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Gebiet der
Technik
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Die Erfindung bezieht sich auf ein
auf eine vorbestimmte Longitudinalachse zentriertes Organ, das und
zur Übertragung
von Kräften
zwischen einem zentralen Bereich und Endbereichen des Organs gestaltet
ist.
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Die Erfindung bezieht sich auch auf
eine Vorrichtung, die ein solches Organ umfaßt, das einer einen Zapfen
bildenden zylindrischen Stange zugeordnet ist, auf der zwei Teile
aufliegen, die jeweils dazu dienen, die Kräfte einwirken zu lassen und
aufzunehmen.
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Die Erfindung betrifft auch die Anwendung einer
Vorrichtung dieses Typs zur Übertragung
von Kräften
zwischen einem Linear-Aktuator, der an einer feststehenden Luftfahrzeugstruktur
angebracht ist, und einer Steuerfläche, die in bezug auf die feststehende
Struktur um eine zur Längsachse
des Kraftübertragungsteils
parallele und in bezug auf diese Achse versetzte Drehachse schwenken/drehen kann.
Die feststehende Struktur kann insbesondere ein Element des Tragwerks,
des Seitenruders, des Leitwerks oder des Rumpfes des Luftfahrzeugs
sein.
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Stand der
Technik
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Eine Steuerfläche eines Luftfahrzeugs ist
für gewöhnlich mit
strukturellen Elementen des Luftfahrzeugs gelenkig verbunden, die
als der feststehende Teil für
die bewegliche Steuerfläche
anzusehen sind, und zwar so, daß sie
um eine mit diesem feststehenden Teil verbundene Drehachse drehen/schwenken kann.
Die Dreh-/Schwenkbewegung der Steuerfläche wird von einer Servosteuerung
gesteuert, die von einem Linear-Aktuator gestellt wird, der von
dem feststehenden Teil des Luftfahrzeugs getragen wird. Der Linear-Aktuator
umfaßt
ein kugeliges Übergangsstück. Dieses
wirkt auf die Steuerfläche über Armierungen,
die an der Steuerfläche
mittels Schrauben, Nieten etc. befestigt sind. Die Armierungen gewährleisten
auch die Drehung der Steuerfläche
in bezug auf das feststehende Teil des Luftfahrzeugs.
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Eine Armierung, die alle Eigenschaften
des Oberbegriffs des unabhängigen
Anspruchs zeigt, ist aus der US-A-3 756 089 bekannt.
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Eine weitere Armierung, die den Stand
der Technik veranschaulicht, ist schematisch in perspektivischer
Ansicht in 1 der beigefügten Zeichnungen
dargestellt.
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In ihrem zentralen Bereich umfaßt die Armierung
im allgemeinen ein weibliches Bauteil 1, das einen ersten
Drehzapfen (nicht dargestellt) trägt, an dem das kugelige Übergangsstück des Linear-Aktuators
angebracht ist. In ihren Endbereichen umfaßt die Armierung auch ein männliches
Bauteil 2, das von einem zweiten Drehzapfen (nicht dargestellt)
durchsetzt ist, der von dem feststehenden Teil getragen wird. Dieser
zweite Drehzapfen bildet die Drehachse X-X der Steuerfläche. Die
Längsachse
Y-Y des ersten Drehzapfens und die Drehachse X-X der Steuerfläche sind
parallel und um einen Abstand d in bezug aufeinander versetzt. Rollenlager
oder Lagerschalen (nicht dargestellt) sind zwischen die Bauteile 1 und 2 der
Armierung und die Drehzapfen eingefügt.
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In dieser bekannten Anordnung ist
der zentrale Punkt A des weiblichen Bauteils 1 der Armierung
um einen Abstand D vom zentralen Punkt B jedes der männlichen
Bauteile 2 parallel zu den Achsen X-X und Y-Y der Drehzapfen
beabstandet. Der Abstand d zwischen diesen Achsen stellt den Hebelarm
der von der Armierung gebildeten Kraftübertragungsvorrichtung dar.
Die von dem Linear-Aktuator ausgeübte Kraft erzeugt zusammen
mit dem Hebelarm ein Drehmoment der Steuerfläche um ihre Drehachse X-X.
