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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Steuerungssysteme, die eine Steuerungsbetätigung präzise und
bleibend in eine gewählte
Position zurückstellen,
wenn die Steuerung freigegeben wird, sowie insbesondere ein Steuerungssystem
zur Bewegung eines Flugzeugs oder dergleichen am Boden, wobei sich
das Flugzeug in einer geraden Fahrtrichtung weiterbewegt, wenn die
Steuerungsbetätigung
in eine zentrierte Position zurückgeht.
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Stand der Technik
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Nach
dem gegenwärtigen
Stand der Technik lassen sich Flugzeuge, die am Boden bewegt werden,
dadurch steuern, dass die Ausrichtung des Flugzeugbugfahrwerks verändert wird.
Ein Bugfahrwerksystem besteht allgemein aus einem Handradmechanismus
mit Positionswandlern, die dem Steuerungssystem Handradpositionsinformationen
zur Verfügung
stellen, wodurch die Ausrichtung des Bugfahrwerks eingestellt werden
kann. Mechanische Bauteile des Handradmechanismus weisen häufig nach
einer längeren
Einsatzdauer Verschleißerscheinungen
auf. Mechanischer Verschleiß kann
das Leistungsverhalten von Steuerungssystemen beeinträchtigen,
insbesondere wenn Bauteile mit engen Toleranzen ausgelegt sind.
Insbesondere mechanischer Verschleiß, Leerweg und Totgang des
Fahrwerks (d. h. das Ausmaß des
Spiels zwischen Zahnradzähnen) können den
Eingriff zwischen der Steuerungsbetätigung und dem Bugrad unterbrechen,
was eine ungenaue Bugradsteuerung und ein Abweichen von einem beabsichtigten
Kurs zur Folge hat. Ein Steuerungssystem nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 ist in der Patentschrift
US2002/108804-A1 beschrieben.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein verbessertes Steuerungssystem (Anspruch
1), ein Verfahren zur Herstellung eines Zentriermechanismus (Anspruch
8) sowie ein Verfahren zur Zentrierung einer Welle (Anspruch 10)
bereit. Das Steuerungssystem beinhaltet eine Hauptsteuerungswelle,
die von einer zentrierten oder neutralen Position aus betätigt werden
kann und in Reaktion auf eine Steuerungskraft oder ein Steuerungsdrehmoment,
die bzw. das auf ein an der Hauptwelle montiertes Handrad ausgeübt wird,
drehbar ist. Die Hauptwelle wirkt mit einer Gruppe von Zahnrädern, beispielsweise
Stirnrädern,
und mit einem Zentriermechanismus zusammen. Die Zahnräder drehen
sich in Reaktion auf eine Steuerungskraft oder ein Steuerungsdrehmoment,
die bzw. das auf die Hauptwelle ausgeübt wird, und der Zentriermechanismus übt auf die
Zahnräder
eine Gegenkraft oder ein Gegendrehmoment aus, um die Hauptwelle
in die ursprüngliche
zentrierte Position zurückzustellen,
wenn die auf das Handrad einwirkende Steuerungskraft freigegeben
wird. Das Gegendrehmoment wird durch ein Vorspannelement bereitgestellt,
das die Hauptwelle hin zur zentrierten Position vorspannt, so dass
das Flugzeug automatisch zu einem geraden Kurs zurückkehrt,
wenn das Handrad freigegeben wird.
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Die
vorliegende Erfindung kann in Verbindung mit einem induktiven Drehpotentiometer
mit linearem Ausgangssignal (rotational variable differential transformer
= RVDT) oder einem anderen positionsempfindlichen Wandler zum Einsatz
kommen. Wird das Handrad gedreht, überwacht das RVDT die Drehabweichung
der Hauptwelle und wandelt die Winkelposition der Welle in ein elektrisches
Signal um. Das Signal wird an das Navigationssystem des Flugzeugs
gesendet, das die Ausrichtung des Bugrads in Übereinstimmung mit der Ausrichtung
der Hauptwelle ändert.
Nachdem das Handrad gedreht und freigegeben wurde, übt der Zentriermechanismus
auf die Stirnräder
ein Gegendrehmoment aus, um die Hauptwelle und das Handrad in die
zentrierte Position zurückzustellen.
Das RVDT überwacht
die Drehänderung
in der Hauptwelle und sendet ein entsprechendes Signal an das Navigationssystem
des Flugzeugs, um das Bugrad wieder in eine zentrierte Position
zu bringen, so dass sich das Flugzeug in einer geraden Linie weiterbewegt.
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Das
vorliegende Steuerungssystem stellt die Hauptwelle jedes Mal, wenn
das Handrad freigegeben wird, präzise
und bleibend in ihre zentrierte Position zurück. Dadurch wird sichergestellt,
dass das RVDT die entsprechende Ausrichtung für die Zentrierung des Bugrads
abliest. Das Steuerungssystem ist so konfiguriert, das mechanische
Einschränkungen, beispielsweise
Zahnradverschleiß und
Zahnradtotgang, kompensiert werden. Die Zahnräder stehen insbesondere in
einer zusammengefassten oder integrierten Gruppe miteinander in
Eingriff, wodurch im Wesentlichen verhindert wird, dass sich ein
beliebiges Zahnrad unabhängig
von den anderen Zahnrädern
bewegt oder durchrutscht. Die Stirnräder werden durch konstante
Belastungen, die durch eine Drehung des Handrads bewirkt werden,
sowie durch vom Zentriermechanismus ausgehende gegenwirkende Belastungen
in gegenseitigem betriebswirksamen Eingriff gehalten. Kontaktoberflächen ineinandergreifender
Zahnradzähne
bleiben weiterhin in gegenseitigem Eingriff, wenn die Steuerungsrichtung von
einer Richtung aus in die Gegenrichtung geändert wird. Als eine Folge
davon werden Zahnradtotgang und Zahnradverschleiß minimiert, so dass der Zentriermechanismus
die Hauptwelle präzise
und bleibend in die zentrierte Position zurückstellen kann.
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Die
integrierten Zahnräder
stehen direkt oder indirekt in gegenseitigem Eingriff, so dass sich
die Zahnräder gleichzeitig
drehen und ihre Richtung ändern,
wenn sich die auf die Hauptwelle einwirkenden Belastungen ändern. Die
Zahnräder
stehen an Mehrfachberührungsflächen innerhalb
der Zahnradgruppe in gegenseitigem Eingriff, um so die Verschleißauswirkungen,
die an einer Stelle auftreten können,
zu minimieren. Verschleiß aufweisende
Flächen
an einem individuellen Zahnrad haben daher keine Unterbrechung oder
Beeinträchtigung
der Steuerungspräzision
oder ein Durchrutschen der Zahnräder
zur Folge. Durch den konstanten Eingriff zwischen den Zahnrädern und
die Anordnung der Zahnräder
in Form einer zusammengefassten integrierten Zahnradgruppe werden
jeglicher Verschleiß und
andere mechanische Einschränkungen,
die eventuell vorliegen, kompensiert.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Die
vorstehende Zusammenfassung und die nachstehende Beschreibung werden
in Verbindung mit den Figuren verdeutlicht; dabei sind:
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1 eine
isometrische Ansicht eines zur Verwendung in einem Flugzeug oder
dergleichen vorgesehenen Steuerungsmoduls in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung;
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2 eine
fragmentarische, auseinandergezogene isometrische Ansicht des Steuerungsmoduls von 1,
in der Bauteile des Steuerungsmoduls dargestellt sind;
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3 eine
vergrößerte isometrische
Ansicht eines im Steuerungsmodul von 1 verwendeten Antriebszahnrads;
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4 eine
vergrößerte, auseinandergezogene
isometrische Ansicht der im Steuerungsmodul von 1 verwendeten
Zahnräder,
in der die Drehmomentverteilung während einer Rechtsdrehung dargestellt
ist;
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5 eine
vergrößerte, auseinandergezogene
isometrische Darstellung der im Steuerungsmodul von 1 verwendeten
Zahnräder,
in der die Drehmomentverteilung während einer Linksdrehung dargestellt
ist;
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6 ein
schematischer Seitenaufriss einer alternativen Konfiguration des
Handrads und der Hauptwelle.
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Ausführliche Beschreibung
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In
den 1 bis 5, auf die allgemein Bezug genommen
wird, sowie insbesondere in 1 ist ein
allgemein mit 2 bezeichnetes Steuerungsmodul dargestellt.
