DE60300421T2

DE60300421T2 - Betätigungsanordnung mit synchronisierten Hydraulikzylindern

Info

Publication number: DE60300421T2
Application number: DE60300421T
Authority: DE
Inventors: Jean-Marie Brocard; Daniel Kettler; Alain Lavie; Marion Michau
Original assignee: Hispano Suiza SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2002-01-24
Filing date: 2003-01-08
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2023-01-09
Also published as: FR2835021A1; EP1331404A1; EP1331404B1; JP4098101B2; DE60300421D1; JP2003269408A; RU2311553C2; US6837054B2; FR2835021B1; ES2237737T3; UA81742C2; US20030136129A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft die Synchronisierung von Hydraulikzylindern und findet insbesondere bei der gleichzeitigen Betätigung von beweglichen Klappen von Turbostrahltriebwerksdüsen mit variablem Ausströmquerschnitt Anwendung.
Die Erfindung kann jedoch bei anderen Anwendungen, beispielsweise für die Betätigung eines Steuerrings von Flügeln mit variablem Einstellwinkel in einem festen Leitapparat eines Gasturbinenverdichters eingesetzt werden.
Bei einer bekannten Ausführungsform einer Düse mit variablem Querschnitt, erfolgt die Betätigung der beweglichen Klappen mit Hilfe einer Anordnung von Hydraulikzylindern, die auf gesteuerte Klappen wirken, die ihrerseits Folgeklappen antreiben. Die gesteuerten Klappen werden über Schwingarme betätigt, die an den Stangen der Zylinder oder an einem gemeinsamen Steuerring, auf den die Zylinder wirken, angelenkt sind. Mechanische Mittel gewährleisten die Synchronisierung der gesteuerten Klappen unabhängig von den Folgeklappen, die es ihrerseits nicht sind. Eine solche Düse, deren mechanischer Aufbau bewirkt, daß sie selbsttätig synchronisiert wird, weist Nachteile hinsichtlich Kosten und Masse sowie aufgrund des Vorhandenseins von Teilen auf, die bis zum Erhitzen aneinander reiben.
Eine weitere Lösung besteht darin, alle Klappen synchron zu steuern, – und zwar dadurch, daß die Synchronisierungsfunktion auf den Bereich der Zylinder übertragen wird – um Reibungen, ja sogar Verklemmungen zwischen Klappen zu vermeiden, die einen erhöhten Betätigungsaufwand erfordern und die Ursachen von Schäden sein können, welche die Lebensdauer der Klappen beeinträchtigen.
Aufgrund einer unvermeidbaren Verteilung von Merkmalen ist aber bekannt, daß eine gleichzeitige Bewegung der Stangen der Zylinder in der Praxis unmöglich zu bewerkstelligen ist, selbst wenn die Zylinder von einem gemeinsamen Hydraulikflüssigkeitsverteiler aus gesteuert werden.
Um dieses Problem zu lösen, ist in dem Dokument FR 96 14 565 vorgeschlagen worden, eine mechanische Verbindung zwischen den Kolben der Zylinder mittels eines Zahnkranzes herzustellen, der mit Ritzeln kämmt, von denen ein jedes über ein Schraube-Mutter-System, das die Verschiebebewegung des Kolbens in eine Drehbewegung des Ritzels umwandelt, mit einem Zylinderkolben gekoppelt ist.
Eine solche Synchronisierungsvorrichtung ermöglicht wohl, eine gleichzeitige Bewegung der Kolben der Zylinder zu gewährleisten, sie erfordert aber einen Zahnkranz, welcher geeignet ist, die Kräfte zu übertragen, die erforderlich sind, um die Bewegungsunterschiede zwischen den Kolben zu überwinden, also einen relativ massiven und sperrigen Ring.
Ein weiteres Beispiel ist in dem Dokument US 2 886 008 gezeigt.
