-
Diese
Erfindung betrifft das Gebiet der Fernsteuerung von Steuerrudern
eines Luftfahrzeugs wie beispielsweise eines Flugzeugs, Helikopters
usw, und sie betrifft insbesondere Verbesserungen solcher Vorrichtungen,
die üblicherweise
Steuerhebel genannt werden und zur Steuerung der Seitenruder (Rollen)
und/oder Höhenruder
(Nicken) vorgesehen sind; noch genauer betrifft sie Verbesserungen,
die insbesondere, aber nicht ausschließlich, an Vorrichtungen vorgenommen
werden, deren Steuerhebel klein bemessen ist (Mini-Steuerhebel)
und bei der Konstruktion dergestalt mit einer Armlehne verbunden
wird, dass er mit dem Arm, der auf der Armlehne ruht, allein durch
einfache Drehungen des Griffs betätigt werden kann.
-
Eine
Steuerungsvorrichtung der von der Erfindung betroffenen Art umfasst
ein Betätigungsorgan
(Handgriff, Pedal), das geeignet ist, um eine Achse zu beiden Seiten
einer neutralen Stellung zu schwenken und eine Veränderung
der Tragflächen des
Luftfahrzeugs zur Steuerung des Seitwärtskippens und/oder Höhensteuerung
zu steuern, und zu diesem Zweck kann es um zwei im Prinzip senkrecht zueinander
stehende Achsen schwenken (Kardan-artige Anbringung). Die mechanischen
oder hydraulischen Steuerungssysteme erzeugen durch ihren eigenen
Aufbau bedingte Widerstandskräfte,
die vom Pilot wahrgenommen werden, wenn er den Hebel bewegt. Bei
den elektrischen oder elektronischen Steuersystemen hingegen besteht
keinerlei natürlich erzeugte
Gegenkraft, und es muss eine zusätzliche, mit
der Hauptsteuerung verbundene Vorrichtung vorgesehen werden, die
geeignet ist, eine vom Benutzer wahrnehmbare Widerstandskraft als
Funktion der Winkelverschiebung des Betätigungsorgans zu erzeugen.
-
Ferner
erfolgen die Schwenkbewegungen des Handgriffs nicht symmetrisch
nach rechts und nach links. Nun werden die Seitenruder aber gerade durch
das Bewegen des Mini-Steuerhebels nach rechts oder links gesteuert.
Die Steuervorrichtung muss also dergestalt gebildet sein, dass das
Seitwärtskippen
des Luftfahrzeugs von der physiologisch bedingten Asymmetrie der
Schwenkbewegungen des Handgriffs des Piloten unabhängig bleibt.
-
In
der Schrift
US 2 695 145 wird
eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 dargestellt.
-
Diese
Erfindung hat zur Aufgabe, eine verbesserte Vorrichtung vorzuschlagen,
die besser geeignet und insbesondere kompakter ausgeführt ist als
die heutigen Vorrichtungen mit unterschiedlichen und/oder asymmetrischen
Ansprechkurven, wobei diese Verbesserungen bevorzugt aber nicht
ausschließlich
in Verbindung mit den Piloten-Mini-Steuerhebeln zur Anwendung kommen
können.
-
Hierzu
wird mit dieser Erfindung eine Vorrichtung zur künstlichen Erzeugung einer Gegenkraft
für eine
Fernsteuerungsvorrichtung für
Steuerruder eines Luftfahrzeugs vorgeschlagen, wobei diese Vorrichtung
ein Betätigungsorgan
umfasst, das geeignet ist, um eine Achse zu schwenken und dabei
eine Drehwelle mitzunehmen, die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist,
dass sie umfasst:
- – einen ersten Finger, der
feststehend, parallel zu dieser Welle und in radialem Abstand zu
dieser Welle angebracht ist,
- – einen
zweiten Finger, der mit dieser Drehwelle fest verbunden ist und
parallel zu dieser verläuft, wobei
dieser zweite Finger in im Wesentlichen gleichem radialen Abstand
zu dieser Welle wie der erste Finger angebracht ist,
- – eine
Platte, die in dem gleichen radialen Abstand wie der erste und der
zweite Finger angebracht ist und sich seitlich von den beiden Fingern erstreckt,
- – eine
erste Feder, die zwischen dem ersten, feststehenden Finger und der
Platte angeordnet ist, und
- – eine
zweite Feder, die zwischen dem zweiten, bewegbaren Finger und der
Platte angeordnet ist.
