DE60022609T2

DE60022609T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Antrieb eines Flugzeuggenerators mit konstanter Geschwindigkeit

Info

Publication number: DE60022609T2
Application number: DE60022609T
Authority: DE
Inventors: Tatsuhiko Kobe-shi Goi; Koji Tarumi-ku Kawakami; Kenichiro Kobe-shi Tanaka; Takayuki Akashi-shi Isano; Hisashi Fujisawa-shi Machida; Hiroyuki Fujisawa-shi Ito; Shinji Fujisawa-shi Miyata
Original assignee: NSK Ltd; Kawasaki Heavy Industries Ltd; Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: NSK Ltd; Kawasaki Heavy Industries Ltd; Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 1999-12-01
Filing date: 2000-12-01
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2020-12-02
Also published as: US6561940B2; JP3440287B2; CA2327114A1; JP2001158400A; US20010003108A1; DE60022609D1; EP1106870B1; EP1106870A3; EP1106870A2; CA2327114C

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Antreiben eines Flugzeug-Stromgenerators mit konstanter Drehzahl. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren, um mittels der Abtriebsleistung des Flugzeugtriebwerkes einen Flugzeug-Stromgenerator ungeachtet der Triebwerksdrehzahl mit einer festen Betriebsdrehzahl anzutreiben, und eine Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung zur Ausführung des Verfahrens.
Beschreibung der verwandten Technik
In einem Flugzeug, beispielsweise einem Passagierdüsenflugzeug, wird ein Generator durch die Drehabtriebsleistung des Hauptmotors (Triebwerks) angetrieben, um einen Wechselstrom (drei Phasen, 115 V, 400 Hz) zum Betrieb der elektrischen Einrichtungen des Beleuchtungssystems, der Klimaanlage, des Enteisungssystems und dergleichen zu erzeugen. Der Schub eines Strahltriebwerks wird dadurch eingestellt, dass die Triebwerksdrehzahl in geeigneter Weise angepasst wird, und im Allgemeinen ändert sich die Triebwerksdrehzahl gemäß der Schubänderung. Daher wird eine Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung (CSD), die in der Lage ist, die veränderliche zugeführte Drehzahl des Triebwerks auf eine feste Drehzahl zum Antreiben des Generators anzupassen, benötigt, um aus der veränderlichen Abtriebsdrehzahl des Strahltriebwerks einen Wechselstrom von festgelegter Frequenz, beispielsweise 400 ± 7 Hz wie in MIL-STD-704E spezifiziert, zu erzeugen. Überwiegend werden einen integrierten Antrieb (= Getriebe) aufweisende Generatoren (IDGs) als Flugzeug-Stromgeneratoren verwendet. Der Generator mit integriertem Antrieb ist durch Kombinieren einer Konstantdrehzahl-Antriebseinrichtung und eines Generators aufgebaut.
Derartige integrierte Generatoren sind in den japanischen Patentpublikationen Nrn. 7780/1980, 7781/1980 und 7782/1908 offenbart, welche ein durch das Triebwerk angetriebenes Differenzialgetriebe, eine hydraulische Verdrängungspumpe mit Motor und eine Steuerschaltung aufweist, die durch einen Regler betätigt wird, um das Volumen der hydraulischen Verdrängungspumpe zu verändern. Die hydraulische Verdrängungspumpe ist eine ölhydraulische Pumpe. Der Generator wird mit einer festen Drehzahl angetrieben, dadurch dass die Abtriebsdrehzahl des Differenzialgetriebes durch die ölhydraulische Pumpe und einen Hydromotor gesteuert wird.
Da es sich jedoch bei der ölhydraulischen Pumpe und den Hydromotor um eine Kolbenpumpe und einen Kolben-Hydromotor handelt, weist die Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung des Standes der Technik die folgenden Nachteile auf:

(1) Da die Kolbenpumpe und der Kolben-Hydromotor mit Kolben ausgerüstet sind, die in den Zylindern eine Hin- und Herbewegung ausführen, ist das Auftreten von Kolbenklemmern wahrscheinlich, Dichtungen unterliegen Ermüdungsversagen und Verschleiß und verfügen über nicht zufriedenstellende Zuverlässigkeit. Im Übrigen beträgt bei einem geforderten außerplanmäßigen Austauschabstand (MTBUR) von 15.000 h der tatsächliche mittlere Rüstzeitabstand 5.000 h oder weniger.
(2) Da die Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung hauptsächlich hydraulische Leistung nutzt, beträgt der Leistungsübertragungswirkungsgrad der Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung lediglich ungefähr 65%, was den Treibstoffverbrauch des Flugzeuges erhöht. Bei einem Flugzeug mittlerer Größe von 150 Passagieren erhöht die Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung den Treibstoffverbrauch um ungefähr 1%.
(3) Der komplizierte Mechanismus der Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung des Standes der Technik beeinträchtigt die Zuverlässigkeit und erhöht Gewicht und Kosten.
(4) Da der Hauptteil der Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung ein eine hin- und hergehende Bewegung ausführender Mechanismus ist, lässt sich die Drehzahl nicht mehr weiter erhöhen, und eine weitere Gewichts- und Größenreduktion kann nicht erwartet werden.

Somit ist es zu bevorzugen, ein stufenlos verstellbares Getriebe wie beispielsweise ein Traktionsgetriebe zu verwenden, das dazu befähigt ist, mit einer hohen Drehzahl zu arbeiten, und eine Lebensdauer hat, die genau berechnet werden kann. Da das stufenlos verstellbare Getriebe rotierende Bauelemente beinhaltet, kann seine Lebensdauer durch ein ähnliches Verfahren wie das bei der Berechnung der Lebensdauer von Lagern verwendete Verfahren berechnet werden. Die Verwendung des stufenlos verstellbaren Getriebes, beispielsweise eines Traktionsgetriebes, verringert stark die Nachteile des Mechanismus, welcher die ölhydraulische Pumpe und den Hydromotor beinhaltet.
Falls der Getriebemechanismus der Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung so ausgebildet ist, dass die gesamte für den Antrieb des Generators benötigte Leistung beispielsweise lediglich durch ein Traktionsgetriebe übertragen wird, ist eine Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung, welche den Abmessungs- und Gewichtanforderungen genügt, möglicherweise nicht in der Lage, eine ausreichende Haltbarkeit zu gewährleisten. Außerdem ist die Wirksamkeit der Verwendung des Traktionsgetriebes zur Verbesserung des Wirkungsgrades nicht zufriedenstellend, da der Wirkungsgrad der Leistungsübertragung des Traktionsgetriebes ungefähr 85% beträgt.
Mechanismen, die dazu dienen sollen, ein stufenlos verstellbares Kraftfahrzeuggetriebe bereitzustellen, welches eine größere Lebensdauer hat und befähigt ist, mit einem vergrößerten Wirkungsgrad zu arbeiten, sind in den japanischen Offenlegungspublikationen Nrn. 169169/1989 und 63147/1999 offenbart. Jeder dieser bereits vorgeschlagenen Mechanismen weist ein Toroidgetriebe und ein Planetengetriebe in Kombination auf. Jedoch können diese Mechanismen aus den folgenden Gründen nicht in einem Flugzeug verwendet werden:

(1) Bei einigen Betriebsbedingungen wird 100% der Leistung auf das Traktionsgetriebe übertragen, und daher muss das Traktionsgetriebe schweren und großen Aufbau haben. Wenn das Traktionsgetriebe mit Abmessungen ausgebildet ist, die nicht größer sind als solche, die bei zur Verwendung in einem Flugzeug geeigneten Traktionsgetrieben erforderlich sind, kann das Traktionsgetriebe die erforderliche Lebensdauer nicht gewährleisten.
(2) Es findet ein Zirkulieren der Leistung im Planetengetriebe des bekannten Mechanismus statt. Daher wird Leistung nutzlos verbraucht, und die Abmessungen des Planetengetriebes sind unnötig groß. Das Planetengetriebe ist nicht in der Lage, die notwendige Lebensdauer zu gewährleisten, wenn es mit Abmessungen ausgeführt ist, die nicht größer sind als solche, welche bei Planetengetriebe zur Verwendung in Flugzeugen erforderlich sind.
(3) Da im bekannten Mechanismus das Planetengetriebe außerhalb des Traktionsgetriebes angeordnet ist, ist die Gesamtgröße des Mechanismus groß.
(4) Die Konstantdrehzahl-Antriebseinrichtung ist in Bezug auf ihr Gewicht, ihre Abmessungen und ihre Lebensdauer nicht in der Lage, die geforderten Bedingungen zu erfüllen, um in einem Flugzeug verwendet zu werden, und zwar aus den zuvor erläuterten drei Gründen.
(5) Auch wenn ein stufenlos verstellbares Kraftfahrzeuggetriebe so ausgelegt ist, dass sein Übersetzungsverhältnis gesteuert wird, um den Motor bei einer Motordrehzahl zu betrieben, bei der er die angestrebte Antriebskraft erzeugen kann, und um ihn mit minimaler Kraftstoffverbrauchsrate zu betreiben, muss das stufenlos verstellbare Getriebe zum Antreiben des Flugzeug-Stromgenerators so ausgelegt sein, dass der Generator ungeachtet der Änderung der Motordrehzahl mit einer festen Betriebsdrehzahl angetrieben wird.

US 2,353,136 , welche den naheliegendsten Stand der Technik darstellt, betrifft ein verstellbares Getriebe. Das Getriebe beinhaltet ein treibendes Element, eine Mehrzahl von Planetenelementen, ein Steuerelement, das sich in Reibungseingriff mit dem Planetenelement befindet, ein Planetensystem und eine Einrichtung, welche eine Relativanpassung zwischen dem Steuerelement und den Planetenelementen bewirkt, um die Planetenwirkung der Planetenelemente zu verändern, um die Operationsrate eines getriebenen Elementes zu regeln.
Das Dokument GB 666 287 offenbart eine Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung, welche eine antriebsseitige Welle, die mit einem Element eines Differenzialgetriebes verbunden ist, eine Abtriebswelle, die mit einem weiteren Element des Differenzialgetriebes verbunden ist, eine verstellbare Getriebevorrichtung, welche die Abtriebswelle mit einem dritten Element des Differenzialgetriebes verbindet, und eine Einrichtung zum Erfassen von Drehzahländerungen der Abtriebswelle enthält. Das dritte Element des Differenzialgetriebes wird gemäß der Drehzahländerung der antriebsseitigen Welle angetrieben, um dem zweiten Element eine konstante Drehzahl zu vermitteln.
