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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf ein Gelenkgetriebe zur Ankopplung einer Last an einen Motor.
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Die US-A-1 964 900 beschreibt ein
mechanisches Getriebe, das aus einer Reihe von Lenkern besteht,
die über
mehr als drei Drehzapfen schwenkbar miteinander verbunden sind.
Ein Lenker wird durch einen Antrieb bewegt. Ein angetriebenes Element
ist schwenkbar über
Verbindungsmittel mit einem Punkt am Lenker verbunden, der durch
den Antrieb bewegt wird. Die Verbindungsmittel haben eine Länge, die
im Wesentlichen gleich ist dem Radius der Krümmung eines Teils einer geometrischen
Ortskurve, die durch einen Punkt auf dem Lenker beschrieben wird,
der durch den Antrieb bewegt wird, um dadurch eingeschaltete Stillstandszeiten
zu erzeugen. Es gibt hierin keine Anregung zur Benutzung für die Knüppelsteuerung
eines Flugzeugs.
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Im typischen Fall kann ein Motor
direkt mit einer Last gekuppelt werden, die direkt in Abhängigkeit von
dem vom Motor erzeugten Drehmoment drehbar ist. Stattdessen kann
der Motor mit der Last unter Benutzung einer einfachen Kurbel-Lenkeranordnung derart
verbunden sein, dass Motor und Last nicht eng nebeneinander angeordnet
werden müssen
und andere Mechanismen und Sensoren zwischen dem Motor und der Last
innerhalb der Kurbel-Lenkeranordnung installiert werden können. Ein
weiterer Vorteil der Kurbel-Lenkeranordnung besteht darin, dass eine
gewisse mechanische Kraftverstärkung
zwischen Motor und Last erhalten werden kann, indem eine kurze Kurbel
mit dem Motor und ein längerer Lenker
zwischen Last und Kurbel angeordnet werden. Ein Nachteil dieser
einfachen Kurbel-Lenkeranordnung besteht jedoch darin, dass diese
Anordnung nur über
einen begrenzten Drehwinkel von beispielsweise bis zu ±60° arbeiten
kann. Das heisst, der Drehwinkel des Motors oder der Last kann niemals ±90° erreichen.
Dies steht im Gegensatz zu einer Anordnung, bei der der Motor direkt
mit der Last gekoppelt ist und daher in der Lage ist, eine kontinuierliche Drehung
durchzuführen,
d. h. Motor oder Last können
sich über ±360° bewegen.
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Um daher eine verbesserte mechanische Kraftverstärkung durch
eine direkte Koppelanordnung zu erreichen und eine kontinuierliche
Drehung von Motor und Last zuzulassen, ist es üblich, ein geeignetes Radgetriebesystem
zwischen Motor und Last vorzusehen. Bei Sicherheits-kritischen Anwendungen
jedoch, beispielsweise bei Anwendung in einem Raumfahrzeug, ist
die Benutzung von Radgetriebesystemen unzulässig, da dies zu einer Verklemmung
oder einer physikalischen Fehlfunktion der Getriebekette führen kann.
Obgleich ein Radgetriebesystem die zweckmäßigste Anordnung einer Kopplung
zwischen Motor und Last zu sein scheint, ist eine Benutzung aus
Sicherheitserwägungen
nicht zulässig.
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Gemäß der Erfindung ist eine Gelenkgetriebe
vorgesehen, das einen Teil der aktiven Knüppelsteuerung in einem Flugzeugcockpit
darstellt und gekennzeichnet ist durch die folgenden Merkmale: ein Motor
mit einer Antriebswelle erzeugt ein Drehmoment für die Antriebswelle, eine Kurbel
ist an einer ersten Lagerstelle an der Antriebswelle befestigt,
ein Lenker ist schwenkbar mit einer ersten Lagerstelle an einer
zweiten Lagerstelle der Kurbel angelenkt und er ist mit einer zweiten
Lagerstelle an einer Last befestigt, wobei der Lenker eine zwischen
der ersten Lagerstelle und der zweiten Lagerstelle befindliche Zwischen-Schwenklagerstelle
aufweist, ein Arm ist schwenkbar an einer ersten Lagerstelle der
Zwischen-Schwenklagerstelle
angelenkt und er ist schwenkbar mit einer zweiten Lagerstelle an
einer Verankerungsstelle angelenkt, die relativ zu der ersten Lagerstelle
der Kurbel fixiert ist.