Auf diese Weise wird eine Drehung der Steuerfläche um diese Achse gesteuert.
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Bei der Betätigung der Steuerfläche geht
ein Großteil
der von dem Linear-Aktuator ausgeübten Kräfte von dem im zentralen Teil
der Armierung gelegenen weiblichen Bauteil 1 auf die in
den Endteilen der Armierung gelegenen männlichen Bauteile 2 mittels
der Strukturen der Armierung und der Steuerfläche über. Die Belastungen und die
Verformungen, die durch die Aufbringung dieser Kräfte auf
die Struktur der Armierung hervorgerufen werden, sind proportional
zum Abstand D, der das weibliche Bauteil 1 von jedem der
männlichen
Bauteile 2 der Armierung parallel zu den Achsen X-X und
Y-Y der Drehzapfen trennt.
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In der Praxis ist der Abstand zwischen
den männlichen
Bauteilen 2, die an den Enden der Armierung gelegen sind,
und folglich der Abstand D eine Funktion des vom Aktuator eingenommenen
Raums und der für
Wartungsarbeiten notwendigen Spiele. Übrigens ist der Platzbedarf
des Aktuators Funktion seines Typs (EHA-"Electro-Hydraulic Actuator", EBHA-"Electro-Backup Hydraulic
Actuator", etc.), seiner
Eigenschaften (Belastung beim Anhalten, Hub, etc.) und der eingesetzten
Technologie (Hydraulikblock aus Aluminium, aus Titan, etc.).
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Wenn der Platzbedarf der Servosteuerung zunimmt,
ist es also notwendig, den Abstand D zwischen dem weiblichen Bauteil 1,
der mit dem zentralen Abschnitt der Armierung verbunden ist, und
den an den Enden derselben angeordneten männlichen Bauteile 2 zu
vergrößern. Dies
erfordert eine erhebliche Zunahme der Masse der Armierung, um die
Beanspruchungen und Verformungen in dieser zu begrenzen. Eine solche
Zunahme der Masse ist im allgemeinen jedoch inkompatibel mit den
für ein
Luftfahrzeug erforderlichen Leistungsansprüchen.
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Abriß der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist ein Organ,
das zur Übertragung
von im wesentlichen radialen Kräften zwischen
einem Zentralbereich und Endbereichen des Organs gestaltet ist,
und dessen originelle Konzeption es ermöglicht, sehr starke Biegekräfte bei
einer wesentlich geringeren Masse als bei einem zylindrischen Drehzapfen
herkömmlicher
Konzeption zu ertragen.
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Gemäß der Erfindung wird diese
Aufgabe erfüllt
durch Anwendung eines Organs zur Übertragung von im wesentlichen radial
in bezug auf eine Längsachse
des Organs gerichteten Kräften
zwischen einem Zentralbereich und zwei Endbereichen desselben, wobei
das Organ dadurch gekennzeichnet ist, daß es umfaßt: mindestens drei Flügel, die
um die Längsachse
herum verteilt sind und untereinander in den Endbereichen verbunden
sind, und mindestens ein Paar von Elementen in Sternform, welche
die Flügel
auf beiden Seiten des Zentralbereichs untereinander verbinden.
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Die Flügelstruktur des Kraftübertragungsorgans
ermöglicht
es, den Großteil
der Biegekräfte dank
einem starken Trägheitsmoment,
das es für
einen gegebenen Querschnitt erzeugt, zu absorbieren bzw. aufzufangen.
Diese Konzeption ermöglicht
somit eine Optimierung der Masse der Struktur.
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Das Kraftübertragungsorgan gemäß der Erfindung
ist vorzugsweise aus einem einzigen Stück gefertigt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind die Flügel
regelmäßig um die
Längsachse
herum verteilt.
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Bei der gleichen Ausführungsform
ist das Kraftübertragungsorgan
symmetrisch in bezug auf eine zur Längsachse des Organs senkrechte
Mittelebene.
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Um die Herstellung zu vereinfachen,
können alle
Flügel
identisch sein.
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Vorteilhafterweise sind die Flügel untereinander
in den Endbereichen durch zwei erste Ringe verbunden, und jedes
der Elemente in Sternform weist in seinem Zentrum einen zweiten
Ring auf, wobei die ersten und zweiten Ringe längs der Längsachse ausgerichtet sind.