Das Steuerungsmodul 2 und seine Bauteile können in
einer Vielzahl von Steuerungsanwendungen zum Einsatz kommen, wozu
auch Steuerungsanwendungen zählen,
in denen ein selbstzentrierendes Merkmal erwünscht ist. Im Rahmen dieser Beschreibung
wird das Steuerungsmodul 2 beispielsweise für eine Verwendung
in einem Bugradsteuerungssystem eines Flugzeugs beschrieben und
dargestellt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auch für andere
als Flugzeugsteuerungssysteme anwendbar, beispielsweise für andere
Fahrzeugsteuerungssysteme, wozu auch solche zählen, die den Vorteil einer elektronischen
Steuerung aufweisen. Elektronische Steuerungssysteme sind von Vorteil,
wenn entfernt gelegene oder Mehrfachsteuerungsstellen erforderlich
sind, wie beispielsweise bei Baufahrzeugen oder Müllwagen
mit Doppelsteuerung. Zusätzlich
ist die vorliegende Erfindung für
jedes beliebige System anwendbar, das eine bidirektionale manuelle
Eingabe, beispielsweise einen Hebel, ein Handrad oder ein Rad, benötigt, wobei
ebenfalls eine automatische Drehung in eine neutrale Position erforderlich
ist, wenn der manuelle Eingriff freigegeben wird. Die vorliegende
Erfindung lässt
sich beispielsweise auch für Game
Controller und Verfahrenssteuerungen einsetzen. Wie wiederum aus 1 ersichtlich,
umfasst das Steuerungsmodul 2 ein Handrad 4, das
drehbar ist, um die Ausrichtung eines Bugrads am Flugzeug zu steuern,
während
das Flugzeug am Boden rangiert wird. Das Handrad 4 lässt sich
von einer Null-Grad-Position (0°)
oder einer zentrierten Position aus betätigen, um das Flugzeug in einer
geraden Linie zu steuern. Das Handrad 4 ist in Dreheingriff
mit einem Zentriermechanismus 6 verbunden, mit dem das
Handrad in die zentrierte Position zurückgestellt werden kann, nachdem
eine Steuerungskraft ausgeübt
und wieder am Handrad freigegeben wurde.
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Wie
aus den 1 bis 2 ersichtlich,
ist das Handrad 4 an einer Hauptwelleneinheit 20 montiert,
die so konfiguriert ist, dass sie sich mit dem Handrad dreht. Der
Zentriermechanismus 6 steht in Dreheingriff mit der Hauptwelleneinheit 20 und
ist so konfiguriert, dass er auf die Hauptwelleneinheit eine Zentrier-
oder Rückstellkraft
ausübt,
um das Handrad 4 hin zur zentrierten Position vorzuspannen.
Die Hauptwelleneinheit 20 greift in einen positionsempfindlichen
Wandler 80 ein, der so konfiguriert ist, dass er die Ausrichtung
der Hauptwelleneinheit überwacht und
die Drehposition in ein elektrisches Signal umwandelt. Das Signal
weist das elektrische System des Flugzeugs an, das Bugrad in Übereinstimmung mit
der Ausrichtung der Hauptwelleneinheit und des Handrads 4 neu
auszurichten.
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Der
Zentriermechanismus 6 ist so konfiguriert, dass er die
Hauptwelleneinheit 20 und das Handrad 4 jedes
Mal präzise
in die zentrierte Position zurückstellt,
wenn eine auf das Handrad einwirkende Steuerungskraft freigegeben
wird. Der Zentriermechanismus als solcher kann dem Wandler 80 einen Ablesewert
für die
zentrierte Position zur Verfügung stellen,
wenn das Handrad 4 freigegeben wird, wobei an das Flugzeug
ein präzises
Signal gesendet wird, um das Bugrad in einer geraden Ausrichtung
zu steuern.
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Unter
Bezugnahme auf die 1 bis 3 wird nunmehr
das Bugradsteuerungsmodul 2 ausführlicher beschrieben. Der Zentriermechanismus 6 befindet
sich in einer Gehäuseeinheit 10,
die eine Gehäusebasis 12 und
eine Gehäuseabdeckung 13 umfasst.
Die Gehäusebasis 12 umfasst
eine allgemein zentral vorgesehene Öffnung 14, die so
ausgebildet ist, dass sie die Hauptwelleneinheit 20 aufnehmen
kann. Die Hauptwelleneinheit 20 wird insbesondere über ein
in der Öffnung 14 montiertes
Lager 16 eingebaut. Das Lager 16 kann ein Nadellager
oder ein anderes Bauteil sein, das so konfiguriert ist, dass es
eine Drehabweichung der Hauptwelleneinheit 20 durch die
Gehäusebasis 12 zulässt.
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Das
Handrad 4 und die Hauptwelleneinheit 20 sind so
konfiguriert, dass sie eine Drehabweichung zwischen einer äußersten
Position entgegen dem Uhrzeigersinn und einer äußersten Position im Uhrzeigersinn
ermöglichen.
Das Handrad lässt
sich vorzugsweise über
eine Winkeldrehung von bis zu 150° in
jeder Richtung von der neutralen Position aus betätigen. Eine
in jeder Richtung über
150° hinausgehende
Drehung des Handrads kann durch Versetzen des Handrads 4 gegenüber der
Hauptwelle 20 und durch zusätzliche Zahnräder erzielt
werden, um die Drehung der Hauptwelle 20 im Verhältnis zur
Drehung des Handrads 4 zu reduzieren, wie in 6 dargestellt.
Das Handrad 4 ist an einer Handradwelle 7 montiert,
die allgemein parallel zur Hauptwelle 20 angeordnet ist.
Ein oberes Steuerungszahnrad 3 ist an der Handradwelle 7 montiert,
so dass sich das obere Zahnrad 3 im Gleichklang mit der
Drehung der Handradwelle 7 dreht.
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Ein
unteres Steuerungszahnrad 5 ist an der Hauptwelle 20 montiert,
so dass sich das untere Zahnrad 5 im Gleichklang mit der
Drehung der Hauptwelle 20 dreht. Das untere Steuerungszahnrad 5 befindet
sich an der Hauptwelle 20 an einer Position, die ein Verzahnen
oder Eingreifen mit dem oberen Steuerungszahnrad 3 ermöglicht,
um die Drehbewegung des Handrads 4 auf die Hauptwelle 20 übertragen
zu können.
Ein Anti-Totgangzahnrad
kann in das obere oder untere Steuerungszahnrad 3, 5 integriert
werden, um einen durch Hinzufügung
dieser Zahnräder
bedingten Totganganstieg auszuschließen.
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Die
Winkeldrehung des Handrads 4 und der Hauptwelle 20 kann
durch Verwendung einer Vielzahl von Konstruktionsanordnungen begrenzt
werden. Die Hauptwelle 20 kann beispielsweise einen Anschlagstift 22 haben,
wie in 2 dargestellt, der sich im Gleichklang mit der
Hauptwelle 20 dreht. Ein Paar Stellschrauben 18,
die in der Gehäusebasis 12 vorgesehen
sind, erstrecken sich in den Drehpfad des Anschlagstifts hinein,
um in den sich drehenden Anschlagstift einzugreifen. Somit wird
der Bereich der Winkeldrehung der Hauptwelle 20 und des
Handrads 4 durch die Stellschrauben 18 begrenzt.
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In 2 ist
der in Druckpassung in das Äußere der
Hauptwelle 20 eingepasste Anschlagstift 22 dargestellt.
Die Öffnung 14 in
der Gehäusebasis 12 umfasst
einen halbkreisförmigen
Kanal 15, der so ausgebildet ist, dass er den Anschlagstift 22 aufnimmt
und eine Drehung des Anschlagstifts innerhalb der Öffnung zulässt, wenn
die Hauptwelle 20 in der Öffnung gedreht wird. Die Gehäusebasis 12 umfasst
ein Paar Bohrungen 17, die von einer oberen Oberfläche der
Gehäusebasis
aus nach unten durch die Basis verlaufen, wo sie mit der Öffnung 14 in
Verbindung stehen. Jede Bohrung 17 ist so ausgebildet, dass
sie eine der Gewindestellschrauben 18 so aufnehmen kann,
dass ein Ende einer jeden Stellschraube in das Innere der Öffnung 14 hineinragt.