INHALT DER ERFINDUNG
Die Erfindung erfolgte in Anbetracht der zuvor erwähnten Probleme des Standes der Technik. Daher ist es ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, um einen Flugzeug-Stromgenerator, der in ein Flugzeug eingebaut ist, mit einer konstanten Drehzahl unter Verwendung einer Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung anzutreiben, welche in der Lage ist, mit hohem Wirkungsgrad und großer Zuverlässigkeit zu arbeiten, eine sehr große Lebensdauer aufweist, mit kompaktem Aufbau ausgebildet ist, und in der Lage ist, den Flugzeug-Stromgenerator für eine stabile Erzeugung eines Wechselstroms fester Frequenz gemäß den Arbeitsbedingungen des Flugzeuges anzutreiben.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung zum Ausführen des zuvor erläuterten Verfahrens zum Antreiben eines Flugzeug-Stromgenerators bereitzustellen.
Die im unabhängigen Anspruch 1 beanspruchte Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung, das im unabhängigen Anspruch 7 beanspruchte Konstantdrehzahl-Antriebsverfahren, das im unabhängigen Anspruch 11 beanspruchte Steuerver fahren zur Steuerung einer derartigen Konstantdrehzahl-Antriebseinrichtung, die im unabhängigen Anspruch 14 beanspruchte Steuereinrichtung zur Steuerung der Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung und ein im unabhängigen Anspruch 17 beanspruchtes, die Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung beinhaltendes Flugzeug-Stromerzeugungssystem, entsprechen alle den in dieser Anmeldung beschriebenen Aspekten.
Gemäß der Erfindung umfasst ein Konstantdrehzahl-Antriebsverfahren, mit welchem ein in ein Flugzeug eingebauter Flugzeug-Stromgenerator mittels eines Motors des Flugzeugs mit konstanter Drehzahl angetrieben wird und welches eine Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung wie nachstehend beschrieben verwendet, folgende Schritte: Aufteilen einer abgegebenen Drehantriebsleistung des Motors in eine erste Teilleistung und eine zweite Teilleistung; Übertragen der ersten Teilleistung auf das stufenlos verstellbare Getriebe, welches die erste Teilleistung durch einen Scherwiderstand eines Fluids überträgt; Übertragen der zweiten Teilleistung an das Differenzialplanetengetriebesystem; Übertragen einer Abtriebsleistung des stufenlos verstellbaren Getriebes an das Differenzialplanetengetriebesystem, um die erste Teilleistung und die zweite Teilleistung im Differenzialplanetengetriebesystem zusammenzuführen; und Kompensieren einer Änderung der Drehzahl der abgegebenen Drehantriebsleistung durch das stufenlos verstellbare Getriebe, um die Abtriebsdrehzahl des Differenzialplanetengetriebesystems auf eine konstante Drehzahl einzustellen.
Vorzugsweise wird die zweite Teilleistung zu einem von einem Sonnenrad, einem Planetenträger und einem Ringzahnrad des Differenzialplanetengetriebesystems übertragen; und die Abtriebsleistung des stufenlos verstellbaren Getriebes wird zu dem jeweils anderen von dem Sonnenrad, dem Planetenträger und dem Ringzahnrad übertragen.
Vorzugsweise wird die zweite Teilleistung zu einem von dem Sonnenrad und dem Ringzahnrad übertragen; und die Abtriebsleistung des stufenlos verstellbaren Ge triebes wird zu dem jeweils anderen von dem Sonnenrad und dem Ringzahnrad übertragen.
Vorzugsweise drehen sich das Sonnenrad, der Planetenträger und das Ringzahnrad in der gleichen Richtung.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung weist eine Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung, welche einen in ein Flugzeug eingebauten Flugzeug-Stromgenerator mittels eines Motors des Flugzeugs mit konstanter Drehzahl antreibt, auf: einen Leistungsaufteilungsmechanismus, welcher die abgegebene Drehantriebsleistung des Motors in eine erste Teilleistung und eine zweite Teilleistung aufteilt; ein stufenlos verstellbares Getriebe, an welches die erste Teilleistung übertragen wird, wobei die erste Teilleistung über das stufenlos verstellbare Getriebe durch den Scherwiderstand eines Fluides übertragen wird; und ein Differenzialplanetengetriebesystem, an welches die zweite Teilleistung und die abgegebene Leistung des stufenlos verstellbaren Getriebes übertragen wird, wobei die erste Teilleistung und die zweite Teilleistung im Differenzialplanetengetriebesystem zusammengeführt werden. Eine Drehzahländerung der abgegebenen Drehantriebsleistung wird durch das stufenlos verstellbare Getriebe kompensiert, um die Abtriebsdrehzahl des Differenzialplanetengetriebesystems auf eine konstante Drehzahl einzustellen.
Das Differenzialplanetengetriebesystem beinhaltet ein Sonnenrad, einen Planetenträger und ein Ringzahnrad; die zweite Teilleistung wird zu einem von dem Sonnenrad, dem Planetenträger und dem Ringzahnrad übertragen; und die Abtriebsleistung des stufenlos verstellbaren Getriebes wird zu dem jeweils anderen von dem Sonnenrad, dem Planetenträger und dem Ringzahnrad übertragen.
Die zweite Teilleistung wird zu einem von dem Sonnenrad und dem Ringzahnrad übertragen; und die Abtriebsleistung des stufenlos verstellbaren Getriebes wird zu dem jeweils anderen von dem Sonnenrad und dem Ringzahnrad übertragen.
Vorzugsweise drehen sich das Sonnenrad, der Planetenträger und das Ringzahnrad in der gleichen Richtung.
Das stufenlos verstellbare Getriebe gemäß der Erfindung weist ein Toroidgetriebe auf.
Außerdem ist das Toroidgetriebe ein Doppelhohlraum-Toroidgetriebe; und das Differenzialplanetengetriebesystem ist koaxial zum stufenlos verstellbaren Getriebe angeordnet.
Das Doppelhohlraum-Toroidgetriebe weist Abtriebsscheiben auf, welche jeweils auf entgegengesetzten Seiten des Differenzialplanetengetriebesystems angeordnet sind, und eine Abtriebswelle, welche die Abtriebsscheiben trägt; und die Abtriebswelle des Doppelhohlraum-Toroidgetriebes dient auch als Sonnenrad des Differenzialplanetengetriebesystems.
Vorzugsweise weist das Differenzialplanetengetriebesystem einen Planetenträger und ein Ringzahnrad auf, welches ein außenliegendes Zahnrad aufweist. Und eine Abtriebsleistung des Planetenträgers wird über das außenliegende Zahnrad des Ringzahnrades übertragen.
Vorzugsweise nimmt das Drehzahlübersetzungsverhältnis des stufenlos verstellbaren Getriebes mit zunehmender Motordrehzahl ab; und das Drehzahlübersetzungsverhältnis nimmt mit abnehmender Motordrehzahl zu, was eine Drehzahlerhöhung zur Folge hat.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung beinhaltet ein Steuerverfahren zum Steuern der Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung, wie zuvor definiert, folgende Schritte: Steuern des stufenlos verstellbaren Getriebes, so dass ein Drehzahländerungsverhältnis einer Abtriebsdrehzahl der Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung auf die antriebsseitige Drehzahl der Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung festgelegt ist, wenn sich eine Motordrehzahl unterhalb einer vorbestimmten unteren Drehzahl befindet; und Steuern des stufenlos verstellbaren Getriebes, und zwar so, dass die Abtriebsdrehzahl der Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung festgelegt ist, wenn sich die Motordrehzahl in einem vorbestimmten Motordrehzahlbereich befindet, der oberhalb der vorbestimmten unteren Drehzahl liegt.
Vorzugsweise wird die Abtriebsdrehzahl der Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung durch eine Drehzahl-Messvorrichtung gemessen; und eine durch die Drehzahl-Messvorrichtung gemessene Abweichung der Abtriebsdrehzahl von der antriebsseitigen Drehzahl wird als ein Drehzahländerungsbefehlssignal verwendet, das dem stufenlos verstellbaren Getriebe zu geben ist.
Vorzugsweise wird ein Signal, das durch Aufaddieren einer Änderungsrate der antriebsseitigen Drehzahl und der Abweichung erhalten wird, als Drehzahländerungsbefehlssignal verwendet, das dem stufenlos verstellbaren Getriebe zu geben ist.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung weist eine Steuereinrichtung zum Steuern einer wie zuvor definiert beschaffenen Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung auf: eine Einrichtung, welche das stufenlos verstellbare Getriebe so steuert, dass das Verhältnis einer Abtriebsdrehzahl der Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung zur antriebsseitigen Drehzahl der Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung festlegt ist, wenn sich eine Motordrehzahl unterhalb einer vorbestimmten unteren Drehzahl befindet; und eine Einrichtung, welche das stufenlos verstellbare Getriebe so steuert, dass die Abtriebsdrehzahl der Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung festgelegt ist, wenn sich die Motordrehzahl in einem vorbestimmten Motordrehzahlbereich befindet, der oberhalb der vorbestimmten unteren Drehzahl liegt.
Vorzugsweise wird die Abtriebsdrehzahl der Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung durch eine Drehzahl-Messvorrichtung gemessen; und eine durch die Drehzahl-Messvorrichtung gemessene Abweichung der Abtriebsdrehzahl von der antriebsseitigen Drehzahl wird als ein Drehzahländerungsbefehlssignal verwendet, das dem stufenlos verstellbaren Getriebe zu geben ist.
Vorzugsweise wird ein Signal, das durch Aufaddieren einer Änderungsrate der antriebsseitigen Drehzahl und der Abweichung erhalten wird, als Drehzahländerungsbefehlssignal verwendet, das dem stufenlos verstellbaren Getriebe zu geben ist.
Gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung weist ein Flugzeug-Stromerzeugungssystem auf: einen Flugzeug-Stromgenerator; die Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung nach Anspruch 5; und ein Gehäuse, welches die Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung und den Flugzeug-Stromgenerator enthält.
Die Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung und das Verfahren zum Antreiben eines Flugzeug-Stromgenerators mit konstanter Drehzahl gemäß der Erfindung verbessert den Wirkungsgrad und die Zuverlässigkeit des Flugzeug-Stromgenerators mit größerer Effizienz als die Konstantdrehzahl-Antriebseinrichtung oder das -verfahren des Standes der Technik, welches die ölhydraulische Pumpe und den Hydromotor verwendet.
Da die Drehantriebsleistung zum Antreiben des Generators auf das stufenlos verstellbare Getriebe, welches den Scherwiderstand eines Fluids verwendet, und die Leistungsaufteilungswelle eines Differenzialplanetengetriebesystems aufgeteilt wird, kann die Lebensdauer der Drehzahländerungseinrichtung verlängert werden und der Leistungsübertragungswirkungsgrad verbessert werden.
