seine Querachse zur Folge haben (progressives Steigen, Fallen, Looping etc.). Der Steuerknüppel 5 ist zum einen mit dem Servosteuersystem (nicht dargestellt), zum anderen mit der Vorrich­ tung zur Nickkraftsimulation gekoppelt. Diese umfaßt als mechanische bzw. elektromechanische Komponenten den Not-Kraftsimulator 4 und den elektrorheologischen Kraftsimulator 3. Der Not-Kraftsimulator 4 sorgt für einen gewissen Mindeststeuerwiderstand bei Ausfall des elektrorheo­ logischen Systems und arbeitet beispielsweise rein mechanisch mit Feder­ kraft oder Reibung. Die Widerstandskraft des Kraftsimulators 3 wird in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern geregelt. Solche sind bei­ spielsweise der Staudruck (Fluggeschwindigkeit bzw. Anströmgeschwindig­ keit) , der statische Druck (Flughöhe), bei Flugzeugen mit Schwenkflügeln die Flügelstellung etc. Es besteht auch die Möglichkeit, in kritischen Bauteilen die Materialspannungen zu messen (z.B. mit Dehnmeßstreifen) und bei der Kraftsimulation zu berücksichtigen.

Die erfaßten strömungsmechanischen Druckwerte werden im Druckwandler 7 in elektrische Signale umgeformt, welche - ggf. mit weiteren Parameter­ werten - dem Rechner 6 zugeführt werden. Im vorliegenden Beispiel ist die Übermittlung zweier Staudrucksignale (gestrichelte Pfeile) und zwei­ er Statikdrucksignale (strichpunktierte Pfeile) dargestellt. Der Rechner 6 ist an zwei 28-V-Gleichstromkreise des Bordnetzes angeschlossen (Re­ dundanz) und kann auch die Stromversorgung des Druckwandlers 7 überneh­ men. Aus den eingegebenen Parameterwerten ermittelt das Rechnerprogramm die passende, zu simulierende Nickkraft und gibt diese in Form der ent­ sprechenden Elektrodenspannung an den elektrorheologischen Kraftsimula­ tor 3 weiter. Im Hinblick auf die Ausfallsicherheit ist es günstig, zu allen Schalt- und Stromkreisen jeweils einen redundanten Kreis vorzuse­ hen, wobei nach einem totalen Ausfall dieses Systems immer noch der Not-Kraftsimulator 4 wirksam ist.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Kraftsimulation in hand- oder fußbetätigten Ser­ vosteuersystemen von bemannten Fahrzeugen aller Art, insbesondere von Luftfahrzeugen, welche der Muskelkraft einen vom momentanen Bewegungs- bzw. Belastungszustand des Fahrzeugs abhängigen Widerstand entgegen­ setzt, mit mindestens einem manuellen Steuerorgan und mit mindestens ei­ nem auf das Steuerorgan einwirkenden Kraftsimulator, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kraftsimulator (1, 2, 3) einen abgedichteten, zusam­ menhängenden Hohlraum umschließt, daß der Hohlraum mit einer elektro­ rheologischen Flüssigkeit (8, 9) gefüllt ist, daß in dem Hohlraum minde­ stens ein bewegliches Element (Kolben 12, 13) zum Erzeugen einer Strö­ mungsbewegung angeordnet ist, daß das bewegliche Element (Kolben 12, 13) kinematisch mit dem Steuerorgan (Steuerknüppel 5) gekoppelt ist, daß im Strömungsbereich des Hohlraumes mindestens zwei flächige, in geringem Abstand angeordnete, gegeneinander isolierte Elektroden (17, Buchse 16) vorhanden sind, und daß dem Kraftsimulator (1, 2, 3) eine Steuereinheit (Rechner 6) zugeordnet ist, welche die an den Elektroden (17, Buchse 16) anliegende Spannung in Abhängigkeit vom momentanen Bewegungs- bzw. Bela­ stungszustand des Fahrzeuges regelt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftsimulator (1) im wesentlichen aus einem abgedichteten, mit elektro­ rheologischer Flüssigkeit (8) gefüllten Zylinder (10) besteht, in wel­ chem ein Kolben (12) axial verschiebbar gelagert ist, daß der Kolben (12) zur Erzeugung eines kreisringförmigen Strömungsquerschnittes mit radialem Abstand im Zylinder (10) läuft, daß der Zylinder (10) oder eine fest mit ihm verbundene Buchse (16) die eine Elektrode, der Kolben (12) oder eine mit ihm verbundene Buchse die zweite Elektrode bildet (Fig. 1).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftsimulator (2) im wesentlichen aus einem mit elektrorheologischer Flüssigkeit (9) gefüllten Zylinder (11) besteht, in welchen ein axial verschiebbarer Kolben (13) dichtend eingepaßt ist, daß die beiden durch den Kolben (13) getrennten Kammern über eine Bypassleitung (18) volume­ trisch verbunden sind, und daß die Bypassleitung (18) durch eine Ventil­ kammer (19) führt, in welcher mindestens zwei Elektroden (17, Ventilkam­ mer 19) angeordnet sind (Fig. 2).

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (14) entweder beiderseits des Kolbens (12) im Zylinder (10) gelagert ist, oder daß die Kolbenstange (15) nur von einer Seite zum Kolben (13) führt (Differentialkolben), wobei im Falle der einseiti­ gen Kolbenlagerung ein kompressibles Ausgleichsvolumen (20) zur Kompen­ sation des ein- bzw. ausfahrenden Kolbenstangenvolumens an die Flüssig­ keitsfüllung angrenzt.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der mittlere Elektrodenabstand ca. 0,5 bis 1 mm beträgt, und daß eine Vorrichtung zur Kühlung der elektrorheologi­ schen Flüssigkeit (8, 9) vorhanden ist, z.B. in Form eines Wärmetau­ schers.