DE60013219T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Minimierung von Torsionsbelastungen in einer drehenden Welle - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Minimierung von Torsionsbelastungen in einer drehenden Welle Download PDF

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    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64CAEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C29/00Aircraft capable of landing or taking-off vertically, e.g. vertical take-off and landing [VTOL] aircraft
    • B64C29/0008Aircraft capable of landing or taking-off vertically, e.g. vertical take-off and landing [VTOL] aircraft having its flight directional axis horizontal when grounded
    • B64C29/0016Aircraft capable of landing or taking-off vertically, e.g. vertical take-off and landing [VTOL] aircraft having its flight directional axis horizontal when grounded the lift during taking-off being created by free or ducted propellers or by blowers
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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Systeme, die zum Steuern von Drehwellen verwendet werden, und insbesondere Systeme, die zur Minimierung von Verdrehbelastungen an Drehwellen verwendet werden.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • In vielen industriellen Anwendungen ist es nicht unüblich, über eine relativ lange und flexible Antriebswelle zu verfügen, die von zwei oder mehr Motoren (für gewöhnlich zum Beispiel Elektro- oder Hydromotoren) angetrieben wird. Das Ziel ist, den Betrieb der Motoren zu synchronisieren, um einen "Kräftekonflikt" zwischen den Motoren zu vermeiden. Ein Kräftekonflikt ist ein Zustand, in dem die Motoren gegeneinander arbeiten. Dies ergibt sich für gewöhnlich aus einem Mangel an Synchronisierung bei den Motoren, kann aber auch auf die mechanischen Eigenschaften der Welle zurückzuführen sein. Wenn die Welle zum Beispiel relativ lang und flexibel ist, wird sie eher einem Kräftekonflikt zwischen mehreren Motoren ausgesetzt, die an sie gekoppelt sind. Kräftekonflikte sind aus zahlreichen Gründen unerwünscht. Erstens verringern sie die gesamte Leitungsübertragung von der Welle auf andere mechanische Geräte. Zum Beispiel ist es bei einem Luftfahrzeug, wie einem Tiltrotorluftfahrzeug, nicht unüblich, dass eine solche Welle bis zu zwanzig oder fünfundzwanzig Prozent ihrer Gesamtleistung durch Kräftekonflikte verliert. Zweitens können Kräftekonflikte Verdrehbelastungen an der Welle erzeugen, die die Welle beschädigen oder sogar brechen können. Im Allgemeinen sind Antriebswellen, die Kräftekonflikten ausgesetzt sind, auch einem verstärkten Auftreten von Ermüdungsbelastungen ausgesetzt, die im Allgemeinen zu einem Versagen des Teils führen.
  • Nach dem Stand der Technik wurden Versuche unternommen, um den Betrieb der Motoren, die die Welle antreiben, besser zu koordinieren, um Kräftekonflikte zu minimieren oder zu beseitigen. Diese Bemühungen waren nur mäßig erfolgreich. Wenn Hydromotoren an die Antriebswelle gekoppelt sind, wird eine Steuerung verwendet, um eine Reihe elektrischer Hydroventile (EHVs) einzeln zu steuern. Eine Sensorgruppe wird zum Erfassen übermäßiger Verdrehungen oder des Auftretens von Kräftekonflikten verwendet. Die Sensordaten werden als Eingabe zu einer Steuerung geleitet. Die Steuerung leitet Befehlssignale zu den elektrischen Hydroventilen, um den Betrieb der Hydromotoren zu moderieren, in dem Bemühen, die Verdrehbelastungen an der Welle auf Grund von Kräftekonflikten von Motoren, die leicht aus der Synchronisation sind, zu verringern oder zu minimieren. Ein zentrales Problem, das nach dem Stand der Technik auftritt, ist, dass bei komplexen mechanischen Systemen mit einer Vielzahl einzelner Teile die Betriebstoleranzen bei den einzelnen Teilen zusammenwirken, so dass ein weiter Bereich für einen Normalbetrieb für die Teile erhalten wird. Für die Sensorgruppe und Steuerung ist es schwierig, die Bedingungen, die das Vorhandensein unerwünschter Verdrehbelastungen in der Welle aufgrund von Kräftekonflikten zwischen Motoren anzeigen, exakt zu messen und rasch darauf zu reagieren.
  • In US-A-4 088 284 ist ein Steuersystem für eine längliche Antriebswelle mit hoher Drehzahl gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 beschrieben. Ein Verfahren zum Steuern einer länglichen Antriebswelle mit hoher Drehzahl gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 5 ist auch aus US-A-4 088 284 bekannt.
  • US-A-5 800 798 offenbart einen Steuermechanismus zum Bewegen einer Luftfahrzeugklappe, wobei eine Welle mit geringer Drehzahl zum Antreiben beider Enden der Klappe durch Drehstellglieder mit geringer Drehzahl und hohem Drehmoment verwendet wird, und zwei Positionstransponder neben Ausgangsgetrieben angeordnet sind, um Signale zu erzeugen, die die Position der Stellglieder anzeigen, wobei Kräftekonflikte in der drehenden Welle durch einen Vergleich der Messungen der zwei Transponder vermieden werden, wodurch die mehreren Motoren entsprechend eingestellt werden.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Steuersystem bereitzustellen, das das Auftreten von Kräftekonflikten zwischen Motoren minimiert oder behebt, die gemeinsam eine einzige Antriebswelle antreiben.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Steuersystem bereitzustellen, das einen einfachen numerischen Indikator für Verdrehungskräfte bereitstellt, die auf eine Antriebswelle wirken.
  • Es ist eine weitere, Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Steuersystem zur Verwendung in der Minimierung von Kräftekonflikten in einer drehenden Antriebswelle bereitzustellen, das elektrische Drehmelderkomponenten verwendet, um einen relativ einfachen, einzigen numerischen Indikator für Verdrehbelastungen an der Antriebswelle zu entwickeln.