Die Bohrungen 17 haben ein Gewinde, das in das Gewinde der
Stellschrauben 18 eingreift. Die Stellschrauben 18 lassen
sich als solche innerhalb der Bohrungen 17 in Reaktion
auf eine Torsionseinstellung versetzen. Die Stellschrauben 18 sind
so konfiguriert, dass sie durch die Bohrungen 17 in das
Innere der Öffnung 14 eingesetzt
werden können,
wo die Schrauben in den Anschlagstift 22 eingreifen, um
die Drehung der Hauptwelle 20 und des Handrads 4 zu
begrenzen. Die Grenzen der Handraddrehung sind durch Einstellen
der Position der Stellschrauben 18 innerhalb der Bohrungen 17 und
der Öffnung 14 einstellbar.
Insbesondere kann der Bereich der Handraddrehung verringert werden,
indem die Schrauben 18 so eingestellt werden, dass sie
weiter in die Öffnung 14 hineinragen.
Der Bereich der Handraddrehung kann gleichermaßen vergrößert werden, indem die Schrauben
so eingestellt werden, dass sie nicht so weit in die Öffnung 14 hineinragen.
Wenn keine einstellbaren Anschläge
benötigt
werden, können
die Stellschrauben 18 entfernt werden, und die Enden der Öffnung dienen
dann als die Endanschläge.
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Die
Hauptwelleneinheit 20 ist so konfiguriert, dass sie das
Handrad 4 mit dem Zentriermechanismus 6 verbindet
und Drehmoment zwischen dem Handrad und dem Zentriermechanismus überträgt. Die
Hauptwelleneinheit 20 umfasst einen vergrößerten Durchmesserbereich 28,
der so konfiguriert ist, das eine Verbindung mit dem Handrad möglich ist. Das
Handrad 4 ist mit einer zylindrischen Säule 36 mit einer Bohrung 37 verbunden,
die so ausgebildet ist, dass sie den vergrößerten Durchmesserbereich 28 der
Hauptwelle 20 aufnehmen kann. Der vergrößerte Durchmesserbereich 28 der
Hauptwelle 20 kann mittels verschiedener beliebiger Montageverfahren
innerhalb der Säule 36 am
Handrad 4 gesichert werden. In 2 ist der
vergrößerte Durchmesserbereich 28 beispielsweise
mit einem Stiftloch 29 dargestellt, das so konfiguriert
ist, dass es sich zu einem Stiftloch 38 an der Radsäule 36 ausrichtet,
wenn der vergrößerte Durchmesserbereich
in die Bohrung 37 in der Radsäule eingesetzt wird. Ein Stift 39 ist
so konfiguriert, dass er sich durch die ausgerichteten Löcher 29, 38 einsetzen
lässt,
um das Handrad 4 so an der Hauptwelle 20 zu sichern,
dass das Handrad und die Hauptwelle integral verbunden und im Gleichklang
drehbar sind.
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Die
Hauptwelleneinheit 20 umfasst weiterhin einen reduzierten
Durchmesserbereich 30, der so konfiguriert ist, dass er
Drehmoment vom Handrad 4 auf den Zentriermechanismus 6 überträgt. Der
Zentriermechanismus 6 umfasst eine obere Antriebszahnradeinheit 40,
die auf die Hauptwelle 20 ausgeübtes Drehmoment in einer im
Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung überträgt, sowie eine untere Antriebszahnradeinheit 50,
die auf die Hauptwelle ausgeübtes
Drehmoment in einer entgegen dem Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung überträgt. Die
obere Antriebszahnradeinheit 40 umfasst ein Antriebszahnrad 42,
das eine zylindrische Nabe 44 sowie einen Schlitz 46 in
der Nabe 44 beinhaltet. Die untere Antriebszahnradeinheit 50 umfasst
gleichermaßen
ein Antriebszahnrad 52, das eine zylindrische Nabe 54 sowie
einen Schlitz 56 in der Nabe 54 beinhaltet. Bauteile
der oberen und der unteren Antriebszahnradeinheit haben jeweils
zylindrische Bohrungen, die so konfiguriert sind, dass sie sich
koaxial zueinander ausrichten. Sobald sie zueinander ausgerichtet
sind, sind die Bohrungen so konfiguriert, dass sie den reduzierten
Durchmesserbereich 30 der Hauptwelle 20 aufnehmen
können.
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Auf
die Hauptwelle 20 ausgeübtes
Drehmoment wird über
ein Paar Stiftverbindungen auf die obere und die untere Antriebszahnradeinheit 40, 50 übertragen.
Insbesondere ein erstes durchgehendes Stiftloch 32 ist
mittels ma schineller Bearbeitung in der Hauptwelle 20 vorgesehen,
und ein zweites durchgehendes Stiftloch 34 ist mittels
maschineller Bearbeitung in der Hauptwelle 20 vorgesehen
und in Längsrichtung
sowie radial zum ersten Stiftschlitz ausgerichtet. Ein durchgehender,
länglicher
radialer Schlitz 46 ist in der oberen Antriebszahnradnabe 44 ausgebildet
und erstreckt sich allgemein über
einen stumpfen Winkel auf einer Seite der Nabe 44, wie
am besten aus 3 ersichtlich. Die untere Antriebszahnradnabe 54 hat
gleichermaßen
einen verlängerten radialen
Schlitz 56, der sich allgemein über einen stumpfen Winkel auf
einer Seite der Nabe 54 erstreckt. Die Länge der
radialen Schlitze 46, 56 steuert die verfügbare Drehung
des Zentriermechanismus 6 und kann so gewählt werden,
dass ein gewünschter Zahnraddrehbereich
eingestellt werden kann. Der radiale Schlitz 56 hat eine
Länge,
die allgemein der Länge
des radialen Schlitzes 46 entspricht, um eine synchronisierte
Drehung und Zentrierung der Antriebszahnräder 42, 52 zu
ermöglichen,
wie nachstehend ausführlicher
beschrieben.
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Die
Schlitze 46, 56 sind so konfiguriert, dass sie
radial zum ersten und zum zweiten Stiftloch 32, 34 ausgerichtet
werden, wenn sich die obere und die untere Antriebszahnradeinheit 40, 50 auf
der Hauptwelle 20 befinden. Ein oberer Antriebsstift 47 erstreckt
sich durch den radialen Schlitz 46 in der oberen Antriebszahnradnabe 44 und
in das erste Stiftloch 32 hinein, um die Längsposition
der oberen Antriebszahnradeinheit im Verhältnis zur Hauptwelle 20 zu
fixieren. Gleichermaßen
erstreckt sich ein unterer Antriebsstift 57 durch den radialen
Schlitz 56 in der unteren Antriebszahnradnabe 54 und
in das zweite Stiftloch 34 hinein, um die Längsposition
der unteren Antriebszahnradeinheit im Verhältnis zur Hauptwelle 20 zu
fixieren. Der obere und der untere Antriebsstift 47, 57 können durch
Einpressen der Stifte in die Löcher 32, 34 mit
der Hauptwelle 20 verbunden werden. Der obere und der untere
Antriebsstift 47, 57 sind so konfiguriert, dass
sie sich in Reaktion auf auf das Handrad 4 und die Hauptwelle
ausgeübtes
Drehmoment integral mit der Hauptwelle 20 drehen.
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Die
Bauteile des Zentriermechanismus 6 werden nunmehr, ausgehend
von dem in der zentrierten Position befindlichen Handrad 4,
beschrieben. Um die Ausrichtung eines jeden Zahnrads zu verdeutlichen,
wird der Zentriermechanismus 6 auf der Basis der auseinandergezogenen
Zeichnung in 2 beschrieben. 2 zeigt
die Ausrichtung eines jeden Bauteils, und zwar ausgehend von dem
in der zentrierten Position befindlichen Handrad. Radiale Kanäle 46, 56 verlaufen
auf gegenüberliegenden Seiten
der Hauptwelle 20. Die Antriebsstifte 47, 57 befinden
sich an Enden in den Kanälen 46, 56 und sind
so konfiguriert, dass sie Drehmoment zwischen der Hauptwelle 20 und
den Antriebszahnradeinheiten 40, 50 übertragen.