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Aufgabe der Erfindung ist auch eine
Anordnung zur Übertragung
von Kräften
mit einem Kraftübertragungsorgan,
wie es oben definiert wurde, und einer zylindrischen Stange, die
einen die ersten und zweiten Ringe durchsetzenden Drehzapfen bildet,
so daß diese
biegsam mit dem Kraftübertragungsorgan verbunden
sind, wobei die zylindrische Stange als Stütze für ein erstes Teil zwischen
einem an dem Zentralbereich angrenzenden Elementepaar in Sternform
sowie für
ein zweites Teil jenseits der ersten Ringe dient.
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Vorteilhafterweise sind die Lager
bildenden Elemente dabei zwischen die zylindrische Stange und jeden
der ersten und zweiten Ringe eingefügt.
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Jenseits der ersten Ringe durchsetzt
die zylindrische Stange vorteilhafterweise zwei im wesentlichen
ebene, segelartige Bauteile, die an dem zweiten Teil befestigt werden
können,
wobei die segelartigen Bauteile ein weibliches Bauteil, das mit
einem mit dem ersten Teil verbundenen männlichen Gelenkkopf über die
zylindrische Stange gelenkig verbunden ist, sowie zwei männliche
Bauteile bilden, welche mit zwei mit einer äußeren feststehenden Struktur
verbundenen weiblichen Bauteilen über eine einen Drehzapfen bildende
zweite zylindrische Stange, die an der Drehachse des zweiten Teils
in bezug auf die feststehende Struktur zentriert ist, gelenkig verbunden
sind, wobei die Drehachse parallel zu der Längsachse des Kraftübertragungsorgans
ist.
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In einer bevorzugten Anwendung der
Erfindung ist das erste Teil eine Stange eines Betätigers bzw.
Aktuators mit linearer Steuerung, der von der feststehenden Struktur
getragen wird, und das zweite Teil ist eine Steuerfläche eines
Luftfahrzeugs.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Im folgenden wird anhand eines nicht-einschränkenden
Beispiels eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben,
in denen zeigen:
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1,
die bereits beschrieben wurde, eine perspektivische Ansicht einer
Armierung zur Montage einer Steuerfläche eines Luftfahrzeugs gemäß dem Stand
der Technik,
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2 eine
schematische Darstellung in der Draufsicht auf ein Luftfahrzeug-Tragwerk,
an dem Steuerflächen
gelenkig verbunden sind, die über Kraftübertragungsvorrichtungen
gemäß der Erfindung
betätigt
werden können,
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3 eine
Schnittansicht in größerem Maßstab längs der
Linie III-III der 2,
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4 eine
perspektivische Ansicht einer Kraftübertragungsvorrichtung gemäß der Erfindung, und
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5 eine
perspektivische Ansicht eines Kraftübertragungsorgans, das einen
Teil der Vorrichtung der 4 bildet.
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Detaillierte Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
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Wie 2 in
dem speziellen Fall eines Flugzeugflügels veranschaulicht, umfaßt ein Luftfahrzeug für gewöhnlich eine
große
Anzahl von Steuerflächen (gouvernes).
Dieser Begriff bezeichnet hier wie im gesamten Text alle Elemente
von der Art von Klappen, Flügeln,
etc., die an einem feststehenden Teil des Luftfahrzeugs, wie z.
B. dem Tragwerk, dem Seitenruder, dem Leitwerk oder dem Rumpf gelenkig
angebracht sind, um es dem Piloten zu ermöglichen, bestimmte Flugeigenschaften,
wie z. B. den Kurs, die Geschwindigkeit, den Auftrieb bzw, die Tragfähigkeit, etc.
... zu modifizieren.
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Jede der Steuerflächen, beispielsweise die mit
der Bezugsziffer 10 in 2 bezeichnete,
kann mit dem entsprechenden feststehenden Teil über eine erfindungsgemäße Kraftübertragungsvorrichtung
gelenkig verbunden sein. Bei der als Beispiel in den 2 bis 5 dargestellten Ausführungsform besteht das feststehende
Teil aus dem Flügel 12 des Flugzeugs,
und die Kraftübertragungsvorrichtung
ist allgemein mit der Bezugsziffer 14 bezeichnet.