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Auf diese Weise kann ein Motor mit
einer Last gekuppelt werden, ohne ein Radgetriebesystem zu benutzen,
und das Gelenkgetriebe besitzt eine verbesserte mechanische Kraftverstärkung gegenüber einer
herkömmlichen
Kurbel-Lenkeranordnung oder
einer direkten Kopplungsverbindung zwischen Motor und Last. Außerdem kann
das Gelenkgetriebe einen größeren Drehwinkel
umfassen, als dies bei bekannten Kurbel-Lenkeranordnungen möglich war, d.
h. der Motor kann einen Drehwinkel von mehr als ±270° erzeugen.
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Der Lenker kann von ersten und zweiten Schenkeln
auf beiden Seiten der dazwischen liegenden Schwenklagerstelle aufweisen,
und der erste Schenkel kann gegenüber dem zweiten Schenkel unter
einem Winkel angestellt sein.
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Die Abmessungen der Kurbel, des Lenkers, des
Armes und der jeweiligen Lagerstellen der Kurbel des Lenkers und
des Armes können
so angeordnet werden, dass die zweite Lagerstelle des Lenkers, die an
der Last festlegbar ist, eine im Wesentlichen gerade Linie beschreibt,
während
sich die Antriebswelle des Motors bewegt.
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Auf diese Weise beschreibt die zweite
Lagerstelle des Lenkers eine im Wesentlichen gerade Linie derart,
dass eine an der zweiten Lagerstelle festgelegte Last sich ebenfalls
auf einer im Wesentlichen geraden Linie bewegt, wenn die zweite
Lagerstelle veranlasst wird, sich zwischen zwei vorbestimmten Grenzwerten
des Gelenkgetriebes durch Drehung der Antriebswelle des Motors zu
bewegen.
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Vorzugsweise ist der Motor ein Drehmomentmotor.
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Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben. In der
Zeichnung zeigen:
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1 veranschaulicht
ein Gelenkgetriebe in Seitenansicht, welches gemäß der Erfindung ausgebildet
ist;
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2 veranschaulicht
eine erste Stellung des Gelenkgetriebes gemäß 1;
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3 veranschaulicht
eine zweite Stellung des Gelenkgetriebes gemäß 1;
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4 veranschaulicht
eine dritte Stellung des Gelenkgetriebes gemäß 1, und
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5 veranschaulicht
die erste, zweite und dritte Stellung gemäß 2 bis 4 übereinanderliegend.
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Gemäß 1 weist ein Gelenkgetriebe 10 einen
Motor 11 auf, der an seiner Antriebswelle 12 ein
Drehmoment erzeugt. Der Motor 11 kann ein Drehmomentmotor
sein, der ein hohes Drehmoment insbesondere dann erzeugt, wenn die
Antriebswelle 12 stationär ist.
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Eine Kurbel 13 ist mit einem
ersten Ende 15 an der Antriebswelle 12 an einer
ersten Lagerstelle 14 festgelegt. Am zweiten Ende 17, dem
ersten Ende 15 gegenüberliegend,
befindet sich eine zweite Lagerstelle 16. Ein Lenker 18 ist
schwenkbar an einer ersten Lagerstelle 19 an einem ersten
Ende 20 des Lenkers 18 an der zweiten Lagerstelle 16 der
Kurbel 13 angelenkt. An einem zweiten Ende 22 des
Lenkers 18, das entfernt von dem ersten Ende 20 liegt, ist
eine zweite Lagerstelle 21 vorgesehen. Am Lenker 18 ist über die
zweite Lagerstelle 21 des Lenkers 18 eine Last
befestigt.
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Der Lenker 18 besitzt eine
Zwischen-Schwenklagerstelle 23, die zwischen der ersten
und zweiten Lagerstelle 19 und 21 liegt. Der Lenker 18 besteht
aus einem ersten Schenkel 24 und einem zweiten Schenkel 25,
die von der Zwischen-Schwenklagerstelle 23 verlaufen.
Der erste Schenkel 24 ist gegenüber dem zweiten Schenkel 25 im
Winkel Φ angestellt.