Der obere Antriebsstift 47 ist insbesondere so positioniert,
dass er in der im Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung an einem Ende
des Kanals 46 anliegt, so dass sich durch eine im Uhrzeigersinn
erfolgende Drehung des oberen Antriebsstifts das obere Antriebszahnrad 42 und
die Nabe 44 in der im Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung
drehen. Der untere Antriebsstift 57 ist so positioniert, dass
er in der entgegen dem Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung an einem
Ende des Schlitzes 56 anliegt, so dass sich durch eine
entgegen dem Uhrzeigersinn erfolgende Drehung des unteren Antriebsstifts
das untere Antriebszahnrad 52 und die Nabe 54 in
der entgegen dem Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung drehen.
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Die
radialen Schlitze 46, 56 lassen eine separate
Drehung und Gegendrehung des oberen und des unteren Antriebszahnrads 42, 52 zu.
Der radiale Schlitz 46 ist insbesondere so ausgebildet,
dass sich der obere Antriebsstift 47, während sich die Hauptwelle 20 entgegen
dem Uhrzeigersinn dreht, entgegen dem Uhrzeigersinn innerhalb des
Schlitzes 46 drehen kann, so dass der obere Antriebsstift 47 kein entgegen
dem Uhrzeigersinn wirkendes Drehmoment auf die obere Antriebszahnradnabe 44 und
somit auf das obere Antriebszahnrad 42 ausübt. Anders ausgedrückt: Der
Stift 47 gleitet im Schlitz 46 und bewirkt kein
Drehen des oberen Zahnrads 42 während der entgegen dem Uhrzeigersinn
erfolgenden Drehung der Hauptwelle 20.
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Der
radiale Schlitz 56 ist gleichermaßen so ausgebildet, dass sich
der untere Antriebsstift 57 während der im Uhrzeigersinn
erfolgenden Drehung der Hauptwelle 20 innerhalb des Schlitzes 56 im
Uhrzeigersinn drehen kann, so dass der untere Antriebsstift 57 kein
im Uhrzeigersinn einwirkendes Drehmoment auf die untere Antriebszahnradnabe 54 und
somit auf das untere Antriebszahnrad 52 ausübt. Anders
ausgedrückt:
Der Stift 57 gleitet im Schlitz 56 und bewirkt
kein Drehen des unteren Antriebszahnrads 52 während der
im Uhrzeigersinn erfolgenden Drehung der Hauptwelle 20.
Die obere und die untere Antriebszahnradnabe 44, 54 greifen
gleitend in den reduzierten Durchmesserbereich 30 der Hauptwelle 20 ein.
Das obere Antriebszahnrad 42 und die Nabe 44 als
solche können
sich im Verhältnis
zur Hauptwelle 20 frei drehen, wenn entgegen dem Uhrzeigersinn
einwirkendes Drehmoment auf die Hauptwelle 20 ausgeübt wird,
und das untere Antriebszahnrad 52 und das Nabenzahnrad 54 können sich
im Verhältnis
zur Hauptwelle 20 frei drehen, wenn im Uhrzeigersinn einwirkendes
Drehmoment auf die Hauptwelle 20 ausgeübt wird.
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Eine
Vorspannzahnradeinheit 60 befindet sich auf einer Vorspannzahnradachse 62 in
der Nähe der
Hauptwelle 20. Die Vorspannzahnradeinheit 60 ist
so konfiguriert, dass sie die Hauptwelle 20 und das Handrad 4 in
die zentrierte Position zurückstellt,
indem sie auf die Antriebszahnradeinheiten 40, 50 eine Rückstellkraft
oder ein Gegendrehmoment ausübt. Die
Vorspannzahnradachse 62 wird durch das Gehäuse 10 abgestützt und
ist so konfiguriert, dass sie sich innerhalb des Gehäuses 10 frei
drehen kann. Insbesondere ein Paar koaxialer Öffnungen 63, 65, die
in der Gehäusebasis 12 bzw.
der Gehäuseabdeckungsplatte 13 vorgesehen
sind, sind so ausgebildet, dass sie die Enden der Vorspannzahnradachse 62 aufnehmen
und die Achse 62 in einer allgemein parallel zur Hauptwelle 20 liegenden
Position abstützen
können.
Die Vorspannzahnradeinheit 60 umfasst ein Vorspannzahnrad 66 und
ein Vorspannelement 64, das so konfiguriert ist, dass es
durch das Vorspannzahnrad 66 eine Rückstellkraft ausüben kann.
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Die
Vorspannzahnradeinheit 60 kann unter Verwendung einer Anzahl
unterschiedlicher Konfigurationen ausgebildet sein. Zusätzlich kann
das Vorspannelement 64 als ein beliebiges energiespeicherndes
Bauteil ausgeführt
sein, beispielsweise als eine Feder oder ein Kolben. In 1 ist
die Vorspannzahnradeinheit 60 allgemein parallel zur Hauptwelle 20 auf
der Achse 62 montiert dargestellt. Die Rückstellkraft
wird durch eine die Achse 62 umgebende Torsionsfeder 64 bereitgestellt.
Die Torsionsfeder 64 besteht vorzugsweise aus einem nachgiebigen
korrosionsbeständigen
Material, beispielsweise aus einer Stahllegierung. Ein Ende der
Torsionsfeder 64 ist am Vorspannzahnrad 66 fixiert,
und das gegenüberliegende
Ende der Torsionsfeder ist an einem stationären Zahnrad 67 fixiert,
das in einer feststehenden Position gehalten wird.
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Das
Vorspannzahnrad 66 ist so konfiguriert, dass es die Torsionsfeder 64 verdrillt
oder spannt, wenn das Handrad 4 gedreht wird. Das Vorspannzahnrad 66 wirkt
insbesondere direkt oder indirekt mit der oberen und der unteren
Antriebszahnradeinheit 40, 50 zusammen und dreht
sich in Reaktion auf eine Drehabweichung des oberen und des unteren
Antriebszahnrads 42, 52, wenn auf die Hauptwelle 20 Drehmoment
ausgeübt
wird. Ein Ende 82 der Torsionsfeder 64 greift
in das Vorspannzahnrad 66 ein und dreht sich integral mit
dem Vorspannzahnrad. Das andere Ende 84 der Torsionsfeder 64 greift
in das stationäre
Zahnrad 67 ein, damit es im Verhältnis zum ersten Ende 82 allgemein
fixiert bleibt. Die Torsionsfeder 64 als solche ist so
konfiguriert, dass sie radial in Reaktion auf Drehmoment, das auf
das Vorspannzahnrad 66 und das erste Ende 82 der
Feder von der oberen und der unteren Antriebszahnradeinheit 40, 50 ausgeübt wird,
gespannt wird. Mit der Torsionsfeder 64 kann eine gegenwirkende
Kraft oder ein Gegendrehmoment bereitgestellt werden, mit der bzw.
dem das obere und das untere Antriebszahnrad 42, 52 umgekehrt
sowie die Hauptwelle 20 und das Handrad 4 in die
zentrierte Position zurückgestellt werden
können.
Die nachgiebige Eigenschaft der Torsionsfeder 64 reicht
insbesondere aus, um die Drehung des Vorspannzahnrads 66 umzukehren
und ein Gegendrehmoment auf die obere und die untere Antriebszahnradeinheit 40, 50 auszuüben, so
dass die Hauptwelle 20 in die zentrierte Position zurückgestellt
wird.
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Unter
erneuter Bezugnahme auf die 1 und 2 wird
nunmehr die Konfiguration der Antriebszahnradeinheiten 40, 50 und
der Vorspannzahnradeinheit 60 ausführlicher beschrieben. Das obere
Antriebszahnrad 42 ist in Längsrichtung auf der Hauptwelle 20 positioniert,
um in das Vorspannzahnrad 66 auf der Vorspannzahnradachse 62 einzugreifen
oder sich damit zu verzahnen. Die Torsionsfeder 64 ist
so konfiguriert, dass sie eine Vorlast oder Vorspannkraft auf das
Vorspannzahnrad 66 und das obere Antriebszahnrad 42 ausübt, um somit
die Hauptwelle 20 in die zentrierte Position zu drängen. Das
Vorspannzahnrad 66 ist so konfiguriert, dass es sich in
Reaktion auf von der oberen Antriebszahnradeinheit 40 übertragenes
Drehmoment in der entgegen dem Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung
dreht.