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Die Kraftübertragungsvorrichtung 14 ist
eine Struktur, die gleichzeitig die dreh-/schwenkbare Anbringung
der Steuerfläche
10 am Flügel 12,
sowie die Übertragung
von Kräften
auf die Steuerfläche 10 gewährleistet,
die durch eine Servosteuerung (nicht dargestellt) des Flugzeugs
aufgebracht werden können.
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Die Servosteuerung umfaßt für gewöhnlich einen
einzelnen Linear-Aktuator, der der Steuerung jeder Steuerfläche zugeordnet
ist. Dieser Linear-Aktuator ist in dem feststehenden, die Steuerfläche tragenden
Teil untergebracht, d. h. im Flügel 12 in
der dargestellten Ausführungsform.
Nur das Ende der Steuerstange dieses Aktuators ist bei 16 in 4 dargestellt. Dieses Ende
wirkt auf die Kraftübertragungsvorrichtung 14 über ein
kugeliges Übergangsstück 18 ein.
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Genauer gesagt wirkt die Steuerstange 16 des
Linear-Aktuators,
wenn die Drehachse der Steuerfläche 10 in
bezug auf den Flügel 12 mit
X-X bezeichnet wird, auf die Kraftübertragungsvorrichtung 14 über eine
zur Achse X-X parallele geometrische Achse Y-Y ein, die aber um
einen Abstand d in bezug auf diese Achse versetzt ist (4).
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Bei der in den 2 bis 5 dargestellten
Ausführungsform
umfaßt
die Kraftübertragungsvorrichtung 14 hauptsächlich eine
einen Drehzapfen bildende zylindrische Stange 20, ein Kraftübertragungsorgan 22 und
zwei segelartige Bauteile oder Platten 24, die im wesentlichen
eben bzw. flach sind.
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Die beiden segelartigen Bauteile 24 sind
im allgemeinen identisch und parallel zueinander in zu den Achsen
X-X und Y-Y im wesentlichen
senkrechten Ebenen ausgerichtet. Wie grob schematisch in 3 dargestellt ist, sind
sie dazu vorgesehen, an der Steuerfläche 10 senkrecht zu
deren Ebene befestigt zu werden. Diese Befestigung kann über irgendein
geeignetes Mittel erfolgen, insbesondere durch Verschrauben, Nieten,
Schweißen,
etc.
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Jedes der Segel umfaßt ein erstes
kreisförmiges
Loch 26, das auf die Achse X-X zentriert ist, und ein zweites
kreisförmiges
Loch 28, das auf die Achse Y-Y zentriert ist.
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Die ersten Löcher 26 ermöglichen
die schwenkbare/drehbare Anbringung der Steuerfläche 10 am Flügel 12 über eine
zylindrische Stange (nicht dargestellt), die einen Drehzapfen bildet.
Genauer gesagt bildet jedes der segelartigen Bauteile 24 ein männliches
Bauteil, das durch die vorgenannte zylindrische Stange mit einem
weiblichen Bauteil (nicht dargestellt), das mit dem Flügel verbunden
ist, gelenkig verbunden ist.
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Die zweiten Löcher 28 nehmen drehbar
Endbereiche der einen Drehzapfen bildenden zylindrischen Stange 20 auf,
wie in 4 gezeigt ist.
Die segelartigen Bauteile 24 bilden also auch ein weibliches Bauteil,
das mit dem vom kugeligen Verbindungsstück 18 gebildeten männlichen
Bauteil über
die zylindrische Stange 20 gelenkig verbunden ist.
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Es ist anzumerken, daß der Abstand
zwischen den Segeln 24 mit dem Platzbedarf des Aktuators
zunimmt. Die Verwendung des erfindungsgemäßen Kraftübertragungsorgans 22 gestattet
es jedoch, die durch eine Erhöhung
der Beabstandung der Segel hervorgerufene Zunahme der Masse wesentlich
einzuschränken,
wie im folgenden besser verständlich
wird.