AUFGABE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ziel der Erfindung ist es, eine Betätigungsanordnung mit synchronisierten Hydraulikzylindern zu liefern, die keinen derartigen Nachteil aufweist.
Erreicht wird dieses Ziel dank einer Anordnung, die folgendes umfaßt:

– einen hydraulischen Steuerkreis,
– einen Steuerzylinder mit einem Zylinder und einem Kolben, der in dem Zylinder zwei mit dem Hydraulikkreis verbundene Kammern definiert,
– wenigstens einen gesteuerten Zylinder, der einen Zylinder und einen Kolben aufweist, der in dem Zylinder zwei Kammern definiert, von denen wenigstens eine erste Kammer mit einem Ausgang eines Verteilers verbunden ist, der genannte Verteiler ist mit dem Hydraulikkreis verbunden und weist ein Steuerorgan auf, dessen Position den Druck in der ersten Kammer des gesteuerten Zylinders bestimmt, und
– eine mechanische Übersetzung, um eine Bewegung des Kolbens des Steuerzylinders auf das Steuerorgan des dem gesteuerten Zylinder zugeordneten Verteilers zu übertragen, so daß die Bewegung des Kolbens des gesteuerten Zylinders durch Steuerung der Position des Steuerorgans des dem gesteuerten Zylinder zugeordneten Verteilers an die Bewegung des Kolbens des Steuerzylinders gebunden ist.

Auf diese Weise wird im Bereich des oder jedes gesteuerten Zylinders das mechanisch übertragene Positionssoll des Kolbens des Steuerzylinders nicht direkt an den Kolben des gesteuerten Zylinders, sondern an einen Verteiler angelegt, der dem gesteuerten Zylinder zugeordnet ist und der als Hydraulikverstärker des mechanischen Sollsignals wirkt. Die mechanische Übertragung der Bewegung des Kolbens des Steuerzylinders kann folglich durch leichtere Mittel sichergestellt werden.
Nach einer Besonderheit der Betätigungsanordnung umfaßt diese mechanische Übersetzung eine Vorrichtung zur Umwandlung der Verschiebebewegung des Kolbens des Steuerzylinders in eine Drehbewegung eines Steuerritzels, eine Vorrichtung zur Übertragung der Drehbewegung des Steuerritzels auf ein gesteuertes Ritzel, sowie eine Vorrichtung zur Umwandlung der Drehbewegung des gesteuerten Ritzels in eine Verschiebebewegung einer Steuerstange des dem oder jedem gesteuerten Zylinder zugeordneten Verteilers.
Vorteilhafterweise ist die Vorrichtung zur Umwandlung der Drehbewegung des gesteuerten Ritzels in eine Verschiebebewegung der Steuerstange von einem ersten Schraube-Mutter-System gebildet, bei dem die Schraube von der Steuerstange getragen wird. Es ist nun ein zweites Schraube-Mutter-System vorgesehen, um eine Verschiebebewegung des Kolbens des gesteuerten Zylinders, der als Mutter wirkt, in eine Drehbewegung der Schraube des zweiten Schraube-Mutter-Systems umzuwandeln, wobei die Steuerstange und die Schraube des zweiten Schraube-Mutter-Systems derart miteinander verschraubt sind, daß sich die Drehungen der Steuerstange und der Schraube ausgleichen und daß die Steuerstange verschiebefest bleibt, wenn die Bewegung des Kolbens des Steuerzylinders, welche auf die Steuerstange übertragen wird, und die des Kolbens des gesteuerten Zylinders synchronisiert sind.
Die Vorrichtung zur Übertragung der Drehbewegung des Steuerritzels auf ein gesteuertes Ritzel ist beispielsweise von einem flexiblen Linearwälzlager gebildet, das Zahnstangen trägt, an denen die Ritzel zum Eingriff kommen.