Der erste Schenkel 24 trägt die erste Lagerstelle 19 und
der zweite Schenkel 25 trägt die zweite Lagerstelle 21.
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Ein Arm 26 ist schwenkbar
mit einer ersten an einem ersten Ende 28 des Armes 26 liegenden Lagerstelle 27 mit
der Zwischen-Schwenklagerstelle 23 verbunden, und er ist
mit einer zweiten Lagerstelle 29 an einem vom ersten Ende 28 entfernt
liegenden zweiten Ende 30 mit einem festen Verankerungspunkt 31 verbunden.
Es ist klar, dass der Motor 11 feststeht und dass die zweite
Lagerstelle 29 des Armes 26 gegenüber der
ersten Lagerstelle 14 der Kurbel 13 fixiert ist.
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In den 2 bis 4 sind die den Teilen gemäß 1 entsprechenden Teile mit
gleichen Bezugszeichen versehen. Im Betrieb erzeugt der Motor 10 ein Drehmoment
an seiner Antriebswelle 12, welches die Winkelstellung
der Kurbel 13 steuert, die an der Antriebswelle an einer
ersten Lagerstelle 14 der Kurbel 13 festgelegt
ist. Das zweite Ende 17 der Kurbel 13 beschreibt
eine Kreisbewegung um die erste Lagerstelle 14, was wiederum
den an der zweiten Lagerstelle 16 der Kurbel 13 über die
erste Lagerstelle 19 befestigten Lenker 18 zu
einer Schwenkbewegung veranlasst.
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Die Bewegung des Lenkers 18 wird
durch den Arm 26 erzwungen, der zwischen der Zwischen-Schwenklagerstelle 23 und
dem festen Verankerungspunkt 31 bzw. der ersten Lagerstelle 27 und der
zweiten Lagerstelle 29 des Armes 26 befestigt
ist.
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Wenn sich die Antriebswelle 12 dreht,
dreht sich die Kurbel 13 und bewirkt, dass sich der Lenker 18 in
einer Weise bewegt, die durch die Positionen von Kurbel 13 und
Arm 26 erzwungen sind. Die verschiedenen Positionen des
Lenkers 18 sind in den 2 bis 4 für verschiedene Winkelversetzungen der
Kurbel 13 dargestellt, die entweder durch Uhrzeigersinn-Drehung
oder Gegenuhrzeigersinn-Drehung erhalten werden, welche durch den
Doppelkopfpfeil 32 der Antriebswelle 12 gekennzeichnet
sind. Daraus folgt, dass die Position der an der zweiten Lagerstelle bei 21 des
Lenkers 18 befestigten Last ebenfalls durch die Lage der
Kurbel 13 bestimmt wird.
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Die 2 veranschaulicht
das Gelenkgetriebe 10 in einer Mittelstellung, d. h. die
Kurbel 13 kann entweder im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn
gedreht werden, wie dies durch den Doppelkopfpfeil 32 angedeutet
ist. Wenn gemäß 3 die Kurbel 13 im Gegenuhrzeigersinn
gedreht wird, wie dies durch den Pfeil 33 angegeben ist,
dann bewegt sich die zweite Lagerstelle 21 des Lenkers 18 nach
hinten, wie durch den Pfeil 34 angegeben, d.h. von links nach
rechts gemäß 3 in Richtung nach hinten. Wenn
gemäß 4 die Kurbel 13,
wie durch den Pfeil 35 angedeutet, im Uhrzeigersinn gedreht
wird, dann bewegt sich die zweite Lagerstelle 21 des Lenkers 18 nach
vorn, wie durch den Pfeil 36 angedeutet, d. h. von rechts
nach links gemäß 4 nach einer vorderen Stellung.
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Wie aus den 3 und 4 bestimmt
werden kann, ist die Kurbel 13 in der Lage, sich über einen Winkelbereich
von mehr als ±270° zu drehen.
Diese Winkelbewegung repräsentiert
eine wesentliche Verbesserung gegenüber einer Kurbel-Lenkeranordnung gemäß dem Stande
der Technik. Die Verbesserung der Winkelbewegung ergibt auch eine
größere mechanische
Verstärkung
zwischen Motor und Last.