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Die zylindrische Stange 20 ist
koaxial im Innern des Kraftübertragungsorgans 22 derart
angeordnet, daß diese
beiden Teile zumindest verbiegbar miteinander verbunden sind. Die
der zylindrischen Stange 20 und dem Organ 22 gemeinsame
Längsachse
ist die geometrische Achse Y-Y, auf deren Ebene die Steuerstange 16 des
Linearaktuators auf die Kraftübertragungsvorrichtung 24 einwirkt.
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Bei dieser der Erfindung eigenen
Anordnung bildet die von der zylindrischen Stange 20 und
dem Kraftübertragungsorgan 22 gebildete
Einheit einen doppelten Drehzapfen, der auf der Y-Y-Achse zentriert
ist. Dieser doppelte Drehzapfen hat die Funktion, auf die Segel 24 die
Kräfte
zu übertragen,
die durch die Steuerstange 16 des Aktuators im wesentlichen
radial in dem Zentralbereich der zylindrischen Stange 20 aufgebracht
werden (4). Genauer
gesagt ist der doppelte Drehzapfen, der von der zylindrischen Stange 20 zusammen
mit dem Kraftübertragungsorgan 22 gebildet
wird, zur Übertragung
von Kräften
gestaltet, die von der Steuerstange 16 des Aktuators mit
optimierter, d. h. minimaler Masse aufgebracht werden, unabhängig von
der Größe des Abstands
D (4), der die Achse
der Steuerstange 16 von der Mittelebene jedes der Segel 24 trennt.
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Um zu diesem Ergebnis zu gelangen,
wird ein Kraftübertragungsorgan 22 eingesetzt,
dessen Struktur im folgenden unter Bezugnahme auf die 5 im Detail beschrieben
wird.
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Bei der in 5 dargestellten Ausführungsform ist das Kraftübertragungsorgan 22 aus
einem einzigen Teil gefertigt. Es umfaßt drei Flügel 30, die zueinander
identisch und regelmäßig um die
Achse Y-Y herum verteilt sind. Jeder der Flügel 30 ist im wesentlichen
flach, und seine Mittelebene geht durch die Achse Y-Y. Außerdem weisen
die Flügel 30 in etwa
C-Form auf und sind miteinander in den Endbereichen des Organs 22 verbunden.
Genauer gesagt sind die Enden der Flügel 30 untereinander über zwei erste
Ringe 32 verbunden, die an der Achse Y-Y zentriert sind.
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Das in 5 dargestellte
Kraftübertragungsorgan 22 umfaßt auch
ein Paar Elemente 34 in Sternform. Diese Elemente 34 verbinden
die Flügel 30 auf beiden
Seiten eines Zentralbereichs des Organs 22 miteinander.
Genauer gesagt umfaßt
bei der als Beispiel in 5 dargestellten
Ausführungsform
jedes der Elemente 34 in Sternform in seinem Zentrum einen
zweiten Ring 36 sowie drei Verzweigungen 38, welche
den zweiten Ring 36 mit jedem der Flügel 30 verbinden.
Die zweiten Ringe 36 sind allgemein identisch mit den ersten
Ringen 32 und an der gleichen Achse Y-Y zentriert. Die
Verzweigungen 38 sind in bezug auf die Y-Y-Achse radial
ausgerichtet und weisen im allgemeinen die gleichen Stärken auf
wie die Flügel 30.
Es können
aber auch Verzweigungen 38 mit unterschiedlichen Stärken zu
denen der Flügel 30 verwendet
werden.
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Der Abstand zwischen den Elementen 34 in Sternform
parallel zur Y-Y-Achse ist derart eingestellt, daß der Abstand
zwischen den zweiten Ringen 36 mindestens gleich der Breite
des kugeligen Verbindungsstücks 18 der
Steuerstange 16 ist (4),
die zwischen diesen Elementen 34 gelegen ist.
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Bei nicht-dargestellten Ausführungsvarianten
können
die drei um 120° voneinander
beabstandeten Flügel 30 durch
eine größere Anzahl
Flügel
ersetzt werden, nämlich
vier um 90° voneinander
beabstandete Flügel.
Die Anzahl von Verzweigungen 38 der Elemente 34 in
Sternform ist hierbei gleichfalls modifiziert.