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Die
Torsionsfeder 64 kann eine enggespannte Standardtorsionsfeder
sein, die so konfiguriert ist, dass sie in einer Richtung gespannt
ist. Die Torsionsfeder 64 kann insbesondere so konfiguriert
sein, dass sie lediglich in Reaktion auf eine entgegen dem Uhrzeigersinn
erfolgende Drehung des Vorspannzahnrads 66 gespannt wird.
Wenn das obere Antriebszahnrad 42 im Uhrzeigersinn gedreht
wird, wird durch den direkten Eingriff zwischen dem oberen Antriebszahnrad
und dem Vorspannzahnrad 66 bewirkt, dass sich das Vorspannzahnrad
in der entgegen dem Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung dreht, um
die Torsionsfeder 64 zu spannen. Ein direkter Eingriff
zwischen dem unteren Antriebszahnrad 52 und dem Vorspannzahnrad 66 würde bewirken,
dass sich das Vorspannzahnrad 66 im Uhrzeigersinn und nicht
in der entgegen dem Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung dreht. Es
wird daher ein Mechanismus bereitgestellt, um die Richtung des Drehmoments
umzukehren, das durch die entgegen dem Uhrzeigersinn erfolgende
Drehung des unteren Antriebszahnrads 52 ausgeübt wird.
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Wie
aus 2 ersichtlich, ist eine Laufradeinheit 70 allgemein
parallel zum Zentriermechanismus 6 vorgesehen. Mit der
Laufradeinheit 70 kann die Richtung des durch das untere
Antriebszahnrad 52 ausgeübten Drehmoments umgekehrt
und Drehmoment auf das Vorspannzahnrad 66 übertragen werden,
so dass sich das Vorspannzahnrad 66 entgegen dem Uhrzeigersinn
dreht, um so die Torsionsfeder 64 zu spannen. Die Laufradeinheit 70 umfasst eine
Achse 71, die, ähnlich
wie die Vorspannzahnradachse 62, durch das Gehäuse abgestützt wird. Ein
Paar koaxialer Öffnungen 73, 75,
die in der Gehäusebasis 12 und
der Gehäuseabdeckungsplatte 13 vorgesehen
sind, sind so ausgebildet, dass sie die Enden der Laufradachse 71 aufnehmen
und die Achse 71 in einer allgemein parallel zur Hauptwelle 20 liegenden
Position abstützen.
Ein erstes Laufrad 72 ist auf der Achse 71 montiert
und mit dem unteren Antriebszahnrad 52 verzahnt. Das erste
Laufrad 72 ist so konfiguriert, dass es sich in Reaktion
auf eine entgegen dem Uhrzeigersinn erfolgende Drehung des unteren
Antriebszahnrads 52 während
der entgegen dem Uhrzeigersinn erfolgenden Drehung der Hauptwelle 20 im
Uhrzeigersinn dreht. Ein zweites Laufrad 74 ist auf der
Laufradachse 71 koaxial und in Längsrichtung versetzt zum ersten
Laufrad 72 montiert. Die Laufräder 74, 72 sind
einteilig ausgeführt oder
mechanisch, beispielsweise durch Hartlöten oder ein ähnliches
Verfahren, miteinander verbunden, so dass sich beide zusammen frei
um die Achse 71 drehen können. Das zweite Laufrad 74 als
solches dreht sich im Uhrzeigersinn in Reaktion auf eine im Uhrzeigersinn
erfolgende Drehung des ersten Laufrads 72. Das zweite Laufrad 74 ist
weiterhin so konfiguriert, dass es Drehmoment auf die Vorspannzahnradeinheit 60 überträgt, um die
Torsionsfeder 64 zu spannen, wenn die Hauptwelle 20 entgegen
dem Uhrzeigersinn gedreht wird. Das zweite Laufrad 74 greift
insbesondere drehbar in das Vorspannzahnrad 66 ein, so
dass durch eine im Uhrzeigersinn erfolgende Drehung der Laufräder 72, 74 Drehmoment
auf das Vorspannzahnrad 66 ausgeübt wird, um so das Vorspannzahnrad 66 in
der entgegen dem Uhrzeigersinn erfolgenden Richtung zu drehen.
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Auf
der Basis der vorstehenden Ausführungen
ist der Zentriermechanismus 6 so konfiguriert, dass sich
das Vorspannzahnrad 66 in Reaktion auf eine entweder im
Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn erfolgende Drehung
der Hauptwelle 20 entgegen dem Uhrzeigersinn dreht. Das
Zusammenwirken zwischen den individuellen Zahnrädern ist in den 4 und 5 verdeutlicht. 4 zeigt das
Zusammenwirken der Zahnräder,
wenn das Handrad 4 aus der zentrierten Position nach rechts gedreht
wird, d. h. wenn die Hauptwelle 20 im Uhrzeigersinn gedreht
wird. 5 zeigt das Zusammenwirken der Zahnräder, wenn
das Handrad 4 aus der zentrierten Position nach links gedreht
wird, d. h. wenn die Hauptwelle 20 entgegen dem Uhrzeigersinn
gedreht wird. Der Buchstabe „T" in jeder Figur repräsentiert
das von der Hauptwelle 20 auf das gerade belastete Antriebszahnrad übertragene
Drehmoment. Die gestrichelten Linien und Pfeilköpfe repräsentieren den Pfad, über den
Drehmoment über
den gesamten Zentriermechanismus 6 übertragen wird. Die gekrümmten Pfeile
repräsentieren
die Drehrichtung der individuellen Zahnräder.
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Wie
in 4 dargestellt, wirkt ein im Uhrzeigersinn auf
das obere Antriebszahnrad 42 einwirkendes Drehmoment „T" direkt auf das Vorspannzahnrad 66 ein
und bewirkt, dass sich das Vorspannzahnrad 66 entgegen
dem Uhrzeigersinn dreht, um die Torsionsfeder 64 zu spannen.
Das Vorspannzahnrad 66 greift in das zweite Laufrad 74 ein
und bewirkt, dass sich das erste und das zweite Laufrad 72, 74 im
Uhrzeigersinn drehen. Das erste Laufrad 72 bewirkt, dass
sich das untere Antriebszahnrad 52 entgegen dem Uhrzeigersinn
dreht. Wie in 5 dargestellt, wird ein entgegen
dem Uhrzeigersinn auf das untere Antriebszahnrad 52 einwirkendes
Drehmoment „T" vor Erreichen des
Vorspannzahnrads 66 durch die Laufradeinheit umgekehrt.
Das entgegen dem Uhrzeigersinn wirkende Drehmoment bewirkt insbesondere,
dass sich das erste und das zweite Laufrad 72, 74 im
Uhrzeigersinn drehen. Das zweite Laufrad 74 bewirkt, dass
sich das Vorspannzahnrad 66 entgegen dem Uhrzeigersinn
dreht, um die Torsionsfeder 64 zu spannen. Aus den 4 und 5 ist
erkennbar, dass die Antriebszahnräder 42, 52,
die Laufräder 72, 74 und
das Vorspannzahnrad 66 so konfiguriert sind, dass sie sich,
unabhängig
von der Richtung des auf das Handrad 4 und die Hauptwelle 20 ausgeübten Drehmoments,
in der gleichen Richtung drehen. Durch eine auf das Handrad 4 aus
der zentrierten Position heraus ausgeübte Steuerungskraft werden
daher die Zahnräder,
unabhängig
von der Steuerungsrichtung, in der gleichen Richtung belastet.
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Wie
vorstehend angegeben, ist der Zentriermechanismus 6 so
konfiguriert, dass er die Hauptwelle 20 in die zentrierte
Position zurückstellt,
wenn die Steuerungskraft am Handrad 4 freigegeben wird. Die
Vorspannzahnradeinheit 60 ist so konfiguriert, dass sie
in die obere Antriebszahnradeinheit 40 und die Laufradeinheit 70 eingreift
sowie ein Gegendrehmoment ausübt,
durch das die Drehung des oberen Antriebszahnrads 42 und
des unteren Antriebszahnrads 52 umgekehrt wird. Mit der
Vorspannzahnradeinheit 60 kann daher eine Drehung der verschiedenen
Zahnräder
in Richtungen bewirkt werden, die gegenläufig zu den in den 4 und 5 gezeigten Richtungen
sind.
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Die
Torsionsfeder 64 kann Drehmoment bereitstellen, das größer als
das Mindestdrehmoment ist, das benötigt wird, um die Hauptwelle 20 in
die zentrierte Position zurückzustellen,
nachdem die Steuerungskraft am Handrad 4 freigegeben wurde. Das
heißt,
das Auslegungsdrehmoment ist größer als das
Mindestdrehmoment, das erforderlich ist, um mechanische Einschränkungen,
wie beispielsweise Reibungsverluste zwischen den Antriebszahnradnaben 44, 54 und
der Hauptwelle 20, zu überwinden. Durch
das übermäßige Auslegungsdrehmoment
wird das Handrad 4 in der zentrierten Position gehalten und
einem Flattern oder einer Bewegung Widerstand entgegengesetzt, wie nachstehend
erläutert.
Ein Auslegungsdrehmoment, das 15 (fünfzehn) Prozent über dem
erforderlichen Mindestdrehmoment liegt, reicht aus, um die Hauptwelle 20 in
die zentrierte Position zurückzustellen
und dort zu stabilisieren.
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Die
radialen Schlitze 46, 56 sind so konfiguriert,
dass sie in einer entgegengesetzten Weise in die Antriebsstifte 47, 57 eingreifen,
um die Hauptwelle 20 in die zentrierte Position zurückzustellen.
Die Vorspannzahnradeinheit 60 ist insbesondere so konfiguriert,
dass sie das obere Antriebszahnrad 42 entgegen dem Uhrzeigersinn
dreht, so dass eine Endwand des oberen radialen Schlitzes 46 eine
entgegen dem Uhrzeigersinn wirkende Drehmomentbelastung auf den
oberen Antriebsstift 47 ausübt. Die Vorspannzahnradeinheit 60 ist
gleichermaßen
so konfiguriert, dass sie das untere Antriebszahnrad 52 im Uhrzeigersinn
dreht, so dass eine Endwand des unteren radialen Schlitzes 56 eine
im Uhrzeigersinn wirkende Drehmomentbelastung auf den unteren Antriebsstift 57 ausübt. Die
obere und die untere Antriebszahnradnabe 44, 54 sind
im Verhältnis
zu den Antriebsstiften 47, 57 so positioniert,
dass die Stifte in entgegengesetzten Richtungen belastet werden, wenn
die Hauptwelle 20 in die zentrierte Position zurückgestellt
wird. Der obere Antriebsstift 47 greift insbesondere in
das Ende des oberen Zahnradschlitzes 46 ein, und der untere
Antriebsstift greift an demjenigen Punkt, an dem die Hauptwelle 20 in
die zentrierte Position zurückgestellt
wird, in das Ende des unteren Zahnradschlitzes 56 ein.
Die synchronisierte Belastung auf den oberen und den unteren Antriebsstift 47, 57 in
entgegengesetzten Richtungen übt
eine einen „harten
Anschlag" aufweisende
Wirkung auf die Hauptwelle 20 aus, wodurch das Handrad 4 freigebbar
in der zentrierten Position gehalten wird. Wie vorstehend aufgeführt, ist
das eingestellte Drehmoment der Torsionsfeder 64 größer als
das Mindestdrehmoment, das erforderlich ist, um die Hauptwelle 20 in
die zentrierte Position zurückzustellen.
Die Hauptwelle 20 wird jedoch durch die gleichen und entgegengesetzten
Belastungen auf die Antriebsstifte 47, 57 an einer
im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn verlaufenden Drehung über die
zentrierte Position hinaus gehindert. Durch die gleichen und entgegengesetzten
Belastungen wird die Welle ohne wesentliches Abwandern in die zentrierte
Position zurückgestellt.
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Der
Zentriermechanismus 6 ist so konfiguriert, dass Verschleiß an mechanischen
Bauteilen kompensiert werden kann. Somit werden durch Verschleiß, der an
einem individuellen Zahnrad auftritt, die Genauigkeit des Zentriermechanismus 6 und
die sich ergebende Eingabe an das RVDT nicht beeinträchtigt.
Die verschiedenen Zahnräder
im Zentriermechanismus 6 stehen durch Steuerungskräfte unter einer
konstanten Belastung in einer Richtung sowie durch die Torsionsfeder 64 unter
einer konstanten Belastung in der entgegengesetzten Richtung. Durch die
konstante Belastung auf die Zahnräder wird der Eingriff zwischen
zusammenwirkenden Zahnradzähnen
aufrechterhalten. Die verschiedenen Zahnräder sind so konfiguriert, dass
sie an verschiedenen Eingriffspunkten miteinander in Verbindung
stehen und sich gleichzeitig drehen. Daher werden die Zahnräder kraft
der durch Steuerungskräfte
und durch die Torsionsfeder 64 bedingten konstanten Belastung nicht
voneinander getrennt, und ein unabhängiges Wegbewegen eines beliebigen
Zahnrads von den anderen Zahnrädern
wird im Wesentlichen vermieden. Durch die Mehrfacheingriffspunkte
zwischen Zahnrädern
und aufgrund der integrierten Anordnung, durch die die Bewegung
aller Zahnräder
zur gleichen Zeit gesteuert wird, werden die Auswirkungen, die ein
beschädigter
Zahnradzahn auf den Rest des Zentriermechanismus haben könnte, minimiert.
Als eine Folge davon wird der Verschleiß mechanischer Bauteile, der über einen längeren Zeitraum
auftreten könnte, durch
den Zentriermechanismus minimiert.
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Das
Auslegungsdrehmoment der Torsionsfeder 64 kann so gewählt werden,
dass sich die Hauptwelle 20 mit verschiedenen Rückstellungsraten
zurückstellen
lässt.
Durch die Geschwindigkeit, mit der die Torsionsfeder 64 die
Hauptwelle 20 und das Handrad 4 in die zentrierte
Position zurückstellt,
kann die „Betriebsfühligkeit" des Steuerungsmoduls 2 beeinträchtigt werden.
Häufig
ist eine gedämpfte
oder verlangsamte Rückstellungsrate
erwünscht,
um ein übermäßiges „Rütteln" im Handrad 4 zu
vermeiden, wenn das Handrad 4 freigegeben wird. Daher kann ein
Dämpfer
vorgesehen werden, um die Handradrückstellungsrate zu steuern
und die Betriebsfühligkeit
des Steuerungsmoduls 2 zu verbessern. Es kann beispielsweise
an einer Welle angrenzend an die Hauptwelle 20 ein viskoser
Dämpfer
montiert werden, der in zusammenwirkender Weise in ein Zahnrad an
der Hauptwelle 20 eingreift, um die Rate zu steuern, mit
der die Hauptwelle 20 in die zentrierte Position zurückgestellt
wird. Der Dämpfer
kann auch eine dynamisch gesteuerte Einheit sein, mit der die Rückstellungsrate
und Rückstellungskraft
geändert werden
können,
um das Rad auf der Basis der elektrischen Eingabe vom Fahrzeugsteuerungssystem zu
drehen.
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Falls
gewünscht,
kann ein Mechanismus vorgesehen werden, um das Ausmaß der Vorbelastung oder
des Biegewiderstands in der Torsionsfeder 64 einzustellen.
In 2 ist ein Torsionsfedereinsteller 90 dargestellt,
der in der Nähe
der Vorspannzahnradeinheit 60 montiert ist. Der Federeinsteller 90 umfasst eine
Konsole 91 und eine innerhalb der Konsole befindliche Stellschraube 92.
Die Stellschraube 92 ist so konfiguriert, dass damit der
Grad der Verdrehwinkelabweichung in der Torsionsfeder 64 eingestellt werden
kann, indem die Ausrichtung des stationären Zahnrads 67 und
des zweiten Endes der Torsionsfeder 64 eingestellt werden.
Die Stellschraube 92 hat insbesondere mehrere Gewinde,
die so konfiguriert sind, dass sie drehbar in das stationäre Zahnrad 67 eingreifen.
Die Stellschraube 92 greift in einem senkrecht zur Vorspannzahnradachse 62 verlaufenden Winkel
in das stationäre
Zahnrad 67 ein. Der Kopf der Stellschraube 92 umfasst
ein Sechskantfitting 94, mit dem die Stellschraube 92 innerhalb
der Konsole 91 gedreht werden kann. Die Gewinde an der
Stellschraube 92 greifen in zusammenwirkender Weise in die
Zahnradzähne
am stationären
Zahnrad 67 ein, um auf das stationäre Zahnrad 67 eine
Drehkraft auszuüben,
wenn die Stellschraube 92 gedreht wird. Das stationäre Zahnrad 67 ist
so konfiguriert, dass es sich in Reaktion auf eine Dreheinstellung
des Sechskantfittings über
einen kleinen Drehwinkel dreht. Die Dreheinstellung des stationären Zahnrads 67 als
solche verändert
die Position des zweiten Endes der Feder 64 im Verhältnis zum
ersten Ende, wodurch die verfügbare
Biegebeanspruchung und Vorspannkraft in der Feder 64 geändert wird.
Das Sechskantfitting 94 und die Stellschraube 92 können unter
Verwendung eines Inbusschlüssels
oder eines anderen geeigneten Werkzeugs im Uhrzeigersinn oder entgegen dem
Uhrzeigersinn gedreht werden, um den Biegewiderstand und die Vorspannkraft
in der Feder 64 zu erhöhen
oder zu reduzieren.
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Die
Funktionsweise des Bugradsteuerungsmoduls 2 wird nunmehr
beschrieben. Das Handrad 4 wird durch die Torsionsfeder 64 zunächst in
der zentrierten Position gehalten, wie vorstehend beschrieben. Das
heißt,
die Torsionsfeder 64 übt
durch den Zentriermechanismus 6 Drehmoment aus, wodurch eine
Belastung auf den oberen Antriebsstift 47 sowie eine gleiche
und entgegengesetzte Belastung auf den unteren Antriebsstift 57 bewirkt
wird. Durch die entgegengesetzten Belastungen auf die Antriebsstifte 47, 57 wird
die Hauptwelle 20 in der Nullposition gehalten und ein
moderater Widerstand gegen eine Drehabweichung aus der Nullposition
heraus erzeugt. Um den durch die Torsionsfeder 64 erzeugten Widerstand
zu überwinden,
wird eine Mindeststeuerungskraft oder „Überwindungskraft" auf das Handrad 4 ausgeübt, um das
Handrad 4 aus der zentrierten Position herauszusteuern.
Um das Bugrad nach rechts zu drehen, wird die Überwindungskraft in der im
Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung auf das Handrad 4 ausgeübt. Um das
Bugrad nach links zu drehen, wird die Überwindungskraft in der entgegen dem
Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung auf das Handrad 4 ausgeübt.
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Zur
Erläuterung
dieser Beschreibung beginnt die beschriebene Funktionsweise mit
einer Rechtsdrehung des Bugrads. Das Handrad 4 wird aus
der zentrierten Position heraus im Uhrzeigersinn gedreht, indem
eine Überwindungskraft
im Uhrzeigersinn ausgeübt
wird. Drehmoment wird an der Handradsäule 36 erzeugt und
durch die Stiftverbindung 39 auf den vergrößerten Durchmesserbereich 28 der Hauptwelle 20 übertragen.
Drehmoment wird weiterhin auf den reduzierten Durchmesserbereich 30 der Hauptwelle 20 und
den oberen Antriebsstift 47 übertragen. Wenn sich die Hauptwelle 20 in
der im Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung dreht, liest das RVDT die Änderung
der Winkelposition der Hauptwelle 20 ab und sendet ein
elektrisches Signal an das Navigationssystem des Flugzeugs, um das
Bugrad in eine entsprechende Position nach rechts zu drehen.
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Wenn
sich die Hauptwelle 20 im Uhrzeigersinn dreht, berührt der
obere Antriebsstift 47 das Ende des radialen Kanals 46 und
treibt den Zylinder 44 und das obere Antriebszahnrad 42 im
Uhrzeigersinn an. Wenn sich das obere Antriebszahnrad 42 im Uhrzeigersinn
dreht, wird durch den Eingriff zwischen dem oberen Antriebszahnrad 42 und
dem Vorspannzahnrad 66 bewirkt, dass sich das Vorspannzahnrad 66 in
der entgegen dem Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung dreht, wie
in 4 dargestellt. Das erste Ende 82 der
Torsionsfeder 64 dreht sich mit dem Vorspannzahnrad 66 entgegen
dem Uhrzeigersinn und erfährt über einen
Drehwinkel entgegen dem Uhrzeigersinn im Verhältnis zum zweiten Ende 84 der
Feder 64, das stationär
verbleibt, eine Winkelabweichung. Wenn das erste Ende 82 im
Verhältnis
zum zweiten Ende 84 eine Winkelabweichung erfährt, wird
die Feder 64 an der Vorspannzahnradeinheit 60 gespannt.
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Wenn
sich das Vorspannzahnrad 66 entgegen dem Uhrzeigersinn
dreht, wird durch den Eingriff zwischen dem Vorspannzahnrad und
dem zweiten Laufrad 74 bewirkt, dass sich das zweite Laufrad 74 im
Uhrzeigersinn dreht. Drehmoment, das auf das zweite Laufrad 74 einwirkt,
wird auf das erste Laufrad 72 übertragen, wodurch bewirkt
wird, dass sich das erste Laufrad 72 im Uhrzeigersinn dreht.
Durch die im Uhrzeigersinn erfolgende Drehung des ersten Laufrads 72 wird
wiederum das untere Antriebszahnrad 52 gedreht. Gleichzeitig
dreht sich der untere Antriebsstift 57 im Uhrzeigersinn
innerhalb des radialen Kanals 56 des unteren Zahnrads.
Die im Uhrzeigersinn erfolgende Drehung des Handrads 4 setzt
sich in Reaktion auf eine im Uhrzeigersinn wirkende Steuerungskraft
fort, bis der Anschlagstift 22 an der Hauptwelle 20 in
eine der Stellschrauben 18 in der Gehäusebasisöffnung 14 eingreift.
An diesem Punkt befindet sich das Handrad in der äußersten
Position im Uhrzeigersinn, und eine im Uhrzeigersinn erfolgende weitere
Drehung des Handrads wird durch den Eingriff zwischen dem Anschlagstift 22 und
der Stellschraube 18 verhindert. Der Kanal 56 ist
ausreichend lang, so dass sich der untere Antriebsstift 57 während einer
im Uhrzeigersinn erfolgenden Drehung der Hauptwelle 20 frei
durch den Kanal bewegen kann und nicht das Ende des Kanals berührt, wenn
das Handrad 4 hin zur äußersten
Position im Uhrzeigersinn gedreht wird.
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Um
das Bugrad zurück
zur zentrierten Position zu steuern, wird die im Uhrzeigersinn erfolgende Drehung
des Handrads beendet, und ein entgegen dem Uhrzeigersinn wirkendes
Drehmoment kann auf das Handrad 4 ausgeübt werden. Wenn die Richtung des
ausgeübten
Drehmoments umgekehrt wird, bleibt der betriebswirksame Eingriff
zwischen den zusammenwirkenden Zahnrädern im Zentriermechanismus 6 unter
der durch die Torsionsfeder 64 ausgeübten Belastung erhalten, ohne
dass es zu einem Totgang oder Durchrutschen der Zahnräder kommt. Die
Drehrichtungen der verschiedenen Zahnräder werden gleichzeitig umgekehrt.
Auf das Handrad 4 entgegen dem Uhrzeigersinn einwirkendes
Drehmoment erzeugt eine entgegen dem Uhrzeigersinn erfolgende Drehung
der Hauptwelle 20. Das RVDT liest die Änderung der Winkelposition
der Hauptwelle ab und sendet ein elektrisches Signal an das Navigationssystem
des Flugzeugs, um das Bugrad in eine entsprechende Position nach
links zu drehen. Wenn das Handrad 4 zurück zur zentrierten Position
gedreht wird, wird das auf das Handrad 4 ausgeübte Drehmoment
durch die Vorspannung von der Torsionsfeder 64 unterstützt.
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Nachdem
das Handrad 4 die zentrierte Position erreicht hat, wird
das Bugrad durch entgegen dem Uhrzeigersinn auf das Handrad 4 einwirkendes zusätzliches
Drehmoment aus der zentrierten Position heraus nach links gedreht,
wodurch das Flugzeug in eine Linksdrehung ausgerichtet wird. An
diesem Punkt arbeitet auf das Handrad 4 einwirkendes Drehmoment
gegen die Vorspannung der Torsionsfeder 64, wie es auch
in der Situation der Fall ist, in der das Handrad 4 aus
der zentrierten Position heraus nach rechts gedreht wird. Daher
muss eine entgegen dem Uhrzeigersinn wirkende Überwindungskraft auf das Handrad 4 ausgeübt werden,
um das Bugrad aus der zentrierten Position heraus nach links zu
drehen. Auf das Handrad 4 entgegen dem Uhrzeigersinn einwirkendes
Drehmoment wird durch die Stiftverbindung 39 auf den vergrößerten Durchmesserbereich 28 der Hauptwelle 20 übertragen.
Drehmoment wird weiterhin auf den reduzierten Durchmesserbereich 30 der Hauptwelle 20 und
den unteren Antriebsstift 57 übertragen. Wenn sich die Hauptwelle 20 in
der entgegen dem Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung dreht, liest das
RVDT die Änderung
der Winkelposition der Hauptwelle 20 ab und sendet ein
elektrisches Signal an das Navigationssystem des Flugzeugs, um das Bugrad
in eine entsprechende Position nach links zu drehen.
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Durch
eine entgegen dem Uhrzeigersinn erfolgende Drehung der Hauptwelle 20 wird
der untere Antriebsstift 57 gegen das Ende des radialen
Schlitzes 56 getrieben, wodurch die Nabe 54 und
das untere Antriebszahnrad 52 entgegen dem Uhrzeigersinn
gedreht werden. Wenn sich das untere Antriebszahnrad 52 entgegen
dem Uhrzeigersinn dreht, wird durch den Eingriff zwischen dem unteren
Antriebszahnrad 52 und dem ersten Laufrad 72 bewirkt,
dass sich das erste Laufrad 72 in der im Uhrzeigersinn
verlaufenden Richtung dreht, wie in 5 dargestellt. Das
im Uhrzeigersinn wirkende Drehmoment im ersten Laufrad 72 wird
auf das zweite Laufrad 74 übertragen, wodurch das Vorspannzahnrad 66 entgegen dem
Uhrzeigersinn gedreht wird. Wie es in der eine Rechtsdrehung aufweisenden
Situation der Fall ist, wird die Torsionsfeder 64 durch
die entgegen dem Uhrzeigersinn erfolgende Drehung des Vorspannzahnrads 66 gespannt.
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Wenn
sich das Vorspannzahnrad 66 entgegen dem Uhrzeigersinn
dreht, wird durch den direkten Eingriff zwischen dem Vorspannzahnrad
und dem oberen Antriebszahnrad 42 bewirkt, dass sich das obere
Antriebszahnrad 42 im Uhrzeigersinn dreht. Gleichzeitig dreht
sich der obere Antriebsstift 47, in Reaktion auf das entgegen
dem Uhrzeigersinn auf die Hauptwelle 20 einwirkende Drehmoment,
innerhalb des radialen Schlitzes 46 des oberen Zahnrads entgegen
dem Uhrzeigersinn. Die entgegen dem Uhrzeigersinn erfolgende Drehung
des Handrads 4 setzt sich fort, bis der Anschlagstift 22 an
der Hauptwelle 20 in eine Stellschraube 18 in
der Gehäusebasisöffnung 14 eingreift.
An diesem Punkt befindet sich das Handrad in der äußersten
Position entgegen dem Uhrzeigersinn, und eine entgegen dem Uhrzeigersinn
erfolgende weitere Drehung wird durch den Eingriff zwischen dem
Anschlagstift 22 und einer der Stellschrauben 18 verhindert.
Der Schlitz 46 ist ausreichend lang, so dass sich der obere
Antriebsstift 47, wenn das Handrad 4 hin zur äußersten
Position entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht wird, während der entgegen
dem Uhrzeigersinn erfolgenden Drehung der Hauptwelle 20 frei
durch den Kanal bewegen kann und der obere Antriebsstift 47 nicht
das Ende des Kanals berührt.
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Durch
Freigabe der Steuerungskraft am Handrad 4 wird die Hauptwelle 20 in
die zentrierte Position zurückgestellt,
und das Flugzeug wird an diesem Punkt aus einer Linksdrehung zu
einer geraden Linie hin ausgerichtet. Wenn die Steuerungskraft am
Handrad 4 freigegeben wird, wird insbesondere die Vorspannkraft
der Torsionsfeder 64 nicht länger überwunden, und die Torsionsfeder 64 kann
sich entspannen und gespeicherte Energie an das Vorspannzahnrad 66 freigeben.
Wenn sich die Feder 64 entspannt, führt die gespeicherte Energie
in der Feder 64 zu einer Winkelabweichung des ersten Endes 82 der
Feder über
einen im Uhrzeigersinn verlaufenden Winkel und bewirkt, dass sich
das Vorspannzahnrad 66 im Uhrzeigersinn dreht. Durch die
im Uhrzeigersinn erfolgende Drehung des Vorspannzahnrads 66 wird
eine entgegen dem Uhrzeigersinn erfolgende Drehung des ersten Antriebszahnrads 42 und
des zweiten Laufrads 74 bewirkt. Durch die entgegen dem
Uhrzeigersinn erfolgende Drehung des zweiten Laufrads 74 werden
wiederum ein entgegen dem Uhrzeigersinn einwirkendes Drehmoment
und eine ebenso erfolgende Drehung auch auf das erste Laufrad 72 ausgeübt.
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Die
Hauptwelle 20 befindet sich, nachdem damit eine Linksdrehung
durchgeführt
wurde, in der entgegen dem Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung, wobei
der untere Antriebsstift 57 in ein Ende des radialen Schlitzes 56 eingreift.
Durch die entgegen dem Uhrzeigersinn erfolgende Drehung des ersten
Laufrads 72 werden das untere Antriebszahnrad 52 und die
Nabe 54 im Uhrzeigersinn gedreht. Als eine Folge davon
greift das Ende des radialen Schlitzes 56 in den unteren
Antriebsstift 57 ein und versetzt den unteren Antriebsstift 57 in
eine im Uhrzeigersinn erfolgende Drehung. Durch die im Uhrzeigersinn
erfolgende Drehung des unteren Antriebsstifts 57 werden die
Hauptwelle 20 und der obere Antriebsstift 47 in der
im Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung gedreht. Gleichzeitig dreht
sich das obere Antriebszahnrad 42 entgegen dem Uhrzeigersinn
in Reaktion auf die Drehung des Vorspannzahnrads 66. Der
obere Antriebsstift 47 trifft auf ein Ende des oberen radialen
Schlitzes 46, wodurch eine weitere Drehung der Hauptwelle 20 gestoppt
wird. An diesem Punkt befindet sich die Hauptwelle 20 in
der zentrierten Position und wird durch die entgegengesetzten Kräfte, die
auf den oberen und den unteren Antriebsstift 47, 57 einwirken,
im Gleichgewicht gehalten. Die Winkelausrichtung der Hauptwelle 20 wird
durch das RVDT 80 abgelesen und ein Signal an das Navigationssystem
des Flugzeugs gesendet, um das Bugrad dementsprechend zu drehen.
Die zentrierte Position der Hauptwelle 20 stellt insbesondere
eine zentrierte Ablesung am RVDT bereit, und das RVDT sendet ein
Signal an das Navigationssystem, um das Bugrad hin zu einer Ausrichtung
in einer geraden Linie zu drehen.
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Die
hierin verwendeten Begriffe und Ausdrücke dienen der Beschreibung
und haben keinen einschränkenden
Charakter. Die Verwendung derartiger Begriffe und Ausdrücke bedeutet
nicht, dass dadurch irgendwelche Äquivalente der hierin dargestellten und
beschriebenen Merkmale oder Teile davon ausgeschlossen werden. Es
versteht sich daher, dass verschiedene Modifizierungen innerhalb
des Schutzbereichs der Erfindung vorgenommen werden können. Die
Bezugnahmen auf im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn
erfolgende Ausrichtungen in der vorstehenden Beschreibung und in
den Zeichnungen dienen lediglich der Verdeutlichung einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und repräsentieren nicht die einzige
Konfiguration, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorstellbar
ist. Ein Austausch zwischen auf dem Uhrzeigersinn basierenden Bezugnahmen
und solchen entgegen dem Uhrzeigersinn, sowie umgekehrt, wie sie
sich aus der vorstehenden Beschreibung und den Zeichnungen ergeben,
kann ohne Änderung
der Erfindung vorgenommen werden. Demzufolge beinhaltet die Erfindung
Variationen, die unter den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche fallen.