  • Zu diesem Zweck ist das Steuersystem der Erfindung durch die Merkmale gekennzeichnet, die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 beansprucht sind, und die Erfindung stellt ein Verfahren gemäß dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 5 bereit.
  • Das Steuersystem gemäß der Erfindung umfasst im Grunde einen ersten Sensor zum mechanischen Koppeln an die längliche Antriebswelle an einer ersten Stelle zwischen den Pylon-Verstellgliedern zum Entwickeln eines ersten elektrischen Signals, das eine Größe einer Verdrehbelastung an der länglichen Welle anzeigt, und einen zweiten Sensor zum mechanischen Koppeln an die längliche Antriebswelle an einer zweiten Stelle zwischen den Pylon-Verstellgliedern zum Entwickeln eines zweiten elektrischen Signals, das die Größe einer Verdrehbelastung an der länglichen Welle anzeigt, wobei das erste und zweite elektrische Signal kombiniert werden, um einen numerischen Indikator der Verdrehbelastung an der länglichen Antriebswelle zu erhalten, wobei die Steuerung den numerischen Indikator zur Steuerung der mehreren Motorsysteme verwendet.
  • Die neuartigen Merkmale, die als kennzeichnend für die Erfindung angesehen werden, sind in den beiliegenden Ansprüchen dargelegt. Die Erfindung selbst jedoch, wie auch ein bevorzugter Verwendungsmodus, weitere Aufgaben und Vorteile werden am besten unter Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen verständlich, von welchen:
  • 1 eine perspektivische Ansicht eines Tiltrotor-Luftfahrzeuges in einem Flugzeug-Betriebsmodus ist.
  • 2 eine perspektivische Ansicht eines Tiltrotor-Luftfahrzeuges in einem Hubschrauber-Betriebsmodus ist.
  • 3 ein Blockdiagramm einer Methode nach dem Stand der Technik zur Steuerung eines Kräftekonflikts bei einer Antriebswelle eines V-22 Tiltrotor-Luftfahrzeuges ist.
  • 4 ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform eines Kräftekonflikt-Steuersystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
  • 5 ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform eines Kräftekonflikt-Steuersystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
  • 6 eine schematische Darstellung der mechanischen Komponenten der zweiten Ausführungsform des Kräftekonflikt-Steuersystems der vorliegenden Erfindung ist.
  • 7 ein elektrisches Schema eines Drehmelder-Transmitter/Transformator-Paares gemäß der ersten Ausführungsform des Kräftekonflikt-Steuersystems der vorliegenden Erfindung ist.
  • 8 ein Blockdiagramm des bevorzugten Kräftekonflikt-Steuersystems der vorliegenden Erfindung ist.
  • 9, 10, 11 und 12 graphische Darstellungen von beispielhaften Signalen sind, die von Drehmelder-Transformator- und Drehmelder-Transmitter-Paaren von 7 erzeugt werden.
  • Unter Bezugnahme auf 1 und 2 der Zeichnungen ist ein typisches Tiltrotor-Luftfahrzeug 11 dargestellt. Das Tiltrotor-Luftfahrzeug 11 hat ein Flugwerk 13 und Flügel 15a und 15b, die an das Flugwerk 13 gekoppelt sind. Wie üblich, enden die Flügel 15a und 15b mit Tiltrotoreinheiten 17a und 17b. Verkleidungen 18a und 18b zur Verringerung des Luftwiderstands sind zwischen den Tiltrotoreinheiten 17a und 17b und Flügeln 15a und 15b angeordnet. Die Tiltrotoreinheiten 17a und 17b enthalten jeweils einen Motor, eine Kraftübertragung und ein Getriebe zum Antreiben von Kipprotoren 19a und 19b, und ein Verstellglied zum Verstellen der Tiltrotoreinheiten 17a und 17b zwischen einen Flugzeugmodus, wie in 1 dargestellt, und einem Hubschraubermodus, wie in 2 dargestellt. Im Flugzeugmodus kann das Tiltrotor-Luftfahrzeug 11 wie ein herkömmliches propellerangetriebenes Luftfahrzeug mit feststehenden Flügeln geflogen und betrieben werden. Im Hubschraubermodus kann das Tiltrotor-Luftfahrzeug 11 wie ein herkömmliches Drehflügel-Luftfahrzeug oder ein herkömmlicher Hubschrauber abheben, schweben, landen und betrieben werden. Im Flug zeug-Flugmodus ist die Rotorscheibe im Wesentlichen quer zum Flugwerk positioniert; im Gegensatz dazu liegt im Hubschrauber-Flugmodus die Rotorscheibe im Wesentlichen parallel zum Flugwerk.
  • 3 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm des Steuersystems nach dem Stand der Technik, das beim V-22 Tiltrotor-Luftfahrzeug zum Erfassen und Minimieren von Kräftekonflikten zwischen zwei Hydromotoren 103, 105 bei einem Stellgliedgetriebe verwendet wird. Die Kräftekonflikte werden unter Verwendung eines komplexen Algorithmus des geschlossenen Regelkreises erfasst, der einen aufgezeichneten Stellgliedmotordruck zur Bestimmung der Lastverteilung zwischen den Motoren 103, 105 verwendet. Wegen der großen Änderungen im Motordruck und in den Getriebewirkungsgraden, die mit Änderungen in der Temperatur auftreten, ist das V22-Kräftekonflikt-Steuersystem bei geringen Temperaturen sehr ineffektiv. Wie in der Ansicht von 3 dargestellt, wird eine Steuerung 111 zur Bereitstellung von Steuersignalen zu elektrischen Hydroventilen (EHVs) 107, 109 verwendet. Das elektrische Hydroventil 107 wird zum Zuleiten von unter Druck stehender Hydraulikflüssigkeit zum Motor 105 verwendet. Das Steuersignal, das über die Steuerleitung 115 gesendet wird, erhöht oder senkt die Menge an Hochdruck-Hydraulikfluid, die durch das EHV 107 zum Motor 105 geleitet wird. Dasselbe gilt für den Motor 103. Die Steuerung 111 leitet Steuersignale über die Steuerleitung 117 zum EHV 109. Das EHV 109 erhöht oder senkt seinerseits die Menge an Hochdruck-Hydraulikfluid, die zum Motor 103 geleitet wird. Die Motoren 103, 105 arbeiten zur Drehung der Antriebswelle 101 bei relativ hohen Drehzahlen zusammen. Gemäß diesem Verfahren nach dem Stand der Technik wird der Hydraulikdruck in einem oder mehreren Motoren über Überwachungsleitungen 119 und 120 von der Steuerung 111 überwacht. Die Steuerung 111 enthält ein mathematisches Modell, das Druckinformationen von den Überwachungsleitungen 119, 120 gegenüber einer Größe einer Verdrehung oder eines Kräftekonflikts, die beziehungsweise der in der Antriebswelle 101 und den Antriebsmotoren 103, 105 vorliegt, aufzeichnet. Sie sendet Steuersignale über die Steuerungsleitungen 115, 117 zu den elektrischen Hydroventilen 107, 109, um die Hochdruck-Hydraulikfluids, die den Motoren 103, 105 zugeleitet werden, zu erhöhen oder zu verringern.
  • 4 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm der ersten Ausführungsform des Kräftekonflikt-Steuersystems der vorliegenden Erfindung. Wie dargestellt, ist eine relativ lange und flexible Antriebswelle 201 zur Übertragung der Leistung in einem mechanischen System, wie einem Tiltrotor-Luftfahrzeug, bereitgestellt. Mehrere Motoren sind physisch an die Antriebswelle 201 gekoppelt und drehen diese bei einer relativ hohen Drehrate. In der Ansicht von 4 sind als Beispiel die Motoren 203, 205 an die Antriebswelle 201 gekoppelt dargestellt. Es kann eine größere Zahl von Motoren an die Antriebswelle 201 gekoppelt sein. In der Ausführungsform von 4 sind die Motoren 203, 205 Hydromotoren, die als Reaktion auf den Empfang von Hochdruck-Hydraulikfluid drehen. In alternativen Ausführungsformen können die Motoren 203, 205 Elektromotoren umfassen oder jede andere geeignete Alternative. Wie in 4 dargestellt, sind elektrische Hydroventile 207, 205 bereitgestellt, um Hochdruck-Betätigungsfluid zu den Motoren 203, 205 zu leiten. Die elektrischen Hydroventile 207, 209 stehen unter der direkten Steuerung der Steuerung 211, die vorzugsweise ein Mikroprozessor oder eine industrielle Steuerung ist, die zur Ausführung von Programmbefehlen geeignet ist. Die Steuersignale werden über Steuerungsleitungen 223, 225 zu den elektrischen Hydroventilen 207, 209 geleitet. Die Antriebswelle 201 kann auch an eine oder mehrere Bremsen, wie die Bremse 213, gekoppelt sein, die zum Verlangsamen oder Anhalten der Drehung der Antriebswelle 201 verwendet wird. Die Bremse 213 kann unter der Steuerung der Steuerung 211 stehen oder kann unter der Steuerung eines anderen Systems oder Teilsystems in dem Luftfahrzeug stehen. Es können mehrere Bremsen bereitgestellt sein, die mechanisch und selektiv mit der Antriebswelle 201 in Eingriff gelangen, aber zur Vereinfachung dieser Darstellung wird eine einzige Bremse 213 gezeigt, die eine oder mehrere Bremsen oder Bremssysteme repräsentiert.
  • Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Zahnrädersatz 215, 219 mechanisch an die Antriebswelle 210 gekoppelt, um eine Überwachung der Antriebswelle 201 zu ermöglichen, so dass das Ausmaß und die Größe von Verdrehbelastungen an der Antriebswelle 201 bestimmt werden kann um festzustellen, ob Kräftekonflikte zwischen den Motoren 203, 205 auftreten oder nicht. Ein Transformator-Drehmelder 217 ist mechanisch an das Zahnräderwerk 215 an einem Teil oder Bereich der Antriebswelle 201 gekoppelt. Ein Transmitter-Drehmelder 221 ist an die Zahnräder 219 an einem anderen, unterschiedlichen Teil oder Bereich der Antriebswelle 201 gekoppelt. Der Transformator-Drehmelder 217 und der Transmitter-Drehmelder 221 leiten Überwachungssignale über Überwachungskanäle 227, 229 zur Steuerung 211. Die Steuerung 211 analysiert die Überwachungssignale, die vom Transformator-Drehmelder 217 und Transmitter-Drehmelder 221 geliefert werden, um festzustellen, ob besondere Steuersignale über Steuerungsleitungen 223, 225 zu den elektrischen Hydroventilen 207, 209 gesendet werden sollen. Die Steuerung 211 kann die Menge an Hochdruck-Hydraulikfluid erhöhen oder senken, die einem oder beiden Motoren 203, 205 zugeführt wird, um einen erfassten Kräftekonflikt zwischen den Motoren 203, 205 auszugleichen, der sich in einer erfassten Verdrehbelastung zeigt, die auf die Welle 201 wirkt. Während des Normalbetriebs wird die Antriebswelle 201 von den Motoren 203, 205 bei sehr hohen Drehzahlen gedreht, während der Transformator-Drehmelder 217 und der Transmitter-Drehmelder 221 kontinuierlich Verdrehbelastungen überwachen und Über wachungssignale zur Steuerung 211 leiten. Die Steuerung 211 leitet dynamisch und kontinuierlich Steuersignale zu den elektrischen Hydroventilen 207, 209, um die erfasste Verdrehbelastung an der Antriebswelle 201 auszugleichen.
  • Die Ausführungsform von 4 kombiniert Informationen, die vom Transformator-Drehmelder 217 und vom Transmitter-Drehmelder 219 erhalten werden, um einen einzigen numerischen Indikator der Größe der Verdrehung bereitzustellen, die in der Antriebswelle 201 erfasst wurde. Da eine redundante Steuerung eine wesentliche Anforderung in den meisten Flugsystemen ist, sollten vorzugsweise mindestens zwei separate Datenkanäle zur Überwachung von Verdrehbelastungen an der Antriebswelle 201 zur Verfügung stehen. 5 und 6 sind eine Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Kräftekonflikt-Steuersystems der vorliegenden Erfindung, das zwei unabhängige, separate Datenkanäle bereitstellt, um zwei unabhängige Messungen der Verdrehbelastung an der Antriebswelle 201 zu liefern. Dies stellt die notwendige und erwünschte Redundanz von Überwachungssignalen bereit, die für einen sicheren Flugbetrieb wesentlich ist.
  • Da viele der Komponenten der ersten Ausführungsform von 4 und der zweiten Ausführungsform von 5 und 6 gleich sind, werden, falls zutreffend, die gleichen Bezugszeichen verwendet, und neue Bezugszeichen werden zur Bezeichnung neuer Komponenten verwendet, die in der zweiten Ausführungsform eingeführt werden und die in der ersten Ausführungsform nicht vorhanden waren.
  • Unter Bezugnahme nun auf 5 ist die zweite Ausführungsform in Form eines Blockdiagramms dargestellt. Wie dargestellt, ist eine relativ lange und flexible Welle 201 als Teil einer Kraftübertragung des mechanischen Systems bereitgestellt. In der bevorzugten Ausführungsform wird die Welle in einem Tiltrotor-Luftfahrzeug verwendet; dennoch sind alternative gewerbliche Verwendungszwecke offensicht lich und möglich, einschließlich der Verwendung in Anlagen oder anderen gewerblichen Einrichtungen, die in keiner Weise mit Fahrzeugen oder Luftfahrzeugen in Zusammenhang stehen. Wie dargestellt, sind mehrere Motoren, einschließlich der Motoren 203, 205, mechanisch an die Welle 201 gekoppelt. In dieser Ausführungsform sind die Motoren Hydromotoren, aber in alternativen Ausführungsformen können Elektro- oder andere Motoren verwendet werden. Die Motoren 203, 205 arbeiten zur Drehung der Welle 210 bei hoher Drehrate. Den Motoren 203, 205 wird durch die elektrischen Hydroventile 207, 209 Hochdruck-Hydraulikfluid zugeführt. Wie bei der ersten Ausführungsform stehen die elektrischen Hydroventile 207, 209 unter der direkten Steuerung der Steuerung 111, die vorzugsweise ein Mikroprozessor oder eine industrielle Steuerung ist, die Befehlssignale zur Erhöhung oder Verringerung der Menge an Hochdruck-Hydraulikfluid liefert, das dem elektrischen Hydroventil 207, 209 während des Normalbetriebs zugeführt wird. Vorzugsweise stehen auch ein oder mehr Bremssysteme, wie die Bremsen 213, 214, in selektiver mechanischer Verbindung mit der Antriebswelle 201. Sie können zum Verlangsamen oder Anhalten der Drehung der Welle 201 entsprechend dem Bedarf der jeweiligen Anwendung verwendet werden. In dieser Ausführungsform sind zwei Zahnradsätze 21, 217 bereitgestellt, die eine Überwachung und Erfassung von Verdrehbelastungen ermöglichen, die auf die Antriebswelle 201 ausgeübt werden.
  • Wie in 5 dargestellt, wirken der Transformator-Drehmelder 217 und der Transmitter-Drehmelder 221 als Paar, um einen unabhängigen Datenkanal bereitzustellen, der einen einzigen numerischen Indikator für die Größe der Verdrehbelastung auf der Antriebswelle 201 liefert. Dies ist eine Differenzialmessung, da der Transformator-Drehmelder 217 eine Messung von einem Teil der Antriebswelle 201 liefert, während der Transmitter-Drehmelder 221 ein Signal von einem anderen, fern liegenden Abschnitt der Antriebswelle 201 liefert. In der Ausführungsform von 5 liefert ein zweiter unabhängiger Kanal auch einen einzelnen numerischen Indikator über die Größe der Verdrehbelastung auf der Antriebswelle 201. Insbesondere liefern der Transmitter-Drehmelder 251 und der Transformator-Drehmelder 253 gemeinsam einen separaten, unabhängigen numerischen Indikator der Verdrehbelastung auf der Antriebswelle 201. Der Transmitter-Drehmelder 251 ist mechanisch an die Antriebswelle 201 durch Zahnräder 215 gekoppelt, während der Transformator-Drehmelder 253 mechanisch an die Antriebswelle 201 durch Zahnräder 217 gekoppelt ist. Gemäß dieser besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liefert die Kombination von Signalen von dem Transformator-Drehmelder 217 und dem Transmitter-Drehmelder 221 einen unabhängigen einzelnen numerischen Indikator der Verdrehbelastung an der Antriebswelle 201, während der Transmitter-Drehmelder 251 und der Transformator-Drehmelder 253 einen anderen separaten und unabhängigen numerischen Indikator der Verdrehbelastung an der Antriebswelle 201 liefern.
  • Unter den meisten Bedingungen sollte der einzelne numerische Wert, der von jedem unabhängigen Kanal entwickelt wird, identisch sein. Sollte ein Teil des Geräts versagen, wäre ein einziger Kanal ausreichend, um den Betrieb fortzusetzen, bis Reparaturen durchgeführt werden können. Zusätzlich zu diesen zwei redundanten Kanälen können auch weitere Redundanzebenen hinzugefügt werden. Gemäß der Ausführungsform von 5 empfängt die Steuerung 111 Überwachungssignale vom Transformator-Drehmelder 217 und Transmitter-Drehmelder 251 von einem Teil der Antriebswelle 201 und empfängt auch Überwachungssignale vom Transformator-Drehmelder 253 und Transmitter-Drehmelder 251 von einem anderen Teil der Antriebswelle 201. Die Steuerung 111 kombiniert die Daten in einer Weise, die zwei unabhängige Messungen der Verdrehbelastung an der Antriebswelle 201 liefert.
  • 6 ist eine bildliche und schematische Darstellung der mechanischen Komponenten, die im Verbindungsantriebssatz 301 verwendet werden, der die Pylon-Verstellglieder 303, 305 mechanisch verbindet und zum Messen der Lastaufteilung zwischen den Pylon-Verstellgliedern 303, 305 verwendet wird. Wie in der Ansicht von 6 dargestellt, enden die Pylon-Verstellglieder 303, 305 an einem gegenüberliegenden Ende mit einem feststehenden Ansatz 307, 309. An jedem Pylon-Verstellglied 303, 305 ist eine teleskopische Kugelumlaufspindel 311, 313 bereitgestellt. Wie dargestellt, sind die mechanischen Systeme symmetrisch. Sie enthalten einen Kegelradgetriebesatz 315, Stirnraduntersetzungsgetriebe 317 und eine hydraulische Kupplung 319. Jeder Rotoreinheit ist ein Umlaufdifferenzial 321 zugeordnet. Jede wird mechanisch von einer primären hydraulischen Antriebseinheit 323 angetrieben und von einer primären hydraulischen Bremse 325 gebremst. Es ist auch ein Fernbremskolben 337 bereitgestellt. Ebenso ist eine hydraulische Reserve-Antriebseinheit 327 bereitgestellt, um die primäre hydraulische Antriebseinheit 232 zu unterstützen. Zusätzlich ist ein hydraulisches Reserve-Bremssystem 329 bereitgestellt, um das primäre hydraulische Bremssystem 325 zu unterstützen. Der Betrieb dieser Systeme wird durch einen Winkelverschiebungs-Messwertwandler 333 überwacht, der durch ein Stirnraduntersetzungsgetriebe 331 im Getriebe 337 mechanisch angekoppelt ist. Ein Chip-Detektor 335 ist zum Erfassen magnetischer Partikel im Getriebe bereitgestellt, die eine Beschädigung oder einen Abrieb anzeigen. Die Winkelposition des Pylon-Verstellgliedes 303 wird vom Winkelverschiebungs-Messwertwandler 341 überwacht. Die Position des Tiltrotors wird von Winkelverschiebungs-Messwertwandlern 351, 353, 355, 357 überwacht. Auf diese Weise hat jede Rotoreinheit ihre eigenen primären und Reserve-Antriebs- und Bremseinheiten. Der Betrieb der Tiltrotoren wird jedoch durch die Antriebswelle 301 koordiniert und Lasten werden gemessen und durch die Antriebswelle 301 ausgeglichen. Wie dargestellt, sind die Winkelver schiebungs-Messwertwandler 371, 373 durch Zahnräder 375, 377 an verschiedene Abschnitte der Antriebswelle 301 gekoppelt und werden zur Entwicklung elektrischer Signale verwendet, die das Ausmaß von Verdrehungen an der Antriebswelle 301 quantifizieren. Wie zuvor besprochen, sind die Winkelverschiebungs-Messwertwandler 371 und 373 zwei Paare von Transformator-Drehmelder/Transmitter-Drehmelder-Vorrichtungen, die elektrische Signale erzeugen, die zur Bereitstellung eines einzigen numerischen Indikators des Verdrehungsausmaßes an der Antriebswelle 301 verwendet werden können. Die Drehmelder-Transformator/Transmitter-Paare wurden zuvor besprochen, werden aber nun ausführlich besprochen.
  • 7 ist ein elektrisches Diagramm eines Drehmelder-Transformator/Transmitter-Paares. Wie dargestellt, ist der Drehmelder-Transmitter 401 elektrisch mit dem Drehmelder-Transformator 403 verbunden. Der Drehmelder-Transmitter 401 enthält eine primäre Wicklung 405, die eine zylindrische, zweiphasig, senkrechte Rotorwicklung ist. Die primäre Wicklung 405 ist induktiv an eine symmetrische, zweiphasige, senkrechte Statorwicklung 409 gekoppelt (in der Ansicht als Indikator 5153 und Indikator 5254 dargestellt). Der Drehmelder-Transmitter 401 erzeugt als Reaktion auf die Drehung einen Sinusausgang und einen Kosinusausgang. Die Ausgangsdaten geben die Winkelposition des Rotors an. Der Drehmelder-Transformator 403 verwendet eine symmetrische, zweiphasige, senkrechte Statorwicklung als primäre Wicklung 411 (in der Ansicht als Induktor S1–S3 und Induktor S2–S4 dargestellt), die induktiv an eine zylindrische einphasige Rotorwicklung 413 (Induktor R2–R4) gekoppelt ist. Transformator-Statoren 411 zur Drehmelder-Steuerung werden entweder durch einen Drehmelder-Transmitter-Stator- 409 oder eine Drehmelder-Differenzialrotorwicklung 413 erregt. Zur Verringerung von Belastungseffekten hat der Drehmelder-Steuerungstransmitter 403 Statorwicklungen mittlerer bis hoher Impedanz. Wenn der Drehmelder-Steue rungstransformator 401 mechanisch positioniert ist, werden einphasige elektrische Daten an der Rotorwicklung 413 generiert. Diese Ausgangsdaten sind zum Sinus der Differenz zwischen dem elektrischen Eingangswinkel des Drehmelder-Transmitters 401 oder dem Drehmelder-Differenzial- und dem Drehmelder-Steuerungstransformator-Rotorwinkel proportional. Wenn auf die Antriebswelle keine Verdrehbelastung wirkt, erzeugt der Drehmelder-Transformator einen Sinusausgang. Wenn im Gegensatz dazu keine Verdrehbelastung auf die Antriebswelle wirkt, erzeugt der Drehmelder-Transmitter einen Konsinusausgang. Die Kombination dieser Wellenformen ist im Wesentlichen ein Null-Ausgang. Bei maximalen Verdrehbelastungen jedoch (in dieser besonderen Ausführungsform kann nur ein Maximum von 10% Verdrehbelastung aufgezeichnet werden) werden die Ausgänge vom Drehmelder-Transformator und/oder Drehmelder-Transmitter verschoben, um die Signale zu addieren und einen Nicht-Null-Ausgang zu generieren. Experimente haben gezeigt, dass die Größe der Verdrehung zwischen Null Grad und zehn Grad Verdrehung im Wesentlichen linear ist. Daher erzeugen unterschiedliche Maße einer Phasenverschiebung der Sinus- und Kosinussignale einen additiven Ausgang (vorzugsweise RMS), der eine lineare Identifizierung der Größe der Verdrehung liefert. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Steuerung verwendet, um selektiv einen oder mehre Hydromotoren zu betätigen, um die erfasste Verdrehung zu mäßigen.
  • Unter erneuter Bezugnahme auf 7 wird ein Erregerstrom zu der primären Wicklung 405 des Drehmelder-Transmitters 401 geleitet. Der Erregerstrom ist 7 Volt RMS. In der Ansicht von 7 wird dieser zwischen den Kontaktstiften 1 und 2 des Drehmelder-Transmitters 401 angelegt. Die Frequenz des Erregersignals ist sehr hoch (Tausende Hertz). Der Drehmelder-Transmitter 401 generiert zwei Ausgänge. Ein Ausgang ist zwischen Ausgangsstiften 3 und 4 und stellt den Sinusausgang dar. Der Ausgang ist eine Funktion des Reizstroms, einer Konstante, und einem Sinus des Winkels. Der zweite Ausgang ist ein Kosinussignal, das zwischen den Kontaktstiften 5 und 6 entwickelt wird und das eine Funktion einer Konstante, des Erregerstroms, und dem Kosinus des Winkels ist. Die Sinus- und Kosinussignale werden zu Anschlüssen 3, 4, 5 und 6 des Drehmelder-Transformators 403 geleitet. Der Ausgang, der vom Drehmelder-Transformator 403 entwickelt wird, ist eine Funktion des Sinus und Kosinus des Winkels zwischen den Statoren und dem Rotor. Die Formel für den Ausgang ist in der Ansicht von 7 dargestellt. Im wesentlichen ist der Spannungsausgang von den Kontaktstiften 1 und 2 des Drehmelder-Transformators 403 eine Funktion des Sinus und Kosinus des Drehwinkels von einem Ende der Welle und des Sinus und Kosinus des Drehwinkels von dem anderen Ende der Welle. Auf diese Weise werden die Daten kombiniert, um einen einzigen Wert zu bestimmen, der die Größe der Verdrehung zwischen den zwei Enden der Welle anzeigt. Insbesondere wird das System zum Messen des Ausmaßes der Drehung an einem Ende der Welle in Bezug auf das andere verwendet, wobei jeweils in Bezug auf einen stabilen Bezugsrahmen, wie die Position des Flugwerks, gemessen wird. Zur Anzeige der Richtung der Verdrehung wird eine Polarität verwendet.
  • 8 ist ein Blockdiagramm, das das bevorzugte Steuersystem unter Verwendung der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie dargestellt, werden die linke Triebwerksgondelposition 492 und die rechte Triebwerksgondelposition bei dem Verbindungsantriebssatz VAS 513 angelegt. Die Position des Verbindungsgetriebesatzes 513 wird direkt vom VAS-Sensor 515 erfasst. Der Ausgang des VAS-Sensors 515 wird als Eingang zu einem Nachlaufverstärkungsmodul 517 geleitet, das eine Frequenzempfindlichkeitsverstärkung darstellt, die zum Beseitigen der Verdrehung im VAS verwendet wird. Das erhaltene Ausgangssignal wird durch ein Nachlaufgrenzwertmodul 519 begrenzt, das das Ausmaß der Maßnahmen steuert, die zum Ausgleich der zwei Triebwerksgondelpositionen verwendet werden können. Durch Gleichsetzen der Triebwerksgondel positionen wird die Verdrehung im VAS beseitigt. Einfach gesagt, die Verdrehung im VAS wird gemessen und das erhaltene Signal wird verwendet, um die rechte Triebwerksgondelposition anzuweisen, der linken Triebwerksgondelposition nachzufolgen, wodurch die Verdrehung im VAS beseitigt wird. Der Ausgang des Nachlaufgrenzwertmoduls 519 wird als Eingang zu dem Befehlseingang 521 für die rechte Triebwerksgondelposition geleitet. Der Befehlseingang 521 für die rechte Triebwerksgondelposition empfängt eine negative Rückkopplung vom Nachlaufgrenzwertmodul 519, empfängt aber auch eine negative Rückkopplung von der Stellgliedposition 523, die eine Anzeige der Stellgliedposition liefert, wie auch vom EHV-Positionsmodul 525, das eine Anzeige der EHV-Position liefert. Die drei negativen Rückkopplungsschleifen werden summiert und als Eingang zu dem Verstärkermodul 522 geleitet, das das Signal verstärkt und dieses als Eingang zu dem EHV (elektrischen Hydroventil) liefert, wobei sich die Position des elektrischen Hydroventils um fünf Prozent pro Milliamp-Eingabe ändert. Das elektrische Hydroventil wird als Eingang zu dem Motor 529 geleitet, der als Eingang zu den Getrieben 531 geleitet wird.
  • Die linke Triebwerksgondelposition wird von dem Stellgliedpositionsmodul 503 überwacht. Der Ausgang des Stellgliedpositionsmoduls 503 wird zu dem Befehlseingang 501 für die linke Triebwerksgondelposition geleitet. Ebenso sind zwei negative Rückkopplungsschleifen bereitgestellt. Die negative Rückkopplung wird vom Stellgliedpositionsmodul 503 bereitgestellt, aber es wird auch eine negative Rückkopplung vom EHV-Positionssensor 505 bereitgestellt. Das linke Triebwerksgondelpositionssignal wird mit einer negativen Rückkopplung kombiniert und als Eingang zu einem Verstärkermodul 502 geleitet. Der Ausgang von dem verstärkten Signal wird als Eingang zum EHV 507 geleitet. Der Ausgang vom EHV 507 wird als Eingang zum Motormodul 509 geleitet. Der Ausgang vom Motormodul 509 wird als Eingang zum Getriebemodul 511 geleitet.
  • 9, 10, 11 und 12 zeigen in vereinfachter Form vier erhaltene Ausgangssignale für vier verschiedene Verdrehbedingungen. 9A bis 9D zeigen eine Situation, in der das linke Ende plus fünfundzwanzig Grad gedreht und das rechte Ende minus fünfundzwanzig Grad von einem willkürlichen Referenzpunkt verdreht ist, woraus sich eine VAS-Verdrehung von fünfzig Grad ergibt. Die Darstellung ist dahingehend vereinfacht, dass das Erregersignal, das in 9A dargestellt ist, bei einer viel geringeren Frequenz dargestellt ist, als tatsächlich verwendet wird. Es gibt mehrere Größenordnungen in der Differenz zwischen der Frequenz des Erregersignals und der Drehrate der Welle. Das Erregersignal ist ein Erregersignal mit konstanter Amplitude, konstanter Frequenz mit relativ hoher Frequenz im Vergleich zur Drehrate der Welle.
  • 9B ist eine graphische Darstellung des Ausmaßes der Drehung am linken Ende der Welle in Bezug auf die Zeit. In dieser Ansicht stellt die X-Achse die Zeit in Sekunden dar, während die Y-Achse die Grad Drehung des linken Endes der Welle darstellt. 9C ist eine graphische Darstellung der Verdrehung am rechten Ende der Welle in Bezug auf die Zeit. Die X-Achse stellt die Zeit in Einheiten von Sekunden dar, während die Y-Achse die Grad Drehung darstellt, die am rechten Ende der Welle gemessen werden. 9D zeigt das Ausgangssignal, das von dem Steuersystem der vorliegenden Erfindung generiert wird. Wie dargestellt, stellt die X-Achse die Zeit in Sekunden dar, während die Y-Achse das Ausgangssignal in Volt darstellt. Die Amplitude des Ausgangssignals ist ein Maß der kumulativen Gröle der Verdrehung an der Welle. Die Polarität der Verdrehung ist durch den Phasenwinkel des Signals angezeigt. Wie in 9D dargestellt, gibt die Richtung, in die sich das Signal bewegt (positiv oder negativ), die Polarität der Information an. Wie in 9D dargestellt, gibt der positiv verlaufende Abschnitt 601 eine bestimmte Polarität an.
  • 10A, 10B, 10C und 10D sind mit der in 9A bis 9D dargestellten Situation identisch, mit Ausnahme der Polarität der Verdrehung. Wie dargestellt, ist der Phasenwinkel 180° in 10D von jenem in 9D phasenverschoben. Daher ist die Polarität anders. In 9D ist der negativ verlaufende Abschnitt 605 zur Veranschaulichung dieses Punktes identifiziert.
  • 11 und 12 zeigen verschiedene Größen der Verdrehung an einer Welle mit verschiedenen Polaritäten. In beiden 11 und 12 ist eine Gesamt-VAS-Verdrehung von 20° dargestellt. Wie dargestellt, sind die Amplituden des Ausgangssignals von 11D und 12D für die 20° VAS-Verdrehung repräsentativ. Die Signale sind jedoch 180° phasenverschoben, was eine unterschiedliche Polarität für die Verdrehung anzeigt.
  • Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf eine besondere Ausführungsform beschrieben wurde, soll die Beschreibung nicht in einschränkendem Sinne verstanden werden. Für den Fachmann sind unter Bezugnahme auf die Beschreibung der Erfindung verschiedenen Modifizierungen der offenbarten Ausführungsformen wie auch alternative Ausführungsformen der Erfindung offensichtlich. Es wird daher davon ausgegangen, dass die beiliegenden Ansprüche alle Modifizierungen oder Ausführungsformen abdecken, die in den Umfang der Erfindung fallen.

Claims (5)

  1. Steuersystem für eine längliche Antriebswelle mit hoher Drehzahl, die von mehreren Motorsystemen (203, 205, 323, 327) in einem Tiltrotor-Luftfahrzeug (11) gedreht wird, wobei die Motorsysteme (203, 205, 323, 327) zum Drehen der flexiblen und länglichen Antriebswelle (201, 301) bei hohen Drehzahlen zusammenwirken, und wobei das Tiltrotor-Luftfahrzeug (11) umfasst: ein Flugwerk (13), und zwei Flügelelemente (15a, 15b), die an das Flugwerk (13) gekoppelt sind, und zwei zusammenwirkende Tiltrotoreinheiten (17a, 17b), die von den zwei Flügelelementen (15a, 15b) getragen werden, wobei die Tiltrotoreinheiten (17a, 17b) von zwei Pylon-Verstellgliedern (303, 305) betätigt werden, die von den Motorsystemen (203, 205, 323, 327) angetrieben werden, um in mehreren Betriebsmoden zu arbeiten, zumindest umfassend: (1) einen Flugzeug-Flugmodus, wobei die zwei zusammenwirkenden Tiltrotoreinheiten (17a, 17b) eine Rotorscheibenposition herstellen, die im Wesentlichen quer zu dem Flugwerk (13) liegt, (2) einen Hubschrauber-Flugmodus, wobei die zwei zusammenwirkenden Tiltrotoreinheiten (17a, 17b) eine Rotorscheibenposition herstellen, die im Wesentlichen parallel zu dem Flugwerk (13) liegt, und (3) einen Übergangsflugmodus, wobei sich die zwei zusammenwirkenden Tiltrotoreinheiten (17a, 17b) zwischen dem Flugzeug-Flugmodus und dem Hubschrauber-Flugmodus bewegen, wobei sich die flexible und längliche, drehende Antriebswelle (201, 301) zwischen den zwei zusammenwirkenden Tiltrotoreinheiten (17a, 17b) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersystem umfasst: eine Steuerung (111, 211), die dazu ausgebildet ist, Befehlssignale an die mehreren Motorsysteme (203, 205, 323, 327) zu leiten, wobei die Befehlssignale eine Größe der Verdrehung anzeigen, die in der länglichen Welle (201, 301) vorhanden ist, mehrere Motor-Stellglieder (207, 209), zum Empfangen der Befehlssignale und zum Ausgleichen der Verdrehung in der flexiblen und länglichen Antriebswelle (201, 301), wobei die Motorstellglieder (207, 209) an die Motorsysteme (203, 205, 323, 327) gekoppelt sind, einen ersten Sensor (217, 251, 371) zum mechanischen Koppeln an die längliche Antriebswelle (201, 301) an einer ersten Stelle (215) zwischen den Pylon-Verstellgliedern (303, 305) zum Entwickeln eines ersten elektrischen Signals, das eine Größe der Winkelverschiebung anzeigt, die an der ersten Stelle an der länglichen Antriebswelle (201, 301) vorhanden ist, und einen zweiten Sensor (221, 253) zum mechanischen Koppeln an die längliche Antriebswelle (201, 301) an einer zweiten Stelle (219) zwischen den Pylon-Verstellgliedern (303, 305) zum Entwickeln eines zweiten elektrischen Signals, das eine Größe der Winkelverschiebung anzeigt, die an der zweiten Stelle an der länglichen Antriebswelle (201, 301) vorhanden ist, wobei das erste und zweite elektrische Signal kombiniert werden, um einen numerischen Indikator der Ver drehbelastung an der länglichen Antriebswelle (201, 301) bereitzustellen, wobei die Steuerung (111, 211) den numerischen Indikator zur Steuerung der mehreren Motorsysteme (203, 205, 323, 327) verwendet.
  2. Steuersystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es mehrere Einheiten (215, 217, 251, 219, 221, 253) zum Generieren mindestens eines Signals umfasst, das die Größe der Verdrehung an der flexiblen und länglichen Antriebswelle (201, 301) anzeigt, und dass die Steuerung (111, 211) das mindestens eine Signal von den mehreren Einheiten (215, 217, 251, 219, 221, 253) zum Steuern der mehreren Motorstellglieder (207, 209) empfängt.
  3. Steuersystem gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Signal einen einzigen numerischen Indikator für die Verdrehung an der flexiblen und länglichen Antriebswelle (201, 301) umfasst.
  4. Steuersystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible und längliche Antriebswelle (201) eine Welle (301) für einen Verbindungsantriebssatz (315) umfasst.
  5. Verfahren zum Steuern einer länglichen Antriebswelle mit hoher Drehzahl (201, 301), die von mehreren Motorsystemen (203, 205, 323, 327) in einem Tiltrotor-Luftfahrzeug (11) gedreht wird, wobei das Tiltrotor-Luftfahrzeug (11) umfasst: ein Flugwerk (13), zwei Flügelelemente (15a, 15b), die an das Flugwerk (13) gekoppelt sind, und zwei zusammenwirkende Tiltrotoreinheiten (17a, 17b), die von den zwei Flügelelementen (15a, 15b) getragen werden, wobei die Tiltrotoreinheiten (17a, 17b) von zwei Pylon-Verstellgliedern (303, 305) betätigt werden, die von den Motorsystemen (203, 205, 323, 327) angetrieben werden, um in mehreren Betriebsmoden zu arbeiten, zumindest umfassend: (1) einen Flugzeug-Flugmodus, wobei die zwei zusammenwirkenden Tiltrotoreinheiten (17a, 17b) eine Rotorscheibenposition herstellen, die im Wesentlichen quer zu dem Flugwerk (13) liegt, (2) einen Hubschrauber-Flugmodus, wobei die zwei zusammenwirkenden Tiltrotoreinheiten (17a, 17b) eine Rotorscheibenposition herstellen, die im Wesentlichen parallel zu dem Flugwerk (13) liegt, und (3) einen Übergangsflugmodus, wobei sich die zwei zusammenwirkenden Tiltrotoreinheiten (17a, 17b) zwischen dem Flugzeug-Flugmodus und dem Hubschrauber-Flugmodus bewegen, wobei sich die flexible und längliche, drehende Antriebswelle (201, 301) zwischen den zwei zusammenwirkenden Tiltrotoreinheiten (17a, 17b) erstreckt, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch das: Bereitstellen einer Steuerung (111, 211), die dazu ausgebildet ist, Befehlssignale an die mehreren Motorsysteme (203, 205, 323, 327) zu leiten, wobei die Befehlssignale eine Größe der Verdrehung anzeigen, die in der länglichen Welle (201, 301) vorhanden ist, und Empfangen der Befehlssignale über mehrere Motor-Stellglieder (207, 209), die an die Motorsysteme (203, 205, 323, 327) gekoppelt sind, zum Ausgleichen der Verdrehung in der flexiblen und länglichen Antriebswelle (201, 301), Bereitstellen eines ersten Sensors (217, 251, 371), der mechanisch an die längliche Antriebswelle (201) an einer ersten Stelle (215) zwischen den Pylon-Verstellgliedern (303, 305) gekoppelt ist, zum Entwickeln eines ersten elektrischen Signals, das eine Größe der Winkelverschiebung anzeigt, die an der ersten Stelle an der länglichen Antriebswelle (201, 301) vorhanden ist, und Bereitstellen eines zweiten Sensors (221, 253, 373), der mechanisch an die längliche Antriebswelle (201, 301) an einer zweiten Stelle (219) zwischen den Pylon-Verstellgliedern (303, 305) gekoppelt ist, zum Entwickeln eines zweiten elektrischen Signals, das eine Gröle der Winkelverschiebung anzeigt, die an der zweiten Stelle an der länglichen Antriebswelle (201, 301) vorhanden ist, Verwenden des ersten und zweiten elektrischen Signals, um einen numerischen Indikator der Verdrehbelastung an der länglichen Antriebswelle (201, 301) bereitzustellen, und Leiten des numerischen Indikators zu der Steuerung (111, 211) zur Steuerung der mehreren Motorsysteme (203, 205, 323, 327).
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