-
Durch
diese Anordnungen kann die Vorrichtung drei Betriebsstellungen einnehmen,
und zwar:
- – eine
neutrale Stellung, die sie einnimmt, wenn keine Kraft auf das Betätigungsorgan
ausgeübt wird,
wofür die
Platte unter der Vorspannungs-Einwirkung der beiden Federn seitlich
in Anlage an beiden Fingern zugleich gehalten wird (die vorzugsweise
aufeinander ausgerichtet sind),
- – eine
Schwenkstellung in einer ersten Richtung von der neutralen Stellung
aus mit einem variablen Winkel, wofür der zweite, bewegbare Finger gegenüber dem
ersten, feststehenden Finger von der Platte fortbewegt und der Rückstellkraft
der zweiten Feder, die zwischen diesem zweiten Finger und der Platte
angeordnet ist, ausgesetzt wird, und
- – eine
Schwenkstellung in einer zweiten Richtung von der neutralen Stellung
aus, die entgegengesetzt zur ersten verläuft, mit einem variablen Winkel,
wofür der
zweite, bewegbare Finger gegenüber
dem ersten, feststehenden Finger zur Platte hinbewegt wird und diese
dabei mitnimmt, und der Rückstellkraft
der ersten Feder, die zwischen dem ersten Finger und der Platte
angeordnet ist, ausgesetzt wird.
-
Insbesondere
und vorzugsweise kann vorgesehen werden, dass die beiden Federn
unterschiedliche Steifigkeiten aufweisen: So kann die Widerstandskraft
je nach der Richtung, in der das Betätigungsorgan bewegt wird, unterschiedlich
stark gemacht werden, und es wird insbesondere möglich, die Widerstandskraft
in Abhängigkeit
von der Schwenkrichtung des Handgriffs des Piloten, der einen Mini-Steuerhebel
in der Hand hat, anzupassen.
-
Eventuell
kann, falls gewünscht,
auch vorgesehen werden, dass mindestens eine der Federn eine Steifigkeit
aufweist, die variabel in Abhängigkeit von
ihrer Verformung ist, so dass der Pilot die Stellung des Betätigungsorgans
fühlt (beispielsweise nahe
Hubende) oder das Überschreiten
eines oder mehrerer vorbestimmter Schwellenwerte wahrnimmt, oder
eine fortschreitend variable Widerstandskraft wahrnimmt.
-
In
praktischer Hinsicht ist es von Vorteil, um eine kompaktere Vorrichtung
zu bilden, dass die beiden Federn Torsionsfedern sind, insbesondere
Spiralfedern, die koaxial um die Welle angeordnet sind.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Platte und die auf deren beiden Seiten befindlichen beiden
Federn in Form einer Gesamteinheit gebildet. Dabei kann dann auch
vorgesehen werden, dass die Platte und die auf deren beiden Seiten befindlichen
beiden Federn in Form eines einteiligen Werkstücks gebildet sind, wobei die
Federn aus der Masse herausgearbeitet sind.
-
Wie
aus dem vorhergehenden hervorgeht, finden die soeben dargelegten
erfindungsgemäßen Anordnungen
eine interessante Anwendung in dem Fall, dass das Betätigungsorgan
ein manuell zu bedienender Steuerhebel oder Handgriff ist, insbesondere
ein sogenannter Mini-Steuerhebel, und vor allem wenn es mit der
Steuerung der Seitenruder funktional verbunden ist.
-
Der
Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung
bietet ferner diesen zusätzlichen
Vorteil, dass durch eine Motorisierung des feststehenden Fingers eine
aktive Funktion des Betätigungsorgans
ermöglicht
wird, das im Autopilot-Betrieb den Entwicklungen des durch den Rechner
oder durch den Piloten gesteuerten Luftfahrzeugs (falls das Betätigungsorgan
des Kopiloten nicht benützt
wird) folgen kann. Dazu wird vorgesehen, dass die Vorrichtung motorgetriebene
Mittel zum Verschieben aufweist, die mit dem feststehenden Finger
funktional verbunden sind und geeignet sind, die Stellung des feststehenden Fingers
zu verändern.
-
Die
Erfindung geht näher
aus der folgenden detaillierten Beschreibung bestimmter bevorzugter Ausführungsformen
hervor, die nur als in keiner Weise einschränkende Beispiele gelten. In
dieser Beschreibung wird Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen,
wobei
-
1 in
einer sehr schematischen, perspektivischen Darstellung eine gemäß der Erfindung
ausgeführte
Vorrichtung zeigt,
-
2 in
einer Draufsicht die Vorrichtung von 1 in einer
ersten Betriebsstellung zeigt,
-
2A und 2B in
vereinfachten Darstellungen analog zu der von 2 zwei
weitere Betriebsstellungen zeigen,
-
3 in
einer analogen Ansicht zu der von 1 eine motorisierte
Ausführungsvariante
zeigt,
-
4 in
einer vereinfachten Darstellung analog zu der von 2A eine
Ausführungsvariante zeigt,
und
-
die 5A, 5B und 5C in
graphischen Darstellungen Ansprechkurven zeigen, die mit unterschiedlichen
Ausführungen
von Vorrichtungen gemäß der Erfindung
erzielt werden können.
-
In
den 1 und 2, auf die zunächst Bezug
genommen wird, sind sehr schematisch die Bestandteile eines Basisaufbaus
einer Vorrichtung zur künstlichen
Erzeugung einer Gegenkraft dargestellt, die dazu bestimmt ist, mit
einer Fernsteuerungsvorrichtung für Steuerruder eines Luftfahrzeugs
funktional verbunden zu werden, und die gemäß dieser Erfindung ausgeführt ist.
Es muss hier betont werden, dass der eigentliche Fernsteuerungsteil
nicht im Bereich der Erfindung liegt und daher nicht dargestellt ist,
und dass nur die Elemente oder Teile, die von der Erfindung betroffen
sind, dargestellt wurden, nämlich das
Betätigungsorgan
sowie die Elemente oder Teile für
eine künstlichen
Erzeugung einer Gegenkraft, sobald der Benutzer (der Pilot des Luftfahrzeugs)
das Betätigungsorgan
winkelgemäß bewegt,
um auf ein Steuerruder des Luftfahrzeugs einzuwirken, und zwar unter
der Vorgabe, dass diese Steuerung keine eigene Gegenkraft aufweist
(beispielsweise bei einer elektrischen Steuerung).
-
Unter
diesen Bedingungen verfügt
der Pilot über
ein Betätigungsorgan 1,
das ein Pedal oder ein Steuerhebel sein kann. Der Steuerhebel 1 ist
um eine Achse 2 schwenkbar, wobei er einerseits die Steuerungen
der jeweiligen Steuerruder und andererseits eine Welle 3 der
Vorrichtung zur künstlichen
Erzeugung einer Gegenkraft mitnimmt, wobei diese Welle 3,
wie in dem Beispiel von 1 dargestellt, koaxial zu der
genannten Achse 2 oder parallel zu dieser verlaufen kann.
Die Welle 3 ist fest mit einer koaxialen Scheibe 4 verbunden,
die zum Beispiel an ihrer Umfangslinie oder im Bereich ihrer Umfangslinie
einen Mitnehmerfinger (oder ersten Finger) 5 trägt, der
sich parallel zu der Welle 3 erstreckt.
-
Ein
feststehender Gehäuseteil,
der in Form einer feststehenden Platte 6 dargestellt ist,
hält das Ende
der Welle 3 in einem Lager 7 und trägt desgleichen
einen feststehenden Finger (oder zweiten Finger) 8, der
sich parallel zu der Welle 3 erstreckt. Bei der in den 1 und 2 dargestellten
bevorzugten Ausführungsform
steht der Finger 8 vor dem bewegbaren Finger 5,
wenn sich die Vorrichtung in der neutralen Stellung befindet, die
in 1 dargestellt ist und die unten noch zur Sprache
kommt.
-
Eine
Platte 9 befindet sich auf einer Seite der beiden Finger 5 und 8,
und zwar sowohl gegenüber der
einen wie auch der anderen. Bei der in den 1 und 2 dargestellten
Stellung ist die Platte 9 den ihr gegenüberliegenden Rändern 5a bzw. 8a der
beiden Finger 5 und 8 mit ihrem Rand 9a zugewandt, welcher
so geformt ist, dass er in Kontakt mit diesen Rändern der Finger ist. Bei einer
einfachen Ausführungsform
sind die Rändern
der beiden Finger 5 und 8, die zur Platte 9 hin
gewandt sind, aufeinander ausgerichtet sind, so dass der entsprechende
Rand der Platte 9 ein im Wesentlichen geradliniger Rand
ist. Die Platte 9 kann auf jede wünschenswerte Weise gehalten
werden (Schienen, drehbarer Arm, der an der Welle 3 angelenkt
ist, usw.), so dass sie in Abstand von der Welle 3 um diese
schwenken kann.
-
Eine
erste Rückstellfeder 10 ist
am ersten Finger 5 und an der Platte 9 befestigt
(in den 1 und 2 wurden
die beiden Rückstellfedern 10 und 11 in
der Form von entsprechenden zwei Spiralfedern mit quer verlaufender
Ausdehnung schematisch dargestellt).
-
Falls
keine Kraft auf den Steuerhebel 1 ausgeübt wird (Ruhestellung oder
neutrale Stellung, die mit 0 markiert ist und in den 1 und 2 dargestellt
ist), spannen die beiden Federn 10 und 11 die Finger 5 und 8 und
die Platte 9 vor, so dass sie sich berühren.
-
Aus
dem oben Ausgeführten
geht hervor, dass sich unter Einsatz des soeben beschriebenen Aufbaus
und mit der durch die Federn bewerkstelligten Vorspannung eine vollkommene
Vermeidung jeglichen Spiels ergibt, was der Vorrichtung eine große Zuverlässigkeit
verleiht.
-
Wenn
der Steuerhebel 1 beispielsweise nach rechts bewegt wird
(D in den 1, 2 und 2A),
wird der bewegbare Finger 5, der fest mit der Scheibe 4 verbunden
ist, die ihrerseits fest mit der Welle 3 verbunden ist,
quer zur Achse 2 verschoben; er nimmt die Platte 9 mit
und entfernt sie so gegen die Rückstellkraft
der Feder 11 von dem feststehenden Finger 8 (2A).
-
Wenn
der Steuerhebel 1 nun nach links bewegt wird (G in den 1, 2 und 2B),
wird der bewegbare Finger 5 durch die Scheibe 4 verschoben,
ohne aber die Platte 9 mitzunehmen, welche durch den feststehenden
Finger 8 blockiert bleibt; so wird der bewegbare Finger 5 gegen
die Rückstellkraft
der Feder 10 quer zur Achse 2 verschoben (2B).
-
In
den 2A und 2B wurden
(und noch weiter als in 4) die Winkelverschiebungen des
bewegbaren Fingers 5 und der Platte 9 an lineare Verschiebungen
angeglichen.
-
Eine
Anwendung, die ganz besonders, wenn auch nicht ausschließlich, für die erfindungsgemäße Vorrichtung,
wie sie soeben beschrieben wurde, vorgesehen ist, betrifft die Steuerung
der Seitenruder des Leitwerks eines Luftfahrzeugs mittels eines
Steuerhebels, der ein sogenannter „Mini-Steuerhebel" ist, wobei diese
Steuerung erreicht wird, indem der Mini-Steuerhebel winkelig in
einer Ebene quer zur Achse 2 verschoben wird, wie in 1 dargestellt,
d. h. von rechts nach links oder umgekehrt. Bei einem Mini-Steuerhebel,
wenn der Unterarm des Benutzers auf einer Armlehne ruht, sind die
Schwenkbewegungen des Handgriffs nach rechts und nach links auf Grund
der ergonomischen Kraftasymmetrie des Handgriffs nicht symmetrisch,
und daher besteht bei der Steuerung der Seitenruder des Leitwerks
die Gefahr, dass sie nicht symmetrisch nach rechts und nach links
erfolgt.
-
Mit
der gemäß dieser
Erfindung ausgeführten
Vorrichtung ist es möglich,
diesem Nachteil auf einfache Weise abzuhelfen, indem zwei Federn 10 und 11 mit
unterschiedlichen Steifigkeiten eingesetzt werden. Die Ansprechkurve
der Vorrichtung ist dann asymmetrisch, wie deutlich aus 5A hervorgeht, wo
die Kräfte
F auf der Ordinate und die Winkelverschiebungen α des Mini-Steuerhebels 1 auf
der Abszisse aufgetragen sind. Die Neigung des rechts liegenden
rechten Segments d11, die die Steifigkeit
der Feder 11 darstellt, ist geringer als die Neigung des links
liegenden rechten Segments d10, die die
Steifigkeit der Feder 10 darstellt.
-
Außerdem erweist
sich, dass die erfindungsgemäße Ausführung die
Möglichkeit
bietet, Ansprechkurven jeder wünschenswerten
Form herzustellen, d. h. nicht nur Ansprechkurven mit ungleichen Neigungen,
wie in 5A dargestellt, sondern auch, falls
für spezielle
Anwendungen gewünscht,
Ansprechkurven mit vielfach ungleichen Neigungen, wie in 5B mit
d11 und d11b und
mit d10 und d10b dargestellt,
und sogar Ansprechkurven, die zumindest teilweise Kurvenlinienänderungen
mit ungleichen Änderungen
aufweisen, wie in 5C mit d'11 und d'10 dargestellt.
Der Fachmann weiß,
wie solche Ansprechkurven beispielsweise durch bauliches Zusammenfügen von
Federn mit unterschiedliche Steifigkeiten, durch Einsetzen von Federn
mit nicht konstanten Charakteristika usw. zu erreichen sind.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind die Federn 10 und 11 als Torsionsfedern
ausgeführt,
vorteilhafterweise in Form von Spiralfedern, die hintereinander
und um die Welle 3 herum koaxial zu dieser angeordnet sind.
-
Um
den Zusammenbau der Vorrichtung zu vereinfachen, ist es von Vorteil,
die von den beiden Federn 10, 11 und der Platte 9 gebildete
Gruppe als eine Gesamteinheit vorzusehen, die vorgefertigt und in
einem Stück
eingebaut wird.
-
Eine
bevorzugte Weise, diese letztere Anordnung ins Werk zu setzen, besteht
darin, vorzusehen, dass die Platte 9 und die beiden Federn 10, 11 als
eine Einheit in Form eines einzigen einstückigen Teils aus Federstahl
gebildet sind, wobei die Federn 10, 11 aus der
Masse herausgearbeitet sind.
-
Die
soeben dargelegte Ausführung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ermöglicht
es, eine motorisierte Version ins Auge zu fassen, die ein Gefühl der Sicherheit
gibt. Eine unmittelbare Motorisierung des Betätigungsorgans 1 könnte sich
nicht als zufriedenstellend erweisen, da sie in der Lage sein müsste, die
Vorspannkräfte
der Federn zu überwinden,
und im übrigen
im Falle einer „Verladungs"-Motorstörung (das
Funktionieren des Motors ist vom Zufall abhängig) (panne de type „embarquement") nicht sicher wäre. Eine
interessante Lösung
hingegen besteht darin, den Bezugspunkt der neutralen Stellung zu verschieben,
mit anderen Worten, den Finger 8 des Stellungsbezugspunkts
zu motorisieren. Dazu kann, wie in 3 dargestellt,
in Betracht gezogen werden, die Platte 6 in bewegbarer
Form, d. h. um die Welle 3 schwenkbar, auszubilden. Ein
Ausführungsbeispiel kann
darin bestehen, wie in 3 gezeigt, Mittel zum Verschieben 12 vorzusehen,
um die Platte 6 zu bewegen, wobei diese Mittel zum Verschieben 12 einen Motor 13 umfassen
können,
der eine Endlosschnecke 14 antreibt, die sich mit einem
gezahnten, koaxial zur Welle 3 gerundeten Rand 16 der
Platte 6 in Eingriff befindet, mit der der Finger 8 fest verbunden
ist. Wünschenswerterweise
ist ein Winkelpositionsfühler 17,
der in Wirkverbindung mit der Welle 3 angeordnet ist (z.
B. auf der Welle 3 sitzt), in einen Rückmeldekreis eingeschaltet.
-
Eine
solche Ausführung
mit motorisiertem Finger 8 bewirkt durch Verschieben des
Stellungsbezugspunkts eine Aktivierung des Betätigungsorgans 1 und
ermöglicht
damit eine aktive Funktion dieses Organs 1, das im Autopilot-Betrieb
(oder bei nicht benutztem zweiten Steuerhebel) den Entwicklungen des
durch den Rechner oder den Piloten gesteuerten Luftfahrzeugs (Steuerhebel
des Kopiloten) folgen kann. Ein solcher Aufbau ergibt Sicherheit,
da bei einer „Verladungs"-Motorstörung (vom
Zufall abhängiges
Funktionieren des Motors) eine Korrektur durch das Kraftgesetz der
Federn möglich
ist und der Pilot den durch den Motor verursachten unangebrachten Bewegungen
entgegenwirken kann.
-
Aus
der obigen Beschreibung geht deutlich hervor, dass bei der bevorzugten
Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
das Betätigungsorgan ein
Steuerhebel oder Handgriff 1 ist, der manuell zu bedienen
ist, insbesondere ein Mini-Steuerhebel
ist, der zur Steuerung der Seitenruder des Leitwerks des Luftfahrzeugs
durch Schwenken des Handgriffs von einer zentralen neutralen Stellung
aus nach rechts oder links bedient werden kann.
-
Insbesondere
bei dieser speziell ins Auge gefassten bevorzugten Anwendung ist
es möglich, zur
Sicherheit im Falle eines Bruchs des Teils 13 (beispielsweise
einer der Federn 10, 11), wodurch der Steuerhebel 1 lose
würde,
unabhängig
von der Platte 9 eine elastische Kopplung zwischen den
beiden Finger 5 und 8 vorzusehen. Zu diesem Zweck
kann eine zusätzliche
Feder 15 zwischen den Fingern 5 und 8 in
Betracht gezogen werden, wie in der schematischen Darstellung von 4 gezeigt:
die zusätzliche Feder 15,
die zwischen den beiden Finger 5 und 8 diagonal
angebracht ist, erzeugt eine quer verlaufende Rückstellkraftkomponente, die
die Tendenz hat, die beiden Finger in ihre jeweilige in der neutralen
Stellung der Vorrichtung eingenommene Lage zurückzustellen. Die Feder 15 kann
eine geringe Steifigkeit haben und stört den Normalbetrieb der Vorrichtung nicht.