Der oder jeder gesteuerte Zylinder kann eine erste Kammer aufweisen, die mit dem diesem gesteuerten Zylinder zugeordneten Verteiler verbunden ist, sowie eine zweite Kammer, die gemeinsam mit einer Kammer des Steuerzylinders verbunden ist.
In einer Variante kann dem oder jedem gesteuerten Zylinder ein Zweiwegeverteiler zugeordnet sein, der mit der ersten und der zweiten Kammer des gesteuerten Zylinders verbunden ist.
Wenn die Kolben der Zylinder mit ein und demselben Steuerring verbunden sind, weist die Betätigungsanordnung vorzugsweise einen Steuerzylinder und zwei gesteuerte Zylinder auf. Wenn wenigstens ein zusätzlicher Zylinder erforderlich ist, so kann dieser zusätzliche Zylinder ein Folgezylinder sein, der parallel mit dem Steuerzylinder mit dem Hydraulikkreis verbunden ist, wobei das Vorhandensein eines Steuerzylinders und von zwei gesteuerten Zylindern ausreichend ist, um die gewünschte Synchronisierung sicherzustellen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird beim Lesen der nachfolgend zur Unterrichtung gegebenen, aber nicht einschränkend zu verstehenden Beschreibung, die unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erfolgt, besser verständlich, in welchem:
1 eine abgewickelte schematische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Betätigungsanordnung für Klappen einer Düse mit variablem Querschnitt ist,
2 eine Teilschnittansicht einer Ausführungsform eines Steuerzylinders für eine erfindungsgemäße Betätigungsanordnung ist,
3 eine Ansicht in vergrößertem Maßstab eines Details der 2 ist,
4 eine Teilansicht im Schnitt entlang der Ebene IV-IV der 3 ist,
5 eine Teilschnittansicht eines gesteuerten Zylinders der Anordnung der 1 ist,
6 eine Ansicht in vergrößertem Maßstab eines Teils der 5 ist,
7 ein Schema, welches das Funktionsprinzip der Anordnung der 1 veranschaulicht ist, und
8 ein Schema ist, das eine Ausführungsform einer Betätigungsanordnung gemäß der Erfindung für Klappen einer Vektordüse veranschaulicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER AUSFÜHRUNGSFORM
In der nachfolgenden Beschreibung ist auf eine Betätigungsanordnung von beweglichen Klappen, wie Klappen einer Turbostrahltriebwerksdüse mit variablem Gasausströmquerschnitt Bezug genommen.
1 zeigt eine Betätigungsanordnung gemäß der Erfindung mit einem Steuerzylinder 10, zwei gesteuerten Zylindern 20, einem Folgezylinder 30, einer Vorrichtung 40 zur mechanischen Übertragung zwischen dem Steuerzylinder und den gesteuerten Zylindern sowie einem hydraulischen Düsensteuerungsblock 50.
In dem dargestellten Beispiel wirken die Zylinder 10, 20 und 30 auf einen Steuerring 60, an dem Schwingarme 62 angelenkt sind, welche den Steuerring 60 mit beweglichen Düsenklappen 64 verbinden (in 1, die eine der Länge nach abgewickelte Ansicht der Betätigungsanordnung und des Steuerrings ist, sind ein einziger Schwingarm 62 und eine einzige Klappe 64 dargestellt).
Die gewählte Gesamtzahl der Zylinder beträgt vorzugsweise wenigstens gleich drei, um eine statische Einheit zu bilden. Wenn drei Zylinder verwendet werden, wirkt einer als Steuerzylinder und zwei weitere als gesteuerte Zylinder, deren Bewegungen an diejenige des Steuerzylinders gebunden sind. Wenn mehr als drei Zylinder vorgesehen sind, um die für die Bewegung des Rings erforderlichen Kräfte zu erzeugen, ohne eine unerwünschte Überdimensionierung der Zylinder zu erfordern, kann der oder können die zusätzlichen Zylinder Folgezylinder sein (in der Ausführungsform der 1 ist ein einziger vorgesehen), die über den hydraulischen Steuerkreis parallel mit dem Steuerzylinder versorgt werden, in dem Maße wie die gewünschte Synchronisierung durch den Steuerzylinder und die zwei gesteuerten Zylinder sichergestellt werden kann.