Da die Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung die zuvor aufgeführten Merkmale aufweist und in der Lage ist, ein Antreiben mit hoher Drehzahl durchzuführen, kann die Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung mit einem kompakten leichten Aufbau ausgebildet sein.
Ein Steuerverfahren gemäß der Erfindung ist in der Lage, die Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung für einen Betrieb zu steuern, der an die Betriebscharakteristiken des Flugzeugs angepasst ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind das Differenzialplanetengetriebesystem und das stufenlos verstellbare Getriebe koaxial angeordnet und das Sonnenrad des Differenzialplanetengetriebesystems dient auch als Abtriebselement des stufenlos verstellbaren Getriebes. Daher kann das Differenzialplanetengetriebesystem in einem stark verkleinerten Raum eingebaut werden und die Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung kann ohne weiteres in einer leichten, kompakten Konstruktion ausgebildet sein.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die zuvor beschriebenen sowie weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen klarer werden, welche zeigen:
1 eine diagrammartige Ansicht eines Flugzeug-Stromerzeugungssystems, welches eine Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung zum Antreiben eines Flugzeug-Stromgenerators beinhaltet;
2 eine diagrammartige Ansicht der Getriebezüge, die in der in 1 dargestellten Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung enthalten sind;
3 einen Längsschnitt der in 1 dargestellten Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung;
4 einen Querschnitt der in 3 dargestellten Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung;
5 einen Längsschnitt eines Doppelhohlraum-Toroidgetriebes;
6 einen Längsschnitt eines Einzelhohlraum-Toroidgetriebes;
7 einen Längsschnitt eines Halbtoroidgetriebes;
8 einen Längsschnitt eines Volltoroidgetriebes;
9 eine diagrammartige Ansicht zur Unterstützung bei der Erklärung eines Toroidgetriebes;
10 eine diagrammartige Ansicht zur Unterstützung der Erklärung des Prinzips der Neigungsveränderung mittels Stirnzapfen;
11 ein Blockdiagramm einer Übertragungsfunktion, welche die Inhalte einer IDG-Steuerung repräsentiert;
12 einen Graphen zur Unterstützung bei der Erläuterung der Beziehung zwischen der antriebsseitigen Drehzahl und den gesteuerten Variablen;
13 einen Graphen, welcher im Vergleich die Änderung bei der Leistung zeigt, welche einem stufenlos verstellbaren Traktionsgetriebe von Beispiel 1 und dem Vergleichsbeispiel 1 zugeführt wird, und zwar während eines 1000 stündigen Belastungstests über den Zeitverlauf und unter Belastung;
14 einen Graphen zur Unterstützung der Erläuterung der Veränderung des Leistungsaufteilungsverhältnisses bei sich ändernder Motordrehzahl in Beispiel 2; und
15 eine diagrammartige Ansicht eines Flugzeug-Stromerzeugungssystems, welches eine Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung einer zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung zum Antreiben eines Flugzeug-Stromgenerators beinhaltet.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben. Es versteht sich, dass diese Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und die Erfindung in ihrer praktischen Anwendung nicht auf diese speziell hier beschriebenen Beispiele eingeschränkt ist.
1 und 2 zeigen den Aufbau eines Flugzeug-Stromerzeugungssystems (nachfolgend einfach als "Stromerzeugungssystem" bezeichnet), welches eine Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung 1 einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung beinhaltet bzw. Getriebezüge, die in der Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung 1 enthalten sind. Das Stromerzeugungssystem kann als IDG konfiguriert sein. Das Stromerzeugungssystem beinhaltet eine Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung 1, einen Wechselstromgenerator 2, der durch ein Flugzeugtriebwerk A (nachfolgend einfach als "Motor" bezeichnet) angetrieben wird und eine Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung 3, welche den Gleichstromgenerator 2 mit einer festen Betriebsdrehzahl ungeachtet der Motordrehzahl des Motors A antreibt.
Der Wechselstromgenerator 2 wird für einen Betrieb mit fester Betriebsdrehzahl von beispielsweise 24.000 U/min angetrieben, um einen Wechselstrom einer spezifischen Frequenz zu erzeugen (400 ± 7 Hz, spezifiziert in MIL-STD-704E). Der Wechselstromgenerator 2 ist von bekannter Konfiguration und somit entfällt hier dessen Beschreibung.
Die Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung 3 beinhaltet einen Drehzahländerungsmechanismus (eine -einrichtung) 30, beinhaltet ein stufenlos verstellbares Hochdrehzahl-Traktionsgetriebe 11 (nachfolgend einfach als "stufenlos verstellbares Traktionsgetriebe" bezeichnet) und ein Differenzialplanetengetriebesystem 12, welches eine Leistungsaufteilungswelle 15 aufweist, um die ankommende Leistung auf das stufenlos verstellbare Traktionsgetriebe 11 und das Differenzialplanetengetriebesystem 12 aufzuteilen, und eine Steuereinrichtung 31, welche das Drehzahlübersetzungsverhältnis des Drehzahländerungsmechanismus 30 steuert.
Wie in 4 dargestellt, sind eine Mehrzahl von Planetengetriebezahnrädern 12i drehbar am Planetenträger 12d angebracht. Wie durch die Pfeile A, B, C angegeben, drehen sich das Ringzahnrad 12a, der Planetenträger 12d und das Sonnenrad 12b in der gleichen Richtung. Um diese in der gleichen Richtung zu rotieren, wird die Antriebskraft vom Motor A dem Ringzahnrad 12a oder dem Sonnenzahnrad 12b zugeführt, und die Abtriebsleistung des stufenlos verstellbaren Traktionsgetriebes 11 wird dem Sonnenrad 12b oder dem Ringzahnrad 12a zugeführt. Wenn das Ringzahnrad 12a, der Planetenträger 12d und das Sonnenzahnrad 12b sich in der gleichen Richtung drehen, ist der Wirkungsgrad der Leistungsübertragung in der Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung 1 verbessert.
Die Beziehung zwischen dem stufenlos verstellbaren Traktionsgetriebe 11 und dem Differenzialplanetengetriebesystem 12 wird mit Bezug auf die 1 bis 4 kurz beschrieben. Das stufenlos verstellbare Traktionsgetriebe 11 weist ein Doppelhohlraum-Toroidgetriebe 20 auf und ein Hauptteil des Differenzialplanetengetriebesystems 12, welches ein Ringzahnrad 12a und ein Sonnenrad 12b beinhaltet, sind zwischen den Hohlräumen 21 und 22 angeordnet. Die jeweiligen Abtriebsscheiben 21b und 22b der Hohlräume 21 bzw. 22 sind auf den entgegengesetzten Seiten des Hauptteils des Differenzialplanetengetriebesystems 12 angeordnet. Das Sonnenrad 12b des Differenzialplanetengetriebesystems 12 dient als Abtriebswelle 16 des stufenlos verstellbaren Traktionsgetriebes 11.
Wie in 5 dargestellt, weist ein Doppelhohlraum-Toroidgetriebe DD Hohlräume C1 und C2 auf, die an einer Drehwelle S angebracht sind und in einem vorbestimmten Abstand voneinander angeordnet sind. Antriebsscheiben ID₁ und ID₂ sind auf der Außenseite der Hohlräume C1 bzw. C2 angeordnet und sind durch eine Zwischenwelle verbunden. Abtriebsscheiben OD₁ und OD₂ sind auf der Innenseite der Hohlräume C1 bzw. C2 angeordnet und sind miteinander durch eine Abtriebswelle verbunden. Ein Abtriebszahnrad OG ist an einem Mittelteil der Abtriebswelle angebracht.
Wie in 6 dargestellt, weist ein Einzelhohlraum-Toroidgetriebe SD einen Einzelhohlraum C1 auf. Toroidgetriebe sind in solche vom Halbtoroidtyp SD1, wie dargestellt in 7, und solche vom Volltoroidtyp SD2, wie dargestellt in 8, klassifiziert. Die Erfindung kann entweder ein Toroidgetriebe vom Halbtoroidtyp oder ein solches vom Volltoroidtyp verwenden. Das in dieser Ausführungsform verwendete Toroidgetriebe ist vom Halbtoroidtyp.
Das stufenlos verstellbare Traktionsgetriebe 11 kann anstelle des Doppelhohlraum-Toroidgetriebes 20 ein Einzelhohlraum-Toroidgetriebe verwenden. Jedoch ist es in Anbetracht einer Verringerung der Reibungsverluste und einer Bereitstellung eines stufenlos verstellbaren Getriebes von großer Kapazität zu bevorzugen, das Doppelhohlraum-Toroidgetriebe 20 zu verwenden.
Der Drehzahlübersetzungsverhältnisbereich des Doppelhohlraum-Toroidgetriebes 20 beträgt zwischen 0,5 und 2,0. Das Drehzahlübersetzungsverhältnis von 2,0 wird als obere Grenze des Drehzahlübersetzungsverhältnisbereiches des Doppelhohlraum-Toroidgetriebes 20 verwendet, um die Umdrehungsgeschwindigkeit von Kontaktteilen zu verringern, um zu ermöglichen, dass die Abtriebswelle 16 des Doppelhohlraum-Toroidgetriebes 20 mit einer hohen Drehzahl von 15.000 U/min dreht, um das Doppelhohlraum-Toroidgetriebe 20 mit einem Aufbau von geringem Gewicht aufzubauen. Der Drehzahländerungsmechanismus des Doppelhohlraum-Toroidgetriebes 20 wird später noch erläutert.
Die antriebsseitige Welle 13 der Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung 1 ist mit einer Welle B des Motors A verbunden. Die Abtriebsleistung des Motors A wird über die Welle B und die antriebsseitige Welle 13 an die Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung 3 übertragen. Die antriebsseitige Welle 13 ist mit einem Zahnrad 13a versehen, das mit einem Zahnrad 14a in Eingriff ist, das an einer antriebsseitigen Welle 14 montiert ist, die im stufenlos verstellbaren Traktionsgetriebe 11 enthalten ist. Die antriebsseitigen Wellen 13 und 14 sind miteinander über Zahnräder 13a und 14a in Verzahnungseingriff. Das eine Ende einer Vorgelegewelle 15 (Leistungsaufteilungswelle 15) ist mit einem Zahnrad 15a versehen, das mit dem Zahnrad 13a in Verzahnungseingriff ist, und das andere Ende ist mit einem Zahnrad 15b versehen. Das Zahnrad 15b ist mit dem Ringzahnrad 12a in Verzahnungseingriff, um das Differenzialplanetengetriebesystem 12 mit einer antriebsseitigen Welle 13 zu verbinden. Die Drehantriebsleistung des Motors A, die über die Welle B auf die Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung 3 übertragen wird, wird auf das stufenlos verstellbare Traktionsgetriebe 11 und über die Leistungsaufteilungswelle 15 auf das Differenzialplanetengetriebesystem 12 aufgeteilt. Das Leistungsverhältnis P_CVT:P_R zwischen der auf das stufenlos verstellbare Traktionsgetriebe 11 aufgeteilten Leistung P_CVT und der auf das Differenzialplanetengetriebesystem 12 aufgeteilten Leistung P_R wird nachstehend basierend auf der Annahme beschrieben, dass die Zahnräder und das stufenlos verstellbare Getriebe 11 keinen Leistungsverlust bewirken.
Das Leistungsverhältnis P_CVT:P_R kann durch das Produkt aus Drehmomentenverhältnis und Drehzahlverhältnis (Übersetzungsverhältnis) dargestellt werden. Das Drehmomentenverhältnis, d. h. das Verhältnis zwischen den Drehmomenten, die jeweils auf das stufenlos verstellbare Traktionsgetriebe 11 und das Differenzialplanetengetriebesystem 12 aufgeteilt sind, ist ausschließlich abhängig vom Verhältnis i₀ = G7/G6, wobei G6 die Anzahl der Zähne des Sonnenrades 12b ist und G7 die Zähneanzahl der Innenverzahnung des Ringzahnrades 12a des Differenzialplanetengetriebesystems 12 ist. Somit gilt TCVT : TR = 1 : i0 (1)wobei T_CVT das Drehmoment ist, das auf das stufenlos verstellbare Traktionsgetriebe 11 aufgeteilt ist, und T_R das Drehmoment ist, das auf das Ringzahnrad 12a des Differenzialplanetengetriebesystems 12 aufgeteilt ist.
Die jeweiligen Drehzahlen des Sonnenrades 12b, des Ringzahnrades 12a und des Planetenträgers 12d können durch Ausdruck (2) eindeutig bestimmt werden. ωS = (ω2 + i0·ω4)/(1 + i0) (2)wobei ω_S die Drehzahl des Planetenträgers 12d, ω₂ die Drehzahl des Sonnenrades 12b ist und ω₄ die Drehzahl des Ringzahnrades 12a ist.
Die Beziehung zwischen den jeweiligen Drehzahlen der antriebsseitigen Welle 13 und dem Planetenträger 12d ist durch Ausdruck (3) eindeutig bestimmt. ωS = (i1·RCVT + i0·i2·i3)ωIN/(1 + i0) (3)wobei i₁ = G1/G5, i₂ = G1/G2, i₃ = G3/G4, ω_IN die Drehzahl der antriebsseitigen Welle 13 ist, R_CVT das Drehzahlübersetzungsverhältnis des stufenlos verstellbaren Traktionsgetriebes 11 ist (Drehzahlverringerungsmodus: R_CVT < 1, Drehzahlverrin gerungsmodus: R_CVT > 1), G1, G2, G3, G4 und G5 die jeweiligen Zahnanzahlen des Zahnrades 13a, des Zahnrades 15a und des Zahnrades 15b des externen Zahnrades des Ringzahnrades 12a und des Zahnrades 14a sind, ω₂ = R_CVT·i₁·ω_IN und ω₄ = i₂·i₃·ω_IN.
Von Ausdruck (3) ist bekannt, dass die Drehzahl ω_S des Planetenträgers 12d auf einer spezifischen Drehzahl gehalten werden kann, ungeachtet der Änderung der Drehzahl ω_IN der antriebsseitigen Welle 13, und zwar indem das Drehzahlübersetzungsverhältnis R_CVT so gesteuert wird, dass eine Änderung der Drehzahl ω_IN der antriebsseitigen Welle 13 durch Änderung des Übersetzungsverhältnisses des stufenlos verstellbaren Traktionsgetriebes 11 kompensiert wird.
Das Leistungsverhältnis ist durch Ausdruck (4) ausgedrückt, da das Verhältnis zwischen der auf das stufenlos verstellbare Traktionsgetriebe 11 aufgeteilten Leistung und der über die Leistungsaufteilungswelle 15 des Ringzahnrades 12a aufgeteilten Leistung das Verhältnis zwischen dem Produkt aus dem durch Ausdruck (1) ausgedrückten Drehmomentverhältnis und dem Drehzahlverhältnis zwischen der Drehzahl ω₂ des Sonnenrades 12b und der Drehzahl ω₄ des Ringzahnrades 12a ist. PCVT : PR = 1·ω2 : ω4·i0 = RCVT·i1 : i0·i2·i3 (4)wobei P_CVT die auf das stufenlos verstellbare Traktionsgetriebe 11 aufgeteilte Leistung ist und P_R die auf das Ringzahnrad des Differenzialplanetengetriebesystems 12 aufgeteilte Leistung ist.
Das stufenlos verstellbare Traktionsgetriebe 11 wird nachfolgend beschrieben. Wie in 3 dargestellt, weisen die Hohlräume 21 und 22 antriebsseitige Scheiben 21a bzw. 22a auf, die sich gemeinsam mit der antriebsseitigen Welle 14 des stufenlos verstellbaren Traktionsgetriebes 11 drehen, Abtriebsscheiben 21b und 22b, die sich gemeinsam mit der Abtriebswelle 16 des stufenlos verstellbaren Traktionsgetriebes 11 drehen, vier Sätze von Kraftübertragungsrollen 21c und 22c auf, die zwischen den antriebsseitigen Scheiben 21a und 22a und zwischen den Abtriebsscheiben 21b und 22b angeordnet sind, und einen Schuberzeugungsmechanismus 23, welcher einen auf die Kraftübertragungsrollen 21c und 22c aufzubringen Druck erzeugt. Wie zuvor erwähnt, ist das Sonnenrad 12b des Differenzialplanetengetriebesystems 12 am mittleren Teil der Abtriebswelle 16 fest angebracht oder integral mit dem mittleren Teil der Abtriebswelle 16 ausgebildet. Somit dient das Sonnenrad 12b auch als Abtriebswelle 16.
Wie in 3 dargestellt, lagert ein Trägerelement 12f das Differenzialplanetengetriebesystem 12 drehend und ein Trägerelement 12e lagert die Abtriebswelle 16 der Abtriebsscheiben 21b und 22b. Und zwar sind die Lager 12g an der Abtriebswelle 16 angebracht und die Trägerelemente 12e und 12f lagern die Abtriebswelle über Lager 12g. Somit kann die Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung 3 in kompaktem Aufbau ausgeführt sein. Die Abtriebsleistung des Differenzialplanetengetriebesystems 12 kann über das externe Zahnrad 12h, das mit dem Planetenträger 12d kombiniert oder mit diesem integral ausgebildet ist, gleichmäßig (ruckfrei) übertragen werden. Die Kraftübertragungsrollen 21c und 22c sind auf Schublagern 21e und bekannten Stirnzapfen 21f, d. h. Trägerelementen auf Rollenachsen rotierend gelagert und können in einer Ebene, welche die Rollenachsen 21d und 22d und die antriebsseitige Welle 14 enthält, geschwenkt werden.
In den Hohlräumen 21 bzw. 22 sind die antriebsseitige Scheibe 21a, die Abtriebsscheibe 21b und die Kraftübertragungsrolle 21c, d. h. drei Arten von Abrollelementen, und die antriebsseitige Scheibe 22a, die Abtriebsscheibe 22b und die Kraftübertragung 22c, d. h. wiederum drei Arten von Abrollelementen, mit hohem Druck zusammengedrückt, um mittels des Scherwiderstandes von zwischen Kontaktteilen ausgebildeten, hochviskosen Schmierölfilmen Kraft zu übertragen. Dieses Drehzahländerungsverfahren ändert das Drehzahlübersetzungsverhältnis optional in einem vorbestimmten Bereich von beispielsweise 0,5 bis 2,0 durch Veränderung der Neigung der Kraftübertragungsrollen 21c und 22c, d. h. des Neigungswinkels Φ (9). Die Änderung des Neigungswinkels Φ für die Drehzahländerungsoperation wird später noch konkreter beschrieben.
Ein Verfahren zur Veränderung des Neigungswinkels Φ wird in Verbindung mit dem Hohlraum 21 mit Bezug auf die 9 und 10 beschrieben. Eine Kolbenstange 42, die in einer hydraulischen Stelleinrichtung 41 (nachfolgend einfach als "Stelleinrichtung" bezeichnet) enthalten ist und mit einer Antriebswelle zum Neigen des Stirnzapfens 21f in Eingriff ist, wird vorgeschoben oder zurückgezogen, um die Antriebswelle um ΔY gegenüber der Wellenachse zu verschieben. Dann wird eine Kraft Ft erzeugt, welche in Richtung tangential zur Kraftübertragungsrolle 21c wirkt, und eine Komponente F der Kraft Ft neigt die Kraftübertragungsrolle 21c in eine neue balancierte Position und der Neigungswinkel Φ ändert sich. Somit kann der Neigungswinkel Φ auf einen gewünschten Winkel angepasst werden, dadurch dass das Herausragen der Kolbenstange 42 der Stelleinrichtung 41 eingestellt wird, um eine gewünschte Drehzahländerung zu erzielen.
Ein übermäßig großer Neigungswinkel Φ bewirkt eine übermäßige Rotation, wodurch die Leistungsübertragungskennlinie unzufriedenstellend wird. Daher muss der Neigungswinkel Φ innerhalb eines vorbestimmten Bereiches liegen. Die Hohlräume 21 und 22 sind mit nicht dargestellten mechanischen Anschlageinrichtungen versehen, um den vorbestimmten Bereich für den Neigungswinkel Φ festzulegen.
Bezug nehmend auf 9 ist das Drehzahlübersetzungsverhältnis R_CVT ausgedrückt durch: R_CVT = N₀/N_i = R_i/R₀, wobei R_i der antriebsseitige Arbeitsradius, d. h. der Abstand zwischen der Rotationsachse und einer Position ist, bei der sich die Kraftübertragungsrolle 21c (22c) in Kontakt mit der antriebsseitigen Scheibe 21a (22a) befindet, R₀ der abtriebsseitige Arbeitsradius ist, d. h. der Abstand zwischen der Drehachse und einer Position, bei der die Kraftübertragungsrolle 21c (22c) sich in Kontakt mit der antriebsseitigen Scheibe 21b (22b) befindet, N_i die Drehzahl der antriebsseitigen Welle und der antriebsseitigen Scheibe 21a (22a) ist und N₀ die Drehzahl der Abtriebswelle und der Abtriebsscheibe 21b (22b) ist. Die Radien R_i und R₀ können durch Änderung des Neigungswinkels Φ der Kraftübertragungsrollen 21c (22c) stufenlos verstellt werden, um das Drehzahlübersetzungsverhältnis N₀/N_i stufenlos zu verändern.
Das Drehzahlübersetzungsverhältnis ist so groß wie das Verhältnis des Abstandes R_i zwischen der Drehachse und der Position, bei der sich die antriebsseitige Scheibe 21a (22a) in Kontakt mit der Kraftübertragungsrolle 21c (22c) befindet, zum Abstand R₀ zwischen der Drehachse und der Position, bei der sich die Abtriebsscheibe 21b (22b) in Kontakt mit der Kraftübertragungsrolle 21c (22c) befindet, d. h. R_i/R₀. Somit kann das Drehzahlübersetzungsverhältnis durch Ändern des Neigungswinkels Φ der Kraftübertragungsrollen 21c (22c) stufenlos verändert werden.
Das Differenzialplanetengetriebesystem 12 wird nachfolgend beschrieben. Wie zuvor erwähnt, beinhaltet das Differenzialplanetengetriebesystem 12 das Ringzahnrad 12a, das mit der antriebsseitigen Welle 13 der Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung 3 durch die Vorgelegewelle (Leistungsaufteilungswelle) 15 verbunden ist, das Sonnenrad 12b, das an der Abtriebswelle des stufenlos verstellbaren Traktionsgetriebes 11 befestigt oder mit diesem integral ausgebildet ist, eine Mehrzahl von Planetenritzeln 12c, die zwischen dem Ringzahnrad 12a und dem Sonnenrad 12b angeordnet sind, den Planetenträger 12d, der sich gemäß der Rotation der Planetenritzel 12s um das Sonnenrad 12b dreht, und die Trägerelemente 12e und 12f, welche das Ringzahnrad 12a, die Planetenritzel 12c und den Träger 12d rotierend lagern.
Beim Differenzialplanetengetriebesystem 12 sind die Planetenritzel 12c für eine freie Rotation auf dem Planetenträger 12d gelagert und das Ringzahnrad 12a und das Sonnenzahnrad 12b sind drehbar. Das Differenzialplanetengetriebesystem 12 weist die Vorgelegewelle (Leistungsaufteilungswelle) 15 auf. Daher kann die Rotationsantriebskraft zum Antreiben des Generators 2 auf das stufenlos verstellbare Traktionsgetriebe 11 und die Leistungsaufteilungswelle 15 aufgeteilt werden. Das Leistungsverhältnis ist durch Ausdruck (4) ausgedrückt.
Die Drehzahl des Sonnenrades 12b wird durch das stufenlos verstellbare Traktionsgetriebe 11 gemäß der Änderung der Drehzahl der antriebsseitigen Welle 13 (nachfolgend als "Antriebsdrehzahl" bezeichnet) verändert, so dass die durch Ausdruck (3) ausgedrückte Bedingung erfüllt wird, um die Drehzahl des Planetenträgers 12d auf einem festen Wert von beispielsweise 6.255 U/min zu halten. Die Drehzahl des Planetenträgers 12d wird durch ein Vorgelegezahnrad 17 angehoben, um den Generator 2 für einen Betrieb mit einer festen Betriebsdrehzahl von beispielsweise 24.000 U/min anzutreiben. In der folgenden Beschreibung wird die Betriebsdrehzahl des Generators 2 als Abtriebsdrehzahl der Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung 3 betrachtet. Das Sonnenrad 12b, das Ringzahnrad 12a und der Planetenträger 12d müssen sich in der gleichen Richtung drehen, um ohne Verluste Leistung über den Planetenträger 12d abzugeben. Die folgenden Ausdrücke müssen erfüllt sein, damit sich das Sonnenrad 12b, das Ringzahnrad 12a und der Planetenträger 12d in der gleichen Richtung drehen. 0 < ω4 < ωS < ω2 (5) 0 < ω2 < ωS < ω4 (6)
Wenn sich das Sonnenrad 12b, das Ringzahnrad 12a und der Planetenträger 12d nicht in der gleichen Richtung drehen, zirkuliert Kraft in der Getriebezugschleife, mit dem Ergebnis einer Verringerung des Wirkungsgrades.
Wenn die Motordrehzahl zunimmt, nimmt das Drehzahlübersetzungsverhältnis des stufenlos verstellbaren Traktionsgetriebes 11 ab. Das stufenlos verstellbare Traktionsgetriebe 11 fungiert als Untersetzungsgetriebe, um zu verhindern, dass sich die abtriebsseitigen Scheiben 21b, 22b und die Kraftübertragungsrollen 21c, 22c mit übermäßig hoher Drehzahl drehen. Als Ergebnis kann eine instabile Steuerung des stufenlos verstellbaren Traktionsgetriebes 11 verhindert werden.
Die Drehantriebskraft zum Antreiben des Generators 2 wird sowohl über das stufenlos verstellbare Traktionsgetriebe 11 als auch das Differenzialplanetengetriebesystem 12 übertragen, anstatt dass ihre Übertragung lediglich über das stufenlos verstellbare Traktionsgetriebe 11 erfolgt. Daher kann die Lebensdauer des stufenlos verstellbaren Traktionsgetriebes 11 verlängert werden und das stufenlos verstellbare Traktionsgetriebe 11 kann mit einem Aufbau geringen Gewichtes ausgebildet sein.
Im Allgemeinen ist die maximale Leistung, die durch das stufenlos verstellbare Getriebe übertragen werden kann, gering. Jedoch hebt das Aufteilen der Leistung auf das stufenlos verstellbare Traktionsgetriebe 11 und das Differenzialplanetengetriebesystem 12 die Obergrenze der Leistung an, die durch die Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung 3 übertragen werden kann. Die Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung 3 ist in der Lage, Leistung mit einem Leistungsübertragungswirkungsgrad von ca. 95% zu übertragen, da das Differenzialplanetengetriebesystem 12 mit einem Wirkungsgrad von 99% oder mehr arbeiten kann.
Nachfolgend wird die Funktionsweise der Steuereinrichtung 31 für die Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung 3 für die Drehzahlübersetzungsverhältnissteuerung (nachfolgend als "IDG-Steuerung" bezeichnet) beschrieben. Bezug nehmend auf 11, welche einen IDG-Regelkreis 31 in einem Blockdiagramm darstellt, weist der IDG-Regelkreis 31 eine Verstärkereinrichtung 32, die als Regeleinrichtung dient, und eine Komponente auf, welche die mechanischen Eigenschaften, beispielsweise der Stelleinrichtung 41 zum Antreiben der Stirnzapfen 21f, d. h. der gesteuerten Elemente, und des Drehzahländerungsmechanismus angibt, d. h. eine Übertragungsfunktion eines gesteuerten Systems. Ein Block D0 berechnet ein Drehzahlübersetzungsverhältnis es aus dem Verhältnis zwischen der Antriebsdrehzahl N₁ und der Abtriebsdrehzahl N₃. Ein Block D1 ist ein Proportionalelement, das die Gesamtverstärkung eines PID-Reglers C regelt, welcher die Blöcke D2, D3 und D4 beinhaltet, die das Parameterverhältnis des PID-Reglers C beibehalten. Bei den Blöcken D2, D3 und D4 handelt es sich um Proportionalelement, ein Integralelement bzw. ein Differenzialelement des PID-Reglers C. Ein Block D5 ist ein Differenzialelement, das eine Störung unter Verwendung der Vergrößerung der antriebsseitigen Drehzahl berechnet, und zwar auf Basis der antriebsseitigen Drehzahl N₁. Ein Block D6 ist eine Begrenzungseinrichtung, ein Block D7 ist ein Proportionalelement, welches einen Kolbenpositionsbefehl Y_com unter Verwendung einer Positionsabweichung ΔY berechnet, und ein Block D8 ist ein für eine Spule charakteristisches Element, welches eine Übertragungsfunktion aufweist, die die Verschiebungscharakteristik einer Spule repräsentiert. Blöcke D9 und D10 sind die Kompo nenten eines für den Betrieb einer Kolbenstange charakteristischen Elementes P, welches eine Übertragungsfunktion aufweist, welche die Schwenkcharakteristik der Kraftübertragungsrollen 21c und 22c repräsentiert. Bei den dem Block D5 zugeführten Eingangswerten kann es sich um die Motordrehzahl handeln.
Im Wesentlichen steuert die IDG-Steuereinrichtung das Drehzahlübersetzungsverhältnis e_S = N₃/N₁ der Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung 3 so, dass die Abtriebsdrehzahl N₃ der Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung 3 konstant gehalten wird, und zwar dadurch, dass die Position Y der Kolbenstange der Stelleinrichtung 41 zum Antreiben der Stirnzapfen 21f und 22f durch einen elektronischen Hydraulikservomechanismus eingestellt wird, um den Neigungswinkel Φ der Kraftübertragungsrollen 21c und 22c der Hohlräume 21 und 22 zu ändern. Da jedoch, wie zuvor erwähnt, das Drehzahlübersetzungsverhältnis des stufenlos verstellbaren Traktionsgetriebes 11 innerhalb des begrenzten Drehzahlübersetzungsverhältnisbereiches verändert werden kann, wird der Steuermodus der IDG-Regelkreis gemäß der antriebsseitigen Drehzahl N₁ verändert; d. h. der IDG-Regelkreis arbeitet entweder in einem ersten Steuermodus oder in einem zweiten Steuermodus.
Der erste Steuermodus ist ein Konstantverhältnis-Steuermodus, bei dem eine solche Drehzahlverhältnis-Regelungsoperation ausgeführt wird, dass das Drehzahlübersetzungsverhältnis es auf einem Drehzahlübersetzungsverhältnisbefehl e_SC gehalten wird, wenn die antriebsseitige Drehzahl N₁, bei gestopptem Motor oder in einem sich an den Start des Motors anschließenden anfänglichen Zeitraum, unterhalb 4.500 U/min liegt. Der zweite Steuermodus ist ein Konstantdrehzahl-Steuermodus, bei welchem eine Abtriebsdrehzahl-Regelungsoperation ausgeführt wird, damit bei einem Soll-Abtriebsdrehzahlbefehl N_3com die Abtriebsdrehzahl N₃ beibehalten wird, und zwar in einem Zeitraum, bei dem der Motor in normalem Betriebszustand arbeitet, ausschließlich des Zeitraums, bei dem der Motor gestoppt ist oder der Motor mit Motordrehzahlen unterhalb 4.500 U/min arbeitet. Es wird durch eine Modusregelungsoperation entweder der erste Steuermodus oder der zweite Steuermodus gewählt. Der erste Steuermodus und der zweite Steuermodus werden aus den folgenden Gründen benötigt.
Während des Betriebs des Flugzeuges arbeitet der Motor mit Motordrehzahlen in einem unteren Drehzahlbereich, und zwar in einem Zustand, bei dem der Motor gestoppt ist oder der Motor sich in einem anfänglichen Betriebszustand befindet, der sich an den Start des Motors anschließt, oder er arbeitet mit Motordrehzahlen in einem oberen Drehzahlbereich bei einem Zustand, bei dem der Motor während des Abhebens, Landens oder des Reiseflugbetriebs arbeitet. Wie zuvor erwähnt, kann das Drehzahlübersetzungsverhältnis des stufenlos verstellbaren Traktionsgetriebes 11 innerhalb des begrenzten Drehzahlübersetzungsbereiches verändert werden. Genauer gesagt, muss unter der Annahme, dass angestrebt wird, die Betriebsdrehzahl N₃ des Generators 2 auf 24.000 U/min zu halten, die antriebsseitige Drehzahl N₁ der Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung 3 zwischen 4.500 und 9.200 U/min gehalten werden und das Gesamtübersetzungsverhältnis N₃/N₁ muss im Bereich von 5.333 bis 2.608 gehalten werden.
Demgemäß ist die Steueroperation nicht in der Lage, die Drehzahl N₃ auf 24.000 U/min zu halten, wenn die antriebsseitige Drehzahl N₁ unterhalb 4.500 U/min liegt. Daher führt diese Ausführungsform die Steueroperation im Konstantverhältnis-Steuermodus aus, um das Drehzahlübersetzungsverhältnis es konstant zu halten, wenn die antriebsseitige Drehzahl N₁ unterhalb 4.500 U/min liegt. Wenn bei einer unterhalb 4.500 U/min liegenden antriebsseitigen Drehzahl N₁ die Steueroperation ausgeführt wird, um die Drehzahl N₃ auf der Solldrehzahl 24.000 U/min zu halten, ist es unmöglich, diese Solldrehzahl auf mechanischem Weg zu erreichen. Demzufolge weicht die tatsächliche Drehzahl immer um eine gewisse Abweichung von der gewünschten Drehzahl ab und die Stelleinrichtung 41 unternimmt weiterhin Anstrengungen, um diese Abweichung zu beseitigen, auch wenn ihre Operation durch die mechanische Anschlageinrichtung begrenzt ist. Demzufolge wird die Operation der Stelleinrichtung 41 instabil, eine stabile Steueroperation kann nicht erzielt werden und im stufenlos verstellbaren Traktionsgetriebe 11 wird Schlupf verursacht.
Die Steuereinrichtung 31 wählt entweder den ersten Steuermodus oder den zweiten Steuermodus dadurch aus, dass sie die Schalter SW1 und SW2 gemäß der antriebs seitigen Drehzahl N₁ steuert. Die Schalter SW1 und SW2 werden so gesteuert, dass mit den Anschlüssen A verbundene Schaltkreise gewählt werden, wenn der erste Steuermodus gewählt ist. Die Schalter SW1 und SW2 werden so gesteuert, dass mit den Anschlüssen B verbundene Schaltkreise gewählt werden, wenn der zweite Steuermodus gewählt ist. Die Schalter SW1 und SW2 werden zum Schalten gleichzeitig betrieben.
Im ersten Steuermodus wird die folgende Steueroperation ausgeführt, um das Drehzahlübersetzungsverhältnis es konstant zu halten. In diesem Fall wird der Generator 2 nicht für einen Betrieb mit der vorbestimmten Betriebsdrehzahl von 24.000 U/min angetrieben und das Stromerzeugungssystem erzeugt keinen Strom. Daher wird eine Hilfsstromerzeugungseinheit (APU) zur Stromerzeugungssystem verwendet.

(1) Der Block D0 berechnet das Drehzahlübersetzungsverhältnis es unter Verwendung der antriebsseitigen Drehzahl N₁ und der Abtriebsdrehzahl N₃, die von einer nicht dargestellten Drehzahlmesseinrichtung gemessen werden.
(2) Das Drehzahlübersetzungsverhältnis es wird über den Schalter SW2 dem Eingang des Blockes D1 zugeführt und die Abweichung Δe_S des berechneten Drehzahlübersetzungsverhältnisses es von einem Drehzahlübersetzungsverhältnisbefehl e_SC wird der Eingangsseite des Blockes D1 zugeführt.
(3) Die Abweichung Δe_S wird dem Block D1 zugeführt und der Block D1 verarbeitet die Abweichung Δe_S unter Verwendung einer proportionalen Verstärkung K_p0 und liefert seine Ausgangsgröße an den PID-Regler C.
(4) Der PID-Regler verarbeitet die durch den Block D1 gelieferte Abweichung Δe_S und liefert einen Positionssteuerbefehl an den Block D6. Konkret ist der Positionssteuerbefehl ein Kolbenpositionsbefehl Y_com, welcher eine Position der Kolbenstange festlegt.
(5) Eine gemäß der antriebsseitigen Drehzahlerhöhung bestimmte Störung wird dem Positionssteuerbefehl zugeführt, der durch den PID-Regler C bereitgestellt wird, und die Summe aus der Störung und dem Positionssteuerbefehl wird dem Block D6 zugeführt. Die Störung, die auf der Antriebsdrehzahlerhöhung basiert, wird zum Positionssteuerbefehl addiert, um die Ansprechfähigkeit der Drehzahländerungsoperation zu verbessern, damit die Abtriebsdrehzahl N₃ dauernd konstant gehalten wird. Somit kann die Drehzahländerungsoperation in dem Moment gestartet werden, bei dem die antriebsseitige Drehzahl N₁ sich zu verändern beginnt und die Abtriebsdrehzahl N₃ noch nicht begonnen hat, sich zu verändern, und somit kann die Abtriebsdrehzahl N₃ immer konstant gehalten werden. Anstelle der antriebsseitigen Drehzahlerhöhung kann die Drehzahlerhöhung des Flugmotors verwendet werden.
(6) Die Summe aus der Störung und dem Steuersignal, die dem Block D6 zugeführt wird, wird einem Begrenzungsprozess unterzogen. Wenn der Kolbenstangen-Positionsbefehl Y_com eine obere Grenzposition überschreitet, wird ein Abschnitt des Kolbenstangen-Positionsbefehls Y_com, welcher die obere Grenze überschreitet, abgeschnitten, und die obere Grenze wird als Kolbenstangen-Positionsbefehl Y_com verwendet. Wenn der Kolbenstangen-Positionsbefehl Y_com unterhalb einer unteren Grenze liegt, wird die untere Grenze als Kolbenpositionsbefehl Y_com verwendet. Eine Position, die durch den Kolbenpositionsbefehl Y_com festgelegt werden kann, muss im Bereich der oberen und der unteren Grenze liegen, um Schlupf in der Stelleinrichtung 41 und eine instabile Steuerung zu vermeiden.
(7) Ein begrenzter Positionssteuerbefehl, der dadurch erzeugt wird, dass der Positionssteuerbefehl dem Einschränkungsprozess durch den Block D6 unterzogen wird, wird zum Block D7 übertragen.
(8) Die tatsächliche Kolbenstangenposition Y, die von einer Kolbenstangenpositions-Messeinrichtung zurückgeführt wird, wird während der Übertragung des begrenzten Positionssteuerbefehls an den Block D7 von dem begrenzten Positionssteuerbefehl subtrahiert, um eine Positionsabweichung ΔY des begrenzten Positionssteuerbefehls von der tatsächlichen Position der Kolbenstange zu berechnen. Die Rückführung der tatsächlichen Position Y ermöglicht, die Kolbenstange genau gemäß dem Befehl zu bewegen, und die Ansprechcharakteristik und die Stabilität der Drehzahlsteuerung, die mittels der Steuerung der Kolbenstange erzielt wird, kann verbessert werden.
(9) Die dem Block D7 zugeführte Positionsabweichung ΔY wird unter Verwendung einer Proportionalverstärkung K_p2 verarbeitet, um einen Kolbenstangen- Positionsbefehl ΔY_c2 zu erzeugen. Der Kolbenstangen-Positionsbefehl Y_com wird dem Block D8 zugeführt.
(10) Der Kolbenstangenpositionsbefehl ΔY_c2 wird unter Verwendung einer Übertragungsfunktion (Proportionalverstärkung K_va1) durch den Block D8 verarbeitet, um eine Spulenverschiebung X zu erzeugen. Die Spulenverschiebung X wird dem für die Kolbenstangenoperation charakteristischen Element P zugeführt.
(11) Die Spulenverschiebung X wird durch die Übertragungsfunktion des für Kolbenstangenoperation charakteristischen Elementes P in eine Kolbenstangenposition Y umgewandelt. Die Kolbenstangenposition Y wird dem für das Neigen charakteristischen Element T zugeführt.
(12) Die Kolbenstangenposition Y wird durch die Übertragungsfunktion des Blockes D11 des für das Neigen charakteristischen Elementes T in einen Neigungswinkel Φ umgewandelt. Der Neigungswinkel Φ wird dem Block D12 zugeführt.
(13) Der Neigungswinkel Φ wird durch die Übertragungsfunktion des Blocks D12 in eine Abtriebsdrehzahl (gesteuerte Variable) N₃ umgewandelt.
(14) Die Abtriebsdrehzahl N₃ wird durch einen nicht dargestellten Sensor gemessen und die gemessene Abtriebsdrehzahl N₃ wird zum Block D0 zurückgeführt. Dann wird ein Drehzahlübersetzungsverhältnis es berechnet, um die vorhergehende Regelungsoperation zu wiederholen.

In ersten Steuermodus wird das Drehzahlübersetzungsverhältnis es des stufenlos verstellbaren Traktionsgetriebes 11 beibehalten, so dass der Generator 2 mit der vorbestimmten Drehzahl angetrieben wird, wenn die antriebsseitige Drehzahl N₁ 4.500 U/min erreicht hat. Genauer gesagt, ist das stufenlos verstellbare Traktionsgetriebe 11 auf ein maximales Drehzahlübersetzungsverhältnis R_CVT von 2,0 festgelegt. Bei einem Erhöhen der antriebsseitigen Drehzahl N₁ über einen vorbestimmten Pegel von beispielsweise 4.500 U/min während des Betriebs im ersten Steuermodus sind die Anschlüsse B der Schalter SW1 und SW2 mit den Schaltkreisen verbunden, um die Steueroperation im zweiten Steuermodus zu beginnen. Die Steueroperation im zweiten Steuermodus ist ähnlich zur Steueroperation im ersten Steuermodus, abgesehen davon, dass dem Block D1 im zweiten Steuermodus eine Abtriebs drehzahlabweichung ΔN₃ zugeführt wird, und somit entfällt eine weitere Beschreibung der Steueroperation des zweiten Steuermodus.
Wenn die Abtriebsdrehzahl N₃ während der Steueroperation im zweiten Steuermodus, bedingt durch das Stoppen des Motors oder dergleichen, unter einen vorbestimmten Pegel von beispielsweise 4.500 U/min fällt, werden die Anschlüsse A der Schalter SW1 und SW2 mit den Schaltkreisen zur Ausführung der Steueroperation im ersten Steuermodus verbunden.
12 ist ein Graph, welcher beispielhaft die Änderung der gesteuerten Variablen mit der Änderung der antriebsseitigen Drehzahl N₁ zeigt. Wie in 12 dargestellt, wird in einem Zeitraum, der sich an den Start des Motors anschließt, bei dem die antriebsseitige Drehzahl N₁ unterhalb 4.500 U/min liegt, oder in einem Zustand, bei dem der Motor gestoppt ist, eine Drehzahlübersetzungsverhältnisregelung ausgeführt, um das Drehzahlübersetzungsverhältnis es auf einem festen Wert zu halten, d. h. die Steueroperation im ersten Steuermodus wird ausgeführt. In einem Zeitraum, bei dem die antriebsseitige Drehzahl N₁ in einem Bereich zwischen 4.500 und 9.200 U/min liegt, wird die Abtriebsdrehzahlregelung ausgeführt, um die Abtriebsdrehzahl N₃ auf einem festen Pegel von beispielsweise 24.000 U/min zu halten, d. h. die Steueroperation im zweiten Steuermodus wird ausgeführt.
BEISPIELE
Beispiele der Erfindung und Vergleichsbeispiele werden nachfolgend beschrieben.
Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1
13 zeigt in einem 1.000 Stunden lang dauernden Belastungstest die Veränderung des Leistungsbedarfs der Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung der ersten Ausführungsform (Beispiel 1) sowie einen Drehzahländerungsmechanismus (Vergleichsbeispiel 1), der lediglich mit dem stufenlos verstellbaren Traktionsgetriebe 11 der vorhergehenden Ausführungsform ausgerüstet ist. Die berechneten quadrati schen Mittelwerte der Leistung, die den jeweiligen stufenlos verstellbaren Traktionsgetrieben 11 von Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 zugeführt wurde, betrugt 49,4 kW bzw. 87,1 kW. Der quadratische Mittelwert der Leistung, die dem stufenlos verstellbaren Traktionsgetriebe 11 von Beispiel 1 zugeführt wurde, betrug ca. 57% der Leistung, die dem stufenlos verstellbaren Traktionsgetriebe 11 des Vergleichsbeispiels 1 zugeführt wurde. Die Lebensdauer von Beispiel 1 beträgt das Dreifache der Lebensdauer von Vergleichsbeispiel 1 und der Wirkungsgrad von Beispiel 1 ist um 10% höher als bei Vergleichsbeispiel 1.
Beispiel 2
Eine Konstantdrehzahl-Antriebseinrichtung 3 in Beispiel 2 weist die in 2 dargestellten Getriebezüge auf, in welchen G1 = 59, G2 = 65, G3 = 64, G4 = 95, G5 = 35, G6 = 25, G7 = 63, G8 = 19, G9 = 93, G10 = 46, G11 = 93 und G12 = 49. Die in 2 dargestellten Getriebezüge sind vom Einzelhohlraumtyp. Die Getriebezüge vom Doppelhohlraumtyp sind ähnlich dem in 2 dargestellten Typ.
Eine Simulation der Stromerzeugung unter Verwendung der Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung 3 in Beispiel 3 wurde ausgeführt, bei welcher die antriebsseitige Leistung auf 170 PS festgelegt war und die antriebsseitige Drehzahl N₁ im Bereich zwischen 4.500 und 9.200 U/min verändert wurde. Die Ergebnisse der Simulation sind in 14 dargestellt. Aus 14 lässt sich entnehmen, dass die dem stufenlos verstellbaren Traktionsgetriebe 11 zugeteilte Leistung abnimmt und die dem Differenzialplanetengetriebesystem 12 zugeführt Teilleistung zunimmt, wenn die antriebsseitige Drehzahl N₁ zunimmt.
Die Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung 3 der Erfindung überträgt die Drehantriebskraft des Motors A zum Antreiben des Generators 2 immer sowohl über das stufenlos verstellbare Traktionsgetriebe 11 als auch über das Differenzialplanetengetriebesystem 12 an den Generator 2. Daher ist die Lebensdauer der Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung 3 länger als die Lebensdauer einer Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung 3, bei der lediglich das stufenlos verstellbare Traktionsgetriebe 11 verwendet wird. Insbesondere wenn das Flugzeug auf Reiseflughöhe fliegt, wobei dabei die antriebsseitige Drehzahl N₁ ca. 8.000 U/min beträgt, wird nur ein geringer Teil der Antriebsleistung dem stufenlos verstellbaren Traktionsgetriebe 11 zugeteilt, was die Lebensdauer des stufenlos verstellbaren Traktionsgetriebes 11 verlängert.
Die Hauptbestandteile des Differenzialplanetengetriebesystems 12 sind koaxial mit dem stufenlos verstellbaren Traktionsgetriebe 11 zwischen den zwei Hohlräumen 21 und 22 des stufenlos verstellbaren Traktionsgetriebes 11 angeordnet. Das Sonnenrad 12b ist an der Abtriebswelle 16 des stufenlos verstellbaren Traktionsgetriebes 11 fest angebracht oder integral mit diesem ausgebildet. Das Sonnenrad 12b dient auch als Abtriebswelle 16. Das Differenzialplanetengetriebesystem 12 und der Abtriebsscheiben-Trägermechanismus sind in einer Einheit integriert. Demzufolge kann die Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung 3 mit kompaktem Aufbau ausgebildet sein.
Die Lebensdauer des Flugzeug-Stromerzeugungssystems, welche die Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung gemäß der Erfindung verwendet, ist viel größer als beim herkömmlichen Flugzeug-Stromerzeugungssystem, welche den Hydromotor und die Hydropumpe verwendet, und der Wirkungsgrad von ersterem ist höher als der des letzteren.
15 zeigt eine Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Diese Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung weist ein stufenlos verstellbares Traktionsgetriebe 11 und ein Differenzialplanetengetriebesystem 12 auf, die parallel zueinander angeordnet sind. Ein Zahnrad 16a ist auf der Abtriebswelle 16 des stufenlos verstellbaren Traktionsgetriebes 11 angebracht. Die Abtriebswelle 16 ist mit dem Differenzialplanetengetriebesystem 12 mittels des Zahnrades 16a verbunden.
Wie in den 1 und 15 dargestellt, können bei dem stufenlos verstellbaren Traktionsgetriebe 11 ein Generator 2 und die Antriebsgetriebezüge in einem einzigen Gehäuse 40 enthalten sein.
Die Erfindung kann auf einen Generator mit integrierter Antriebseinrichtung (IDG) angewandt werden.
Wie aus der vorhergehenden Beschreibung klar hervorgeht, wird gemäß der Erfindung die Drehantriebskraft des Flugzeugmotors zum Antreiben des Stromgenerators sowohl über das stufenlos verstellbare Getriebe unter Verwendung der Scherkraft eines Fluids zur Kraftübertragung als auch über das Differenzialplanetengetriebesystem der Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung übertragen, und der Generator wird für einen Betrieb mit fester Betriebsdrehzahl gesteuert. Die Belastung eines jeden Bauelementes der Vorrichtung wird verringert, da die vom Motor kommende Antriebskraft auf das stufenlos verstellbare Getriebe und das Differenzialplanetengetriebesystem aufgeteilt wird. Daher hat die Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung eine stark verlängerte Lebensdauer.
Die Lebensdauer der Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung der Erfindung, welche den Scherwiderstand eines Fluids zur Kraftübertragung verwendet, ist viel größer als die der herkömmlichen Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung, welche den Hydromotor und die Hydropumpe verwendet, und der Wirkungsgrad der Ersteren ist höher als der Wirkungsgrad der Letzteren. Somit verringert die Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung gemäß der Erfindung den Kraftstoffverbrauch des Flugzeuges.
Vorzugsweise sind die Hauptbestandteile des Differenzialplanetengetriebesystems koaxial mit dem stufenlos verstellbaren Getriebe angeordnet. Demzufolge kann die Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung 3 mit kompaktem Aufbau ausgebildet sein. Daher ist die Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung gemäß der Erfindung ohne weiteres durch eine herkömmliche Vorrichtung austauschbar.
Die Beziehung zwischen Motordrehzahl und Drehzahlübersetzungsverhältnis des Traktionsgetriebes ist immer auf einer stabilen Seite, so dass die Stabilität der Steuerung verbessert ist.
Die Steueroperation gemäß der Erfindung wird entweder im ersten Steuermodus, d. h. einem Modus mit konstanter Übersetzung, oder dem zweiten Steuermodus ausgeführt, d. h. einem Modus mit konstanter Abtriebsdrehzahl. Demzufolge kann eine optimale Steueroperation gemäß dem Operationszustand des Motors erzielt werden. In einem an den Start des Motors anschließenden Zeitraum, bei welchem die Motordrehzahl unterhalb eines vorbestimmten Pegels liegt, oder einem Zustand, bei dem der Motor gestoppt ist, ist der Betrieb des stufenlos verstellbaren Traktionsgetriebes für eine Drehzahländerung nicht erforderlich. Die Steueroperation im ersten Steuermodus wird ausgeführt, um das Drehzahlübersetzungsverhältnis des stufenlos verstellbaren Traktionsgetriebes innerhalb des Nenn-Drehzahlübersetzungsverhältnisbereiches konstant zu halten, um ein übermäßiges Neigen der Kraftübertragungsrollen des stufenlos verstellbaren Traktionsgetriebes zu vermeiden. Demzufolge kann ein stabiler Betrieb der hydraulischen Stelleinrichtung gewährleistet werden. Bei in normalem Betriebszustand arbeitendem Motor wird die Abtriebsdrehzahl durch Ausführen der Steueroperation des zweiten Steuermodus konstant gehalten, damit der Generator einen Wechselstrom einer Frequenz im festgelegten Frequenzbereich erzeugt. Im zweiten Steuermodus wird die Abtriebsdrehzahl gemessen, und die gemessene Abtriebsdrehzahl wird mit dem Abtriebsdrehzahlbefehl verglichen. Die Abweichung der gemessenen Abtriebsdrehzahl vom Abtriebsdrehzahlbefehl wird als Drehzahlübersetzungsverhältnisbefehl für die Regelung der Abtriebsdrehzahl verwendet. Somit wird das stufenlos verstellbare Traktionsgetriebe so gesteuert, dass die Abtriebsdrehzahl des stufenlos verstellbaren Traktionsgetriebes, ungeachtet der Motordrehzahl, immer mit dem Abtriebsdrehzahlbefehl übereinstimmt.
Die Änderungsrate der antriebsseitigen Drehzahl des stufenlos verstellbaren Traktionsgetriebes oder der Motordrehzahl wird zur Steuerung der Abtriebsdrehzahl des stufenlos verstellbaren Traktionsgetriebes zum Drehzahlübersetzungsverhältnis- Änderungsbefehl addiert, um das Ansprechen des stufenlos verstellbaren Traktionsgetriebes auf eine Änderung der Motordrehzahl zu verbessern. Demzufolge kann die Differenz zwischen der Soll-Abtriebsdrehzahl und der tatsächlichen Abtriebsdrehzahl, sogar in einem Übergangszustand, bei dem eine Änderung der Motordrehzahl erfolgt, stark verringert werden.

Claims

Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung (1), welche einen in ein Flugzeug eingebauten Flugzeug-Stromgenerator (2) mittels eines Motors des Flugzeugs mit konstanter Drehzahl antreibt, wobei die Vorrichtung (1) aufweist: einen Leistungsaufteilungsmechanismus, welcher die abgegebene Drehantriebsleistung des Motors in eine erste Teilleistung und eine zweite Teilleistung aufteilt; ein stufenlos verstellbares Getriebe (11), an welches die erste Teilleistung übertragen wird, wobei die erste Teilleistung über das stufenlos verstellbare Getriebe (11) durch den Scherwiderstand eines Fluides übertragen wird; und ein Differenzialplanetengetriebesystem (12), an welches die zweite Teilleistung und die abgegebene Leistung des stufenlos verstellbaren Getriebes (11) übertragen wird, wobei die erste Teilleistung und die zweite Teilleistung im Differenzialplanetengetriebesystem (12) zusammengeführt werden; wobei eine Drehzahländerung der abgegebenen Drehantriebsleistung durch das stufenlos verstellbare Getriebe (11) absorbiert wird, um die Abtriebsdrehzahl des Differenzialplanetengetriebesystems (12) auf eine konstante Drehzahl einzustellen; dadurch gekennzeichnet, dass das stufenlos verstellbare Getriebe (11) ein Doppelhohlraum-Toroidgetriebe (DD) aufweist; das Differenzialplanetengetriebesystem (12) koaxial zum stufenlos verstellbaren Getriebe (11) angeordnet ist; das Doppelhohlraum-Toroidgetriebe (DD) Abtriebsscheiben (OD₁, OD₂), welche jeweils auf entgegengesetzten Seiten des Differenzialplanetengetriebesystems (12) angeordnet sind, und eine Abtriebswelle aufweist, welche die Abtriebsscheiben trägt; und die Abtriebswelle des Doppelhohlraum-Toroidgetriebes (DD) auch als Sonnenrad (12b) des Differenzialplanetengetriebesystems (12) dient.
Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, bei welcher das Differenzialplanetengetriebesystem (12) weiter einen Planetenträger (12d) und ein Ringzahnrad (12a) beinhaltet; wobei die zweite Teilleistung entweder auf den Planetenträger (12d) oder das Ringzahnrad (12a) übertragen wird.
Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung (1) nach Anspruch 2, bei welcher die zweite Teilleistung auf das Ringzahnrad (12a) übertragen wird.
Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung (1) nach Anspruch 3, bei welcher das Sonnenrad (12b), der Planetenträger (12d) und das Ringzahnrad (12a) in der gleichen Richtung in Drehung versetzt werden.
Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, bei welcher das Differenzialplanetengetriebesystem (12) einen Planetenträger (12d) beinhaltet, welcher ein außenliegendes Zahnrad aufweist; und wobei ein Abtrieb des Planetenträgers (12d) durch das außenliegende Zahnrad übertragen wird.
Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, bei welcher das Drehzahländerungsverhältnis des stufenlos verstellbaren Getriebes (11) mit zunehmender Motordrehzahl abnimmt; und wobei das Drehzahländerungsverhältnis mit abnehmender Motordrehzahl zunimmt.
Konstantdrehzahl-Antriebsverfahren, mit welchem ein in ein Flugzeug eingebauter Flugzeug-Stromgenerator (2) mittels eines Motors des Flugzeugs mit konstanter Drehzahl angetrieben wird und welches die Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung (1) nach Anspruch 1 verwendet, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Aufteilen einer abgegebenen Drehantriebsleistung des Motors in eine erste Teilleistung und eine zweite Teilleistung mittels des Leistungsaufteilungsmechanismus; Übertragen der ersten Teilleistung auf das stufenlos verstellbare Getriebe (11), welches die erste Teilleistung durch einen Scherwiderstand eines Fluids überträgt; Übertragen der zweiten Teilleistung an das Differenzialplanetengetriebesystem (12); Übertragen einer Abtriebsleistung des stufenlos verstellbaren Getriebes (11) an das Differenzialplanetengetriebesystem (12), um die erste Teilleistung und die zweite Teilleistung im Differenzialplanetengetriebesystem (12) zusammenzuführen; und Absorbieren einer Änderung der Drehzahl der abgegebenen Drehantriebsleistung durch das stufenlos verstellbare Getriebe (11), um die Abtriebs drehzahl des Differenzialplanetengetriebesystems (12) auf eine konstante Drehzahl einzustellen.
Konstantdrehzahl-Antriebsverfahren nach Anspruch 7, bei welchem die zweite Teilleistung entweder auf das Sonnenrad (12b) oder einen Planetenträger (12d) oder ein Ringzahnrad (12a) des Differenzialplanetengetriebesystems (12) übertragen wird; und wobei die Abtriebsleistung des stufenlos verstellbaren Getriebes (11) zu einem jeweils anderen von dem Sonnenrad (12b), dem Planetenträger (12d) und dem Ringzahnrad (12a) übertragen wird.
Konstantdrehzahl-Antriebsverfahren nach Anspruch 8, bei welchem die zweite Teilleistung entweder auf das Sonnenrad (12b) oder das Ringzahnrad (12a) übertragen wird; und bei welchem die Abtriebsleistung des stufenlos verstellbaren Getriebes zu dem jeweils anderen von dem Sonnenrad (12b) oder dem Ringzahnrad (12a) übertragen wird.
Konstantdrehzahl-Antriebsverfahren nach Anspruch 9, bei welchem das Sonnenrad (12b), der Planetenträger (12d) und das Ringzahnrad (12a) in der gleichen Richtung in Drehung versetzt werden.
Steuerverfahren zum Steuern der Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung (1), wie definiert in Anspruch 1, wobei das Steuerverfahren folgende Schritte beinhaltet: Steuern des stufenlos verstellbaren Getriebes (11), so dass ein Drehzahländerungsverhältnis einer Abtriebsdrehzahl der Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung (1) auf die antriebsseitige Drehzahl der Konstantdreh zahl-Antriebsvorrichtung festgelegt ist, wenn sich eine Motordrehzahl unterhalb einer vorbestimmten unteren Drehzahl befindet; und Steuern des stufenlos verstellbaren Getriebes (11), und zwar so, dass die Abtriebsdrehzahl der Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung festgelegt ist, wenn sich die Motordrehzahl in einem vorbestimmten Motordrehzahlbereich befindet, der oberhalb der vorbestimmten unteren Drehzahl liegt.
Steuerverfahren nach Anspruch 11, bei welchem die Abtriebsdrehzahl der Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung (1) durch eine Drehzahl-Messvorrichtung gemessen wird; und wobei eine durch die Drehzahl-Messvorrichtung gemessene Abweichung der Abtriebsdrehzahl von der antriebsseitigen Drehzahl als ein Drehzahländerungsbefehlssignal verwendet wird, das dem stufenlos verstellbaren Getriebe (11) zu geben ist.
Steuerverfahren nach Anspruch 12, bei welchem ein Signal, das durch Aufaddieren einer Änderungsrate der antriebsseitigen Drehzahl und der Abweichung erhalten wird, als Drehzahländerungsbefehlssignal verwendet wird, das dem stufenlos verstellbaren Getriebe zu geben ist.
Steuereinrichtung (31) zum Steuern einer Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung (1), wobei die Steuereinrichtung angepasst ist, um ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13 durchzuführen, wobei die Steuereinrichtung aufweist: eine Einrichtung, welche das stufenlos verstellbare Getriebe (11) so steuert, dass das Verhältnis einer Abtriebsdrehzahl der Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung (1) zur antriebsseitigen Drehzahl der Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung festlegt ist, wenn sich eine Motordrehzahl unterhalb einer vorbestimmten unteren Drehzahl befindet; und eine Einrichtung, welche das stufenlos verstellbare Getriebe so steuert, dass die Abtriebsdrehzahl der Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung festgelegt ist, wenn sich die Motordrehzahl in einem vorbestimmten Motordrehzahlbereich befindet, der oberhalb der vorbestimmten unteren Drehzahl liegt.
Steuereinrichtung (31) nach Anspruch 14, bei welcher die Abtriebsdrehzahl der Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung (1) durch eine Drehzahl-Messvorrichtung gemessen wird; und wobei eine durch die Drehzahl-Messvorrichtung gemessene Abweichung der Abtriebsdrehzahl von der antriebsseitigen Drehzahl als ein Drehzahländerungsbefehlssignal verwendet wird, das dem stufenlos verstellbaren Getriebe zu geben ist.
Steuereinrichtung (31) nach Anspruch 15, bei welcher ein Signal, das durch Aufaddieren einer Änderungsrate der antriebsseitigen Drehzahl und der Abweichung erhalten wird, als Drehzahländerungsbefehlssignal verwendet wird, das dem stufenlos verstellbaren Getriebe (11) zu geben ist.
Flugzeug-Stromerzeugungssystem welches aufweist: einen Flugzeug-Stromgenerator; die Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung (1) nach Anspruch 1; und ein Gehäuse (40), welches die Konstantdrehzahl-Antriebsvorrichtung (1) und den Flugzeug-Stromgenerator enthält.
Konstantdrehzahl-Antriebsverfahren nach Anspruch 7, bei welchem das Differenzialplanetengetriebesystem einen Planetenträger (12d) und ein Ringzahnrad beinhaltet, welches ein außenliegendes Zahnrad aufweist; und wobei ein Abtrieb des Planetenträgers durch das außenliegende Zahnrad des Ringzahnrades übertragen wird.
Konstantdrehzahl-Antriebsverfahren nach Anspruch 7, bei welchem das Drehzahländerungsverhältnis des stufenlos verstellbaren Getriebes (11) mit zunehmender Motordrehzahl abnimmt; und wobei das Drehzahländerungsverhältnis mit abnehmender Motordrehzahl zunimmt.