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In 5 wurden
gleiche Bezugszeichen wie in den 1 bis 4 benutzt. Eine vordere Stellung 37 ist
voll ausgezogen dargestellt, eine mittlere Stellung 38 ist
strichliert dargestellt und eine hintere Stellung 39 ist
strichpunktiert angedeutet. Es ist ersichtlich, dass die räumliche
Lage der zweiten Lagerstelle 21 und demgemäß der Last
(nicht dargestellt), die daran befestigt ist, sich etwa horizontal
während
der Winkeldrehung der Kurbel 13 bewegt, wie dies durch
die Pfeile 34 und 35 angegeben ist, d. h. es findet
eine Drehbewegung zwischen der vorderen Stellung 37 und
der hinteren Stellung 39 statt. Dieses Merkmal ist jedoch
von der Wahl der relativen Dimensionen von Kurbel 13, Lenker 18 und
Arm 26 abhängig
und außerdem
von den jeweiligen Abständen
der Lagerstellen 14 und 16 der Kurbel 13,
den Lagerstellen 19, 21 und 23 des Lenkers 18,
deren Lage wiederum den Winkel Φ zwischen
den beiden Schenkeln 24, 25 des Lenkers 18 bestimmt
und von den Lagerstellen 27 und 29 des Armes 26 abhängig ist.
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Ein Gelenkgetriebe 10, wie
dies beschrieben wurde, kann als Teil einer aktiven Knüppelsteuerung in
einem Flugzeug benutzt werden. Herkömmliche Flugzeuge benutzen
einen Steuerknüppel
oder mehrere Steuerknüppel
in Verbindung mit mechanischen Gestängen, um die verschiedenen
Ruderflächen
eines Flugzeugs zu steuern. Im Hinblick auf eine Tendenz zur Verdrahtung
eines Flugzeugs werden die mechanischen Gelenkgetriebe elektronisch
verwirklicht, indem Drahtverbindungen und Antriebe benutzt werden.
Ein aktiver Steuerknüppel
schafft nicht nur ein geeignetes elektrisches Interface mit den
Drahtverbindungen, die bei der Verdrahtung eines Flugzeugs benutzt
werden, sondern der Steuerknüppel bildet
auch Mittel zur Steuerung der Kraftcharakteristik und der Ortscharakteristik
unter Benutzung des Motors 11 des Mechanismus 10,
d. h. die Kraft, die vom Motor 11 erzeugt wird, kann benutzt
werden, dem Verwender ein künstliches
Steuergefühl
zu vermitteln.
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Wenn der Mechanismus 10 als
aktiver Steuerknüppel
benutzt wird, dann übt
der Benutzer, gewöhnlich
der Pilot, eine Kraft auf die zweite Lagerstelle 21 des
Lenkers 18 aus. Diese Kraft wird von einem oder mehreren
Kraftsensoren festgestellt (nicht dargestellt), die an geeigneten
Stellen zwischen dem Steuerknüppel,
der an der Lagerstelle 21 am Lenker 18 befestigt
ist und dem Lenker 18 installiert ist. Der Motor 11 wird
in der Weise gesteuert, dass der Lenker 18 zwischen der
vorderen Stellung 37 und der hinteren Stellung 39 positioniert
wird, wie dies in den 4 bzw. 3 angegeben ist, um die gewünschte Steuergefühl-Charakteristik
zu liefern, wodurch der Pilot ein Gefühl für die Bewegung des Flugzeugs
erhält.
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Eine geeignete Einstellung der Kraftabfühl-Charakteristik
des aktiven Steuerknüppels über den
Motor 11 gemäß einem
oder mehreren Sensoren, die die Bewegung des Flugzeugs überwachen, liefert
dem Piloten über
den Steuerknüppel
eine Rückführung (künstliches
Steuergefühl),
welches im Wesentlichen gleich ist dem Steuergefühl, das ein herkömmlicher
Steuerknüppel
liefert.
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Die Erfindung wurde als Teil eines
aktiven Steuerknüppels
beschrieben. Es ist jedoch klar, dass ein solcher aktiver Steuerknüppel auch
bei einem Raumfahrzeug benutzt werden kann. Es ist klar, dass die
Erfindung eine hohe Integrität
ermöglicht,
indem ein Radgetriebesystem wegfallen kann.