Man wird feststellen, daß die erfindungsgemäße Betätigungsanordnung ohne Steuerring verwendet werden kann, wobei die Zylinder über Schwingarme direkt mit den Klappen oder anderen synchron zu bewegenden, beweglichen Organen verbunden sind.
In der Ausführungsform, die anhand der 1 und 2 detaillierter dargestellt ist, umfaßt der Steuerzylinder 10 einen Zylinder 100 mit einem Kolben 102, der in dem Zylinder axial beweglich und mit einer Stange 104 fest verbunden ist, die an einem Ende über ein Gelenk 106 mit dem Steuerring 60 verbunden ist. Diese Einheit bestehend aus Stange 104 und Kolben 102 ist über ein dichtes Lager 101, welches den Zylinder 100 verschließt, verschieblich geführt. Ein linearer Lagesensor, der einen mit dem Zylinder 100 verbundenen Körper 105 und eine in einer Bohrung 104a der Stange 104 befestigte Stange 107 aufweist, ermöglicht, die Position der Stange 104 über den gesamten Weg des Zylinders zu messen. Das durch diesen Lagesensor gelieferte Signal stellt die tatsächliche Position der beweglichen Klappen dar und wird an eine Einheit zur Steuerung der Konfiguration der Düse übertragen. An seinem hinteren Ende, das demjenigen gegenüberliegt, an dem die Stange 104 vorspringt, ist der Zylinder 100 mittels eines Gelenks 110 an einer Wand 70 angebracht.
Der Kolben 102 unterteilt das Innenvolumen des Zylinders 100 in zwei Kammern 112, 114. Die hintere Kammer 112 ist mit dem hydraulischen Düsensteuerungsblock 50 über eine Leitung 120 verbunden, während die vordere Kammer 114 mit dem Block 50 über eine Leitung 122 verbunden ist.
Ein Schraube-Mutter-System 130 wandelt die lineare Verschiebebewegung des Kolbens 102 in eine Drehbewegung um. Bei diesem System liegt die Mutter 132 in Form einer zylindrischen Stange vor, die an einem Ende an einer mit der Kolbenstange 104 fest verbundenen Lasche 134 befestigt ist. Am anderen Ende der Stange 132 öffnet sich eine axiale Sackbohrung 136, die ein Gewinde 138 an wenigstens einem Teil ihrer Länge aufweist. Die Stange 132 kann in einer Aufnahme 140 gleiten, die in einem Körper 142 ausgebildet ist, der mit dem Körper des Zylinders 100 fest verbunden, beispielsweise einstückig mit diesem geformt ist.
Die Schraube 144 des Schraube-Mutter-Systems 130 hat einen mit Gewinde versehenen Endteil 144a, der in die Bohrung 136 der Mutter 132 eingesteckt ist. An ihrem anderen Ende 144b, das kein Gewinde aufweist, ist die Schraube 144 von einem in dem Körper 142 befestigten Lager 146 getragen.
Über die Schraube 144 wird ein Steuerritzel 150 außerhalb des Körpers 142 drehangetrieben. Das Ritzel 150 kann direkt an dem Ende der Schraube 144 angebracht sein oder kann, wie anhand 2 dargestellt, an dem Ende einer Stange 152 angebracht sein, die mit der Schraube 144 drehfest, jedoch frei axial verschieblich gegenüber dieser ist. Die Drehverbindung zwischen der Schraube 144 und der Stange 152 ist beispielsweise über ein Quadrat oder Abflachungen hergestellt, die in in gegenseitigem Eingriff befindlichen, komplementäre Formen aufweisenden Teilen der Schraube 144 und der Stange 152 ausgebildet sind. Es kann jedwedes andere mechanische Mittel verwendet werden, das ermöglicht, zwischen zwei nicht unbedingt exakt fluchtenden Teilen eine Drehbewegung ohne Verklemmen zu übertragen. Die Stange 152 wird von einem Lager 154 getragen, das in einer an dem Körper 142 befestigten Kappe gelagert ist. Diese Anordnung erleichtert die Montage des Steuerritzels 150.
Das Steuerritzel 150 kämmt mit einem Zahnstangensegment 402 der Vorrichtung 40 zur mechanischen Übersetzung (3 und 4).
Bei der Ausführungsform der 2 ist das System 130 zum Nachbilden der Bewegung des Kolbens 102 auf das Ritzel 150 seitlich zu dem Zylinder 100 angeordnet.
In einer Variante kann der Lagesensor 105, 106 – wenn wenigstens ein Folgezylinder verwendet wird – axial in dem Folgezylinder angeordnet werden, wobei der verfügbare Platz für das Lagern des Systems 130 axial zu dem Zylinder 100 gelassen wird, wie dies in 1 schematisch dargestellt ist, so daß der Steuerzylinder 10 kompakter sein kann.
Die Übertragungsvorrichtung 40 ist vorteilhafterweise von einem flexiblen Linearwälzlager 400 gebildet, beispielsweise vom Typ dessen, welches von der französischen Gesellschaft Intertechnique unter der Bezeichnung „Teleflex Syneravia" in den Handel gebracht wird. Es umfaßt einen flexiblen Metallkern 404, der unter Zwischenschaltung von Kugeln oder Rollen 410, 412 zwischen zwei Bändern 406, 408 gleitet, wobei die Gesamtanordnung in einer festen Hülle 414 untergebracht ist.
Im Bereich der Verbindung mit dem Steuerritzel 150 sind die Hülle 414 und eines 406 der Bänder ausgeschnitten, wobei die geschnittenen Enden des Bandes 406 umgefalzt sind, um die Aufnahme der Kugeln 410 zu verschließen. Das Zahnstangensegment 402 ist an dem auf diese Weise freigelegten Teil des Kerns 404 befestigt, beispielsweise festgeschweißt, so daß es fest mit diesem gleitet. Ein Schutzgehäuse 416 umschließt die Zahnstange 402, die Verbindungsbereiche mit dem Rest des Linearwälzlagers 400 und das Steuerritzel 150. Das Gehäuse 416 ist an dem Zylinder 10 und an der Hülle 414 befestigt. Die Stange 152, welche das Ritzel 150 trägt, durchgreift ein Lager 418, das von dem Gehäuse 416 getragen wird. In 4, wie in 1, ist die Übersetzungsvorrichtung 40 in einer der Länge nach abgewickelten Form dargestellt.
Jeder gesteuerte Zylinder 20 (1, 5 und 6) weist einen Zylinder 200 mit einem Kolben 202 auf, der in dem Zylinder axial beweglich und mit einer Stange 204 fest verbunden ist, die über ein Gelenk 206 mit dem Steuerring 60 verbunden ist. An seinem vorderen Ende ist der Zylinder 200 über ein Stangenlager 201 verschlossen, das auf dichte Weise von der Stange 204 durchgriffen wird. An seinem hinteren Ende, das demjenigen gegenüberliegt, von dem die Stange 204 vorspringt, ist der Zylinder 200 über ein Gelenk 210 an der Wand 70 angebracht.
Der Kolben 202 unterteilt das Innenvolumen des Zylinders 200 in zwei Kammern 212, 214. Die hintere Kammer 212 ist mit dem Block 50 über eine Leitung 220 verbunden, während die vordere Kammer 214 über einen Verteiler 260 versorgt wird, dessen Ausgang über eine Leitung 216 mit der Kammer 214 verbunden ist.
Der Verteiler 260 umfaßt einen Zylinder 262, in dem eine Steuerstange 264, die Schultern 266, 268 trägt, gleiten kann und drei Kammern 270, 272, 274 begrenzt. An seinen Enden ist der Verteiler über eine Leitung 276 mit einem hydraulischen Niederdruckausgang BP des Blocks 50 verbunden, während er in seiner Zwischenkammer über eine Leitung 278 mit einem hydraulischen Hochdruckausgang HP des Blocks 50 verbunden ist, um einen Druck aufzunehmen, welcher ein Abbild dessen ist, der in der Kammer 114 des Steuerzylinders herrscht, welcher als Bezugsdruck dient. Entsprechend der axialen Lage der Steuerstange 264, verbindet der Verteiler 260 die Kammer 214 des Zylinders mit der Leitung 276 oder mit der Leitung 278.
Die Kammer 214 des Zylinders 20 ist ferner über zwei umgekehrt angeordnete Überdruckventile 280, 282 mit einer Leitung 222 verbunden, die ihrerseits mit dem Block 50 verbunden ist. Auf diese Weise kann sich der Druck in der Kammer 214 des gesteuerten Zylinders nicht zu weit von dem als Bezug dienenden Druck der Kammer 114 entfernen, andernfalls könnte eine „Torsion" der Düse hervorgerufen werden.
Ein Schraube-Mutter-System 230 wandelt die lineare Verschiebebewegung des Kolbens 202 in eine Drehbewegung um. Bei diesem System ist die Mutter 232 fest mit der Kolbenstange 204 verbunden und ist in eine Längssackbohrung 234 eingesteckt, die in der Stange 204 ausgebildet ist und die sich an dem hinteren Ende dieser öffnet. Die Mutter 232 erstreckt sich nur über einen Teil der Länge der Bohrung 234 in der Nähe ihrer Öffnung.
Die Schraube 236 des Schraube-Mutter-Systems 230 hat einen Gewindeteil 236a, der in die Mutter 232 geschraubt ist und der sich in die Bohrung 234 erstrecken kann. An ihrem hinteren, nicht mit Gewinde versehenen Ende 236b ist die Schraube 236 von einem Lager 238 getragen, das in einem mit dem Körper 242 des Zylinders 200 fest verbundenen Lagerhalter 240 angebracht ist.
Die Gewindesteigung 232–236 des Schraube-Mutter-Systems 230 ist identisch mit der Gewindesteigung 132–144 des Schraube-Mutter-Systems 130 und hat die gleiche Richtung, so daß eine gleiche Verschiebebewegung der Kolben des Steuerzylinders und des gesteuerten Zylinders durch eine gleiche Drehbewegung der Schrauben 144 und 236 zum Ausdruck kommt.
In ihrem Endteil 236b weist die Schraube 236 eine axiale Gewindesackbohrung 244 auf, in die ein mit Gewinde versehenes Ende der Steuerstange 264 des Verteilers 260 eingeschraubt ist, so daß die Stange 264 und die Schraube 236 ein weiteres Schraube-Mutter-System bilden, bei dem die Mutter von der Schraube 236 des Schraube-Mutter-Systems 230 gebildet ist. Bei diesem weiteren Schraube-Mutter-System 264–236 verläuft die Gewindesteigung in der gleichen Richtung wie bei dem System 230.
An ihrem anderen Ende ist die Steuerstange 264 mit einer Stange 246 drehfest, aber verschiebefrei gegenüber dieser. Die Verbindung zwischen der Steuertange 264 und einem Ende der Stange 246 kann über ein Quadrat oder Abflachungen hergestellt sein, die in in gegenseitigem Eingriff befindlichen, komplementäre Formen aufweisenden Teilen der Stangen 264, 246 ausgebildet sind. Es kann jedwedes andere mechanische Mittel verwendet werden, das ermöglicht, zwischen zwei nicht unbedingt exakt fluchtenden Teilen eine Drehbewegung ohne Verklemmen zu übertragen. An ihrem anderen Ende trägt die Stange 246 ein gesteuertes Ritzel 250. Die Stange 246 ist von einem Lager 248 getragen, das in einer an dem Körper 252 befestigten Kappe 254 gelagert ist.
Das gesteuerte Ritzel 250 kämmt mit einem Zahnstangensegment 420 der Vorrichtung zur mechanischen Übersetzung. Die Anordnung des Zahnstangensegments 420 und dessen Verbindung mit dem gesteuerten Ritzel 250 sind auf die gleiche Art und Weise wie weiter oben unter Bezugnahme auf das Zahnstangensegment 404 und das Steuerritzel 50 beschrieben realisiert.
Der Folgezylinder 30 (1) weist einen Zylinder 300 mit einem Kolben 302 auf, der in dem Zylinder axial beweglich und mit einer Stange 304 fest verbunden ist, die über ein Gelenk 306 mit dem Steuerring 60 verbunden ist. An seinem hinteren Ende, das demjenigen gegenüberliegt, an dem die Stange 304 vorspringt, ist der Zylinder 300 über ein (nicht dargestelltes) Gelenk an der Wand 70 angebracht.
Der Kolben 302 unterteilt das Innenvolumen des Zylinders 300 in zwei Kammern 312, 314. Die hintere Kammer 312 ist über eine Leitung 320 mit dem Block 50 verbunden, während die vordere Kammer 314 über eine Leitung 322 mit dem Block 50 verbunden ist.
Die Leitungen 120, 220, 320 sind gemeinsam mit einem Ausgang SO des Blocks 50 verbunden, während die Leitungen 122, 222 und 322 gemeinsam mit einem weiteren Ausgang S1 des Blocks 50 verbunden sind.
Auf diese Weise werden der Steuerzylinder 10 und der Folgezylinder 30 parallel mit Hydraulikflüssigkeit gespeist. Was die gesteuerten Zylinder 20 anbelangt, so werden ihre Kammern 212 parallel mit den Kammern 112 und 312 der Zylinder 10 und 30 versorgt, ihre Kammern 214 werden jedoch über die Verteiler 260 versorgt.
Die Funktionsweise der Betätigungsanordnung wird nun unter Bezugnahme auf 7 beschrieben, die ein Prinzipschaltbild dieser Anordnung (mit Ausnahme des Folgezylinders 30) sowie einige Elemente des Blocks 50 zeigt.
Eine Pumpe 502, sogenannte Düsenpumpe, erzeugt den Hochdruck HP, welcher dazu bestimmt ist, die Zylinder zu betätigen, um auf die beweglichen Klappen zu wirken, um den Gasausströmquerschnitt durch die Düse zu vergrößern (Öffnen) oder zu verringern (Schließen). Die Verwendung einer besonderen Pumpe 502 ist hier vorgesehen, um den erforderlichen Hochdruckpegel zu liefern, der deutlich über dem Pegel hp liegt, der von einer Hochdruckpumpe 504 des hydraulischen Hauptkreises des Turbostrahltriebwerks geliefert wird.
Der Druck HP wird mittels eines Servoventils 500, das den Druck HP an einem Eingang 512 empfängt, an den Ausgang S0 oder an den Ausgang S1 angelegt. Die Ausgänge 514, 516 des Servoventils 500 sind mit den Ausgängen S0, S1 verbunden. Es kann ein Servoventil mit zwei Stufen 500a, 500b verwendet werden. Der Druck HP wird über die zweite Stufe 500b unter der Steuerung der ersten Stufe 500a geschaltet. Letztere empfängt an Eingängen 518, 520 den Druck hp des Kreises 504 sowie einen Niederdruck BP, der über eine Niederdruckpumpe 522 des hydraulischen Hauptkreises geliefert wird. Die erste Stufe wird durch ein Signal S gesteuert, beispielsweise über ein einen Hydraulikverteiler steuerndes elektrisches Signal.
Die Drücke HP und BP verlassen den Block 50 und werden über die Leitungen 276 und 278 an die Verteiler der gesteuerten Zylinder gegeben.
Die Übertragung des Druckes HP an den Ausgang S0 unter der Steuerung des Signals S1 bewirkt beispielsweise das Öffnen der Düse, wobei am Ausgang S1 nun der Druck BP vorliegt. Der Hochdruck HP wird parallel in den Kammern 112, 212 und 312 der Zylinder 10, 20, 30 angelegt, während in den Kammern 114, 214 und 314 der Druck BP vorliegt. Die Drücke HP und BP werden nun in Abhängigkeit von den Kräften moduliert, welche durch die Düse, das Servoventil 500 (zu den Kammern 112 und 114, 212, 312 und 314) und die Verteiler 260 (zu den Kammern 214) übertragen werden. Das Anlegen des Druckes HP oder BP an die Kammern 114, 214 wird durch die Positionsabweichung zwischen dem Steuerzylinder und dem gesteuerten Zylinder, d.h. durch den Regelungsfehler gesteuert.
Die Bewegung der Stange 104 des Steuerzylinders wird über das Schraube-Mutter-System 30, das Steuerritzel 150, das Linearwälzlager 400 und das gesteuerte Ritzel 250 im Bereich eines jeden gesteuerten Zylinders 20 nachgebildet.
Die Drehung des gesteuerten Ritzels 250 wird über die Stange 246 auf die Steuerstange 264 des Verteilers 260 übertragen. Die Stange 264 bildet mit dem Gewinde der Axialbohrung 244 der Schraube 236 ein Schraube-Mutter-System, das die Drehung der Stange 264 in eine lineare Verschiebebewegung dieser umwandelt, so daß der Druck BP zur Kammer 214 des Zylinders übertragen wird.
Wird der Kolben 202 des Zylinders 200 bewegt, wird dessen Verschiebebewegung in eine Drehbewegung der Schraube 236 umgewandelt.
Jeder vorherige Synchronisationsverlust der Kolben 102, 202 kommt durch eine axiale Bewegung der Steuerstange 264 zum Ausdruck, die nun den in der Kammer 214 angelegten Druck moduliert, um diesen Synchronisationsverlust umgehend auszugleichen.
Die Wirkrichtung der Schulter 268 des Verteilers 260 auf den über die Leitung 216 gelieferten Druck wird in Übereinstimmung mit der Richtung der Gewindesteigungen 244 und 236 gewählt, damit die Rückwirkung der Regelung unter Berücksichtigung der Druckpegel in den Leitungen 276 und 278 in die richtige Richtung wirkt.
Die Steigung der Schraubverbindung zwischen der Stange 264 und dem Gewinde der Bohrung 244 wird im Hinblick auf diejenige gewählt, die zwischen der Schraube 236 und dem Gewinde der Mutter 232 besteht, so daß dann, wenn die Bewegungen der Kolben 102 und 202 synchronisiert sind, die Drehung der Schraube 236, welche eine Rückwirkungsschraube bildet, diejenige der Stange 264 ausgleicht und diese im Gleichgewichtszustand verschiebefest bleibt.
Diese Steigung des Gewindes 244 kann auf folgende Weise bestimmt werden.
Die maximale Hydraulikleistung des Verteilers 260 muß erhalten werden, wenn die Lageabweichung zwischen dem gesteuerten Zylinder und dem Steuerzylinder einen bestimmten Maximalwert erreicht, welcher insbesondere eine Funktion der mechanischen Fähigkeit der Düse, einer „Distorsion" ohne Verklemmen und ohne Hervorrufen einer dauerhaften Verformung von Teilen standzuhalten, sowie der Fähigkeit des Flugszeugs, einem versetzten Schub standzuhalten, ist.
Aus den Werten der maximalen Leistung des Verteilers 260, die durch einen maximalen Weg – beispