DE60208824T2

DE60208824T2 - Verbesserungen von elektromechanischen aktuatoren

Info

Publication number: DE60208824T2
Application number: DE60208824T
Authority: DE
Inventors: Philippe Gouze; Yvon Joncour
Original assignee: Sagem Defense Securite SA
Current assignee: Safran Electronics and Defense SAS
Priority date: 2001-12-20
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2022-12-21
Also published as: CA2470437C; FR2834030B1; FR2834030A1; US7415904B2; EP1456565A1; EP1456565B1; CA2470437A1; DE60208824D1; ES2252548T3; US20050094331A1; WO2003054423A1

Description

ALLGEMEINES GEBIET UND STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft elektromechanische Aktuatoren.
Sie wird vorteilhaft für Aktuatoren angewendet, mit denen in Luftfahrzeugen Aufhängungsgehäuse von Fahrgestellen und deren Klappen ausgerüstet sind.
Das Dokument US 3 942 385 beschreibt einen mechanischen Aktuator, der einen Motor umfaßt sowie Kupplungsmittel, die eine Ausgangsachse antreiben.
Das allgemeine Ziel der vorgeschlagenen Vorrichtung ist es insbesondere, in sicherer Weise die mechanische Entriegelung bereitzustellen, die das Ausfahren des Fahrgestells durch die Gravitation gestattet.
Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung durch einen Aktuator erreicht, wie er im Anspruch 1 definiert ist.
VORSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorgeschlagene Lösung beruht insbesondere auf der Verwendung bewährter Technologien, deren Einsatz jedoch im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen einen Gewinn in der Masse, einen einfachen Aufbau und eine verringerte Stromaufnahme gestattet. Die verringerte Masse gestattet über ihre direkte Wirkung hinaus die Verringerung der mechanischen Beanspruchungen, die mit den hohen Beschleunigungen im Rahmen ihrer Anwendung verbunden sind. Der einfache Aufbau und die verringerte Anzahl an Teilen gestatten es, ein hohes Maß an Zuverlässigkeit bereitzustellen. Schließlich bietet der durch einen hohen Wirkungsgrad des Aktuators gegebene verringerte Verbrauch nicht nur einen Vorteil im Bereich des Generators, sondern er vermeidet auch eine Erwärmung und Spannungen, die für eine gute Zuverlässigkeit nachteilig sind.
Genauer schlägt die Erfindung einen elektromechanischen Aktuator vor, der wenigstens einen Elektromotor umfaßt, sowie Mittel zur Kupplung und zur Untersetzung, die eine Ausgangsachse antreiben, dadurch gekennzeichnet, daß diese Mittel zur Kupplung und zur Untersetzung mit einer Kurbelscheibe im Eingriff sind, die dafür eingerichtet ist, mit einem durch zwei Anschläge begrenzten Winkelweg gedreht zu werden, wobei eine kleine Pleuelstange an einem Ende auf einem Zapfen der Kurbelscheibe drehbar befestigt ist und an ihrem anderen Ende mit einer Pleuelstange großer Länge drehbar verbunden ist, die ihrerseits mit der Ausgangsachse fest verbunden ist, wobei die beiden Enden dieser Pleuelstange großer Länge jeweils für Verschiebungen entlang einer Führung geführt werden, und dadurch, daß der Winkelausschlag zwischen diesen beiden Anschlägen größer als 180° ist, wobei die Bewegungen der Pleuelstange konstruktionsbedingt blockiert sind, wenn sich die Kurbelscheibe nach dem Überschreiten eines Ausschlags in unmittelbarer Nachbarschaft zu einer ihrer Wegbegrenzungen befindet.
VORSTELLUNG DER FIGUREN
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen noch aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, die nur veranschaulichend und nicht einschränkend zu verstehen ist und die mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung zu lesen ist, in der:
die 1 und 2 kinematische Ketten darstellen, die eine erste mögliche Ausführungsform der Erfindung veranschaulichen;
die 3 und 4 kinematische Ketten darstellen, die eine weitere mögliche Ausführungsform der Erfindung veranschaulichen;
die 5 und 6 schematische perspektivische Darstellungen sind, die den Ausschlag der Pleuelstange der Ausführungsform der 3 und 4 veranschaulichen;
7 die Kurve des Winkelwegs der Pleuelstange in Abhängigkeit von der Winkelposition der Kurbelscheibe darstellt.
BESCHREIBUNG EINER ODER MEHRER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
ERLÄUTERUNGEN
Nachfolgend werden zwei Ausführungsformen beschrieben.
In der einen wie der anderen dieser zwei Ausführungsformen ist das Fehlen eines Differentials und eines Scheckenrads/einer Schnecke zu bemerken. Diese Wahl gestattet folgendes:

– Zuverlässigkeit (durch die Verringerung der Teilezahl und den Aufbau),
– Verbrauch (durch einen hohen Wirkungsgrad Motor/Ausgang),
– Vibrationsumgebung

Der Aktuator gemäß der ersten Ausführungsform hat eine besonders einfache Konzeption und eine verringerte Teilezahl.
Er umfaßt:

– Einen Drehstromasynchronmotor, der aus einem Käfigwicklungsrotor, einem isolierten Doppelwicklungsstator und Schutzvorrichtungen gegen Blockierungen zusammengesetzt ist. Dieser Motor ist von "Raumfahrt"-Anwendungen abgeleitet. Die beweglichen Teile haben geringe Masse, um Vibrationen und Stöße zu verkraften.
– Eine Synchronkupplung mit Permanentmagnet, die es gestattet, den Motor auszukuppeln, wenn der Aktuator am Anschlag ankommt.
– Eine umkehrbare Untersetzung mit hohem Wirkungsgrad.
– Eine nicht umkehrbare Hebelvorrichtung, die es gestattet, die Unumkehrbarkeit am Ende des Wegs bereitzustellen. Diese Vorrichtung vermeidet die Verwendung von Schnecken, die für den Wirkungsgrad nachteilig sind, und damit die Verwendung eines "überdimensionierten" Motors, und sie stellt eine "positive" Unumkehrbarkeit bereit, die unabhängig von Vibrationen ist.

Der Aktuator gemäß der zweiten Ausführungsform umfaßt seinerseits die folgenden Elemente:

– Zwei herkömmliche Drehstromasynchronmotoren.
– Zwei Kupplungen, von denen jede aus einer Zentrifugenkupplung und einer Synchronkupplung zusammengesetzt ist. Diese Kupplungen gestatten es, die Motoren auszukuppeln, wenn der Aktuator am Anschlag ankommt, und das Funktionieren im Fall einer Motorblockierung bereitzustellen. Die Verwendung solcher Vorrichtungen gestattet es, das folgende bereitzustellen:
– Eine Untersetzung und eine Hebelvorrichtung.

ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM
Die gewählte Lösung gestattet es, denselben Aktuator für die verschiedenen, "UPLOCKS" genannten Aufhängungsgehäuseanwendungen einzusetzen.
Selbstverständlich können in Abhängigkeit von den Verschiebungswegen Varianten angepaßt werden.
Die zur Bereitstellung der Funktionen der Aktuatoren eingesetzten Lösungen liegen in dem nachfolgend beschriebenen Aufbau vor:
Das Schema der kinematischen Kette ist in 1 dargestellt.
Der Motor 1 mit asynchroner Drehstromtechnologie, der mit 115 V Wechselspannung mit variabler Frequenz zwischen 360 und 800 Hz versorgt wird, besitzt eine Doppelwicklung am Stator und einen einzelnen Rotor. Jede Wicklung ist unabhängig und elektrisch isoliert.
Diese Lösung hat den Vorteil viel zuverlässiger als eine andere Motortechnik zu sein. Tatsächlich ist die Anzahl der Teile und der Komponenten im Aufbau des Motors, in seiner Steuerung und in seiner EMC/EMI-Filterung verringert. Außerdem ist die Anzahl der bewegten Teile auf das unbedingt Notwendige beschränkt, was zwei Motoren, die über ein Differentialgetriebe gekoppelt sind, vorzuziehen ist.
Diese Vorrichtung arbeitet ohne eine elektronische Schaltung, wodurch insbesondere die mit der Zuverlässigkeit und der Alterung aktiver oder passiver Komponenten verbundenen Nachteile vermieden werden.
Die einzige Ausgangswelle (3) ist direkt an einen Drehmomentbegrenzer (4) gekoppelt, der dafür vorgesehen ist, den Stoß des plötzlichen Anhaltens der Elemente der kinematischen Kette zu dämpfen, wenn der Ausgang der Untersetzung oder die Ausgangswelle an die mechanischen Anschläge am Wegende stoßen. Dieser Begrenzer gestattet es auch dem Motor sich weiterzudrehen, wenn die Untersetzung im Stillstand ist, wodurch die Lebensdauer der Wicklungen verlängert wird.
Dieser Drehmomentbegrenzer mit Magnettechnologie (4) hat die Eigenschaft ein kleines Drehmoment zu übertragen und daher kleine Abmessungen zu besitzen. Außerdem hat diese Technik den Vorteil die Dissipation der vom Motor gelieferten Energie beträchtlich zu verringern wenn die Ausgangswelle am Anschlag ist, weil der Synchronitätsverlust das magnetische Auskuppeln und damit den Abfall des Drehmoments in der Übertragung bewirkt. Der Motor dreht dann praktisch frei.
Der Ausgang des Drehmomentbegrenzers ist mit einem Zahnrad (5) ausgestattet, das direkt in die erste Stufe einer geradverzahnten Untersetzung (6) eingreift. Damit ein guter Wirkungsgrad dieser Untersetzung erreicht wird, sind die ersten Stufen mit Kugellagern ausgestattet, die in den Lagern vorgespannt sind. Die Ausgangsstufen haben glatte Buchsen.
Das Ausgangszahnrad der Untersetzung greift direkt in eine Kurbelscheibe 7 ein, die mit einem Zahnrad und einem Zapfen 8 ausgestattet ist. Diese Scheibe wird mit einer Drehbewegung angetrieben, deren Winkelamplitude durch 2 mit dem Aktuatorgehäuse fest verbundene Anschläge auf etwa 200° begrenzt ist. Diese mechanischen Anschläge gestatten die Blockierung einer kleinen Pleuelstange 9 am Ende des Wegs der Scheibe 7.
Der Kopf dieser kleinen Pleuelstange 9 kurzer Länge ist drehbar auf dem Zapfen der Kurbelscheibe 7 befestigt. Sie prägt dem Ende der Pleuelstange 10 großer Länge, die zwischen 2 Führungen kreist, eine Drehbewegung auf. Das andere Ende dieser Pleuelstange ist fest mit der Ausgangsachse des Aktuators verbunden, um eine begrenzte Drehbewegung zu übertragen (beispielsweise von 12° oder 13°).
Dieses mechanische System bildet eine Bewegungsmechanik, die sich an den Enden des Winkelwegs blockiert.
Bei seiner Drehung gegen den Uhrzeigersinn (CCW) kommt der Punkt B, der den Zapfen der Scheibe symbolisiert, in Kontakt mit dem mechanischen CCW-Anschlag (dieser Anschlag kann außerhalb des Aktuators liegen) nachdem er den Punkt E überschritten hat (siehe die Abbildung in 2). Dieser Punkt E ist gegenüber dem Aktuatorgehäuse fest und er ist die Grenze des Wegs, der die nicht mehr mögliche Umkehr der Scheibenbewegung durch die Wirkung der Pleuelstange ohne ein Zusammentreffen mit dem CCW-Anschlag darstellt.
Das System Pleuelstange+kleine Pleuelstange+Scheibe+Anschlag blockiert somit in der Richtung gegen den Uhrzeigersinn (CCW) für jede Bewegung, die von der Pleuelstange und damit von der durch den Punkt D symbolisierten Ausgangsachse des Aktuators kommt (siehe die Position in 2).
Nur die Umkehr der Drehrichtung der Scheibe 7, die im Uhrzeigersinn drehen kann, gestattet es der kleinen Pleuelstange 9 und der Pleuelstange 10 sich zu bewegen und damit die Bewegungsmechanik freizugeben.
Diese Pleuelstange bewegt sich dann zuerst in Richtung des außerhalb des Aktuators liegenden Anschlags, indem eine Belastung auf die Untergruppe kleine Pleuelstange+Pleuelstange angewendet wird, wobei in diesem Moment die Ausgangsachse (Punkt D) sich nicht dreht. Diese Belastung wird durch eine elastische Verformung eines der Teile (geeigneter Form) absorbiert, die die Bewegungsmechanik bilden. Diese Verformung erreicht ihr Maximum, wenn der Punkt B (Zapfen) den Punkt E trifft und nimmt jenseits davon ab, bis die Ausgangsachse für Drehungen freigegeben wird.
Somit erreicht der Zapfen nach dem Überschreiten des Punktes E (der gegenüber dem Gehäuse fest ist) den anderen Anschlag CW, indem er sich im Uhrzeigersinn dreht (CW).
Bei seiner Drehung im Uhrzeigersinn (CW) kommt der Punkt B, der den Zapfen der Scheibe symbolisiert, dieses Mal in Kontakt mit dem mechanischen Anschlag CW (wobei dieser Anschlag außerhalb des Aktuators liegen kann), nachdem er den Puntk F überschritten hat (siehe die Abbildung in 3). Dieser Punkt F ist gegenüber dem Aktuatorgehäuse fest und er ist die Grenze des Wegs, der der nicht mehr möglichen Umkehr der Scheibenbewegung durch die Wirkung der Pleuelstange ohne ein Zusammentreffen mit dem CW-Anschlag entspricht.
Das System Pleuelstange+kleine Pleuelstange+Scheibe+Anschlag blockiert somit in der Richtung im Uhrzeigersinn (CW) für jede Bewegung, die von der Pleuelstange und damit von der durch den Punkt D symbolisierten Ausgangsachse des Aktuators kommt (siehe die Position in 3).
Nur die Umkehr der Drehrichtung der Scheibe 7, die gegen den Uhrzeigersinn drehen kann, gestattet es der kleinen Pleuelstange 9 und der Pleuelstange 10 sich zu bewegen und damit die Bewegungsmechanik freizugeben.
Diese Pleuelstange bewegt sich dann zuerst in Richtung des außerhalb des Aktuators liegenden Anschlags, indem eine Belastung auf die Untergruppe kleine Pleuelstange+Pleuelstange angewendet wird, wobei in diesem Moment die Ausgangsachse (Punkt D) sich nicht dreht. Diese Belastung wird durch eine elastische Verformung eines der Teile (geeigneter Form) absorbiert, die die Bewegungsmechanik bilden. Diese Verformung erreicht ihr Maximum, wenn der Punkt B (Zapfen) den Punkt F trifft und nimmt jenseits davon ab, bis die Ausgangsachse für Drehungen freigegeben wird.
Somit erreicht der Zapfen nach dem Überschreiten des Punktes F (der gegenüber dem Gehäuse fest ist) erneut den anderen Anschlag CCW, indem er sich im Uhrzeigersinn dreht (CCW).
ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM
Wie bei der Option 1 besteht die gewählte Lösung ebenfalls darin, denselben Aktuator für die 7 verschiedenen Anwendungen von "UPLOCKS"-Aufhängungsgehäusen zu verwenden. Falls notwendig, kann eine Variante angepaßt werden, um die Winkelausschläge von 13° gegenüber denen von 12° zu unterscheiden.
Die zur Bereitstellung der Funktionen der Aktuatoren eingesetzten Lösungen liegen in dem nachfolgend beschriebenen Aufbau vor:
Das Schema der kinematischen Kette ist in 4 auf der folgenden Seite dargestellt.
Zwei Motoren (1 und 2) mit asynchroner Drehstromtechnologie, die mit 115 V Wechselspannung mit variabler Frequenz zwischen 360 und 800 Hz versorgt werden, besitzen eine einfache Wicklung am Stator.
Diese Lösung hat den Vorteil viel zuverlässiger als eine andere Motortechnik zu sein. Tatsächlich ist die Anzahl der Teile und der Komponenten im Aufbau des Motors, in seiner Steuerung und in seiner EMC/EMI-Filterung verringert. Außerdem ist die Anzahl der bewegten Teile verringert, was zwei Motoren, die über ein Differentialgetriebe gekoppelt sind, vorzuziehen ist.
Diese Vorrichtung arbeitet ohne eine elektronische Schaltung, wodurch insbesondere die mit der Zuverlässigkeit und der Alterung aktiver oder passiver Komponenten verbundenen Nachteile vermieden werden.
Die Ausgangswelle jedes der Motoren ist direkt an eine Zentrifugalkupplung 3 gekoppelt, die es gestattet, den Rotor eines defekten Motors von der kinematischen Kette des Aktuators zu trennen. So kann der intakte Motor anlaufen, ohne die zusätzliche Last des ausgefallenen Motors anzutreiben.
Der Ausgang der Zentrifugalkupplung ist mit einen Drehmomentbegrenzer 4 verbunden, der dafür vorgesehen ist, den Stoß des plötzlichen Anhaltens der Elemente der kinematischen Kette zu dämpfen, wenn der Ausgang der Untersetzung oder die Ausgangswelle an die mechanischen Anschläge am Wegende stoßen. Dieser Begrenzer gestattet es auch dem Motor sich weiterzudrehen, wenn die Untersetzung im Stillstand ist, wodurch die Lebensdauer der Wicklungen verlängert wird.
Dieser Begrenzer basiert auf Magnettechnologie 4, die die Eigenschaft hat, ein kleines Drehmoment zu übertragen und daher kleine Abmessungen zu besitzen. Außerdem hat diese Technik den Vorteil die Dissipation der vom Motor gelieferten Energie beträchtlich zu verringern wenn die Ausgangswelle am Anschlag ist, weil der Synchronitätsverlust das magnetische Auskuppeln und damit den Abfall des Drehmoments in der Übertragung bewirkt. Der Motor dreht dann praktisch frei.
Der Ausgang jedes der beiden Begrenzer 4 ist mit einem Zahnrad 5 gekoppelt, das direkt in die erste Stufe einer geradverzahnten Untersetzung 6 eingreift. Damit ein guter Wirkungsgrad dieser Untersetzung erreicht wird, sind die ersten Stufen mit Kugellagern ausgestattet, die in den Lagern vorgespannt sind. Die Ausgangsstufen haben glatte Buchsen.
Das Ausgangszahnrad der Untersetzung greift direkt in eine Kurbelscheibe 7 ein, die mit einem Zahnrad und einem Zapfen 8 ausgestattet ist. Diese Scheibe ist mit dem Pleuelstangensystem verbunden, das die unumkehrbare Blockierung der Ausgangswelle (11) am Ende seines Weges gestattet, wobei diese Anordnung identisch mit derjenigen der ersten Ausführungsform ist.
Die Beschreibung der Arbeitsweise des unumkehrbaren Systems ist weiter oben bei der Lösung der ersten Ausführungsform dargelegt.
BEISPIEL DER DIMENSIONIERUNGEN
Das Untersetzungsverhältnis ist hoch und es wird auf der Basis von Motoren mit 2 Polpaaren berechnet:
N Motor = 10500 U/min für einen geringen Schlupf, also 175 U/sec, wenn die Frequenz bei 360 Hz liegt.
Der Ausgangszapfen (8 in 1) der Untersetzung soll sich mit 0.24 U/sec drehen.
Das Verhältnis der Untersetzung beträgt damit 175 / 0.24 = 729. Die Untersetzung (6) ist aus 4 Stufen zusammengesetzt:

– R1 auf der Kurbelscheibe = 5.8 (Modul von 0.75 mm)
– R2 = R3 = R4 = 5 (Modul von 0.5 mm) mit identischen Stufenrädern.

Das Untersetzungsverhältnis beträgt damit: 5.8 × 125 = 725.
Das Antriebszahnrad (Motorausgang) hat 15 Zähne.
Der Wirkungsgrad der Untersetzung beträgt: 0.92 × 0.97 × 0.97 × 0.97 = 0.84.

– 0.92 für R1
– 0.97 für R2, R3 und R4.

Der Wirkungsgrad des Systems Kurbel-Pleuelstange beträgt: 0.98 × 0.92 × 0.95 = 0.85.

– 0.98 für die Ausgangsachse.
– 0.92 für die Kopplung der Pleuelstangen (mit Gleitführung).
– 0.95 für die Kurbel.

Dies ergibt einen mechanischen Gesamtwirkungsgrad von 0.89 × 0.88 = 0.71. Das aufzubringende Eingangsdrehmoment beträgt 60 Nm (AT) über 2.5 sec oder auch 120 Nm (2AT) über eine viel längere Zeitdauer.
Die Untersetzung des Pleuelstangensystems beträgt etwa 10.
Um Verdrehungseffekten unter der Wirkung der mechanischen Umgebung (Vibrationen, Stöße, Erschütterungen ...) vorzubeugen, ist an der ersten Stufe der Untersetzung ein Reibungsdrehmoment zum Halten der Kurbel am Anschlag vorzusehen: es beträgt etwa 0,001 Nm. Diese Reibung wird durch ein magnetisches Element mit Permanentmagneten realisiert.
Die Dimensionierung des Motors für eine einzelne Wicklung ist die folgende: anzutreibendes Drehmoment unter ungünstigsten Bedingungen: (60/10/725/0.71) + 0.001 = 0.013 Nm.

Claims

Elektromechanischer Aktuator, der wenigstens einen Elektromotor (1) umfaßt, sowie Mittel zur Kupplung und zur Untersetzung, die eine Ausgangsachse antreiben, dadurch gekennzeichnet, daß diese Mittel zur Kupplung und zur Untersetzung mit einer Kurbelscheibe (7) im Eingriff sind, die dafür eingerichtet ist, mit einem durch zwei Anschläge begrenzten Winkelweg gedreht zu werden, wobei eine kleine Pleuelstange (9) an einem Ende auf einem Zapfen (8) der Kurbelscheibe (7) drehbar befestigt ist und an ihrem anderen Ende mit einer Pleuelstange (10) großer Länge drehbar verbunden ist, die ihrerseits mit der Ausgangsachse fest verbunden ist, wobei die beiden Enden dieser Pleuelstange (10) großer Länge jeweils für Verschiebungen entlang einer Führung geführt werden, und dadurch, daß der Winkelausschlag zwischen diesen beiden Anschlägen größer als 180° ist, wobei die Bewegungen der Pleuelstange (10) konstruktionsbedingt blockiert sind, wenn sich die Kurbelscheibe (7) nach dem überschreiten eines Ausschlags in unmittelbarer Nachbarschaft zu einer ihrer Wegbegrenzungen befindet.
Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Asynchronmotor mit Doppelstator umfaßt.
Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei Asynchronmotoren umfaßt.
Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Kopplung einen Drehmomentbegrenzer umfassen.
Aktuator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehmomentbegrenzer vom Magnettyp ist.
Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelausschlag der Kurbelscheibe (7) zwischen den beiden Anschlägen etwa 200° beträgt.
Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Pleuelstange (10) der mögliche Winkelausschlag in etwa 12–13° beträgt.
Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Untersetzungsmittel erste Stufen umfassen, die mit in den Lagern vorgespannten Kugellagern ausgestattet sind.
Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Untersetzungsmittel Ausgangsstufen mit glatten Buchsen umfassen.
Aktuator für Aufhängungsgehäuse von Fahrgestellen und/oder für die Klappen solcher Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß er durch einen Aktuator gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche gebildet wird.