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Bei anderen, nicht dargestellten
Ausführungsvarianten
werden ein oder mehrere Paare von Elementen in Sternform zwischen
den ersten Ringen 32 und dem Paar von Elementen 34 in
Sternform, das an den Zentralbereich des Kraftübertragungsorgans 22 angrenzt,
hinzugefügt.
Diese Modifikation kann durch eine Zunahme der Länge des Organs 22 gerechtfertigt
sein. Unabhängig
von der Anzahl von Elementenpaaren in Sternform, die in den Aufbau des
Organs 22 einbezogen werden, ist dieses in bezug auf eine
zur Y-Y-Achse senkrechte Mittelebene symmetrisch.
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Als Beispiel, und hinsichtlich des
Schutzumfangs der Erfindung keineswegs einschränkend, kann die Höhe der Flügel eines
Kraftübertragungsorgans
mit drei Flügeln,
wie es in 5 dargestellt
ist und eine Länge
von 360 mm aufweist, 130 mm betragen.
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Wie in 4 gezeigt
ist, ist das Kraftübertragungsorgan 22 an
der zylindrischen Stange 20 über Lager bildende Elemente 40,
wie z. B. Lagerringe oder andere, angebracht. Diese Elemente können aber
auch weggelassen werden, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen.
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In der in 4 dargestellten Anordnung wird bei Betätigung des
Linear-Aktuators eine Kraft auf den Zentralbereich der zylindrischen
Stange 20 senkrecht zu seiner Längsachse Y-Y ausgeübt, um das
Drehen/Schwenken der Steuerfläche 10 um
ihre Drehachse X-X in der einen oder der anderen Richtung zu steuern.
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Aufgrund des Vorhandenseins des Organs 22 zur Übertragung
von Kräften
um die zylindrische Stange 20 herum werden diese Kräfte integral
auf die mit der Steuerfläche
verbundenen Segel 24 mittels einer Vorrichtung übertragen,
die eine minimale Masse aufweist, und zwar unabhängig vom Abstand D, der den
Zentralbereich und den Endbereich der Stange 20 trennt.
Die Flügelstruktur
des Kraftübertragungsorgans 22 erzeugt
nämlich
ein starkes Trägheitsmoment,
das es ihm ermöglicht,
den Großteil der
Biegekräfte
aufzunehmen. Außerdem
ist dieses Trägheitsmoment in
bezug auf seine Achse Y-Y für einen
gegebenen Querschnitt unabhängig
von seiner Winkelposition konstant.
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Das Vorhandensein des Kraftübertragungsorgans 22 mit
optimierter Konzeption um die zylindrische Stange 20 herum
gestattet es, daß diese
einen Durchmesser bewahrt, der nahe an demjenigen liegt, welcher
bei einer herkömmlichen
Gelenk-Armierung mit
einem weiblichen Bauteil, das direkt das kugelige Verbindungsstück 18 umschließt, verwendet
würde. Infolgedessen
ist die Gesamtmasse der Vorrichtung optimiert, unabhängig von
der Größe des Linear-Aktuators,
welcher das Segel steuert.
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Die gesamte vorstehende Beschreibung
bezieht sich auf die Steuerung von Steuerflächen von Luftfahrzeugen, es
ist jedoch wichtig darauf hinzuweisen, daß die Erfindung keinesfalls
auf diese Anwendung beschränkt
ist. Tatsächlich
können
das Organ und die Vorrichtung zur Übertragung von Kräften, die
soeben beschrieben wurden, sowie die verschiedenen vorher erwähnten Varianten
auch jedesmal dann eingesetzt werden, wenn eine im wesentlichen radiale
Kraft zwischen dem Zentralbereich und den Endbereichen der Vorrichtung übertragen
werden muss. Diese Situation findet sich bei zahlreichen Mechanismen
und auf den verschiedensten technischen Gebieten wieder, wie z.
B. in der Luft- und Raumfahrtindustrie, der Automobilindustrie,
den Werkzeugmaschinen, den landwirtschaftlichen Maschinen, etc.
...
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Übrigens
ist anzumerken, daß das
Organ 22 und die Stange 20 eventuell auch aus
einem Stück gefertigt
werden können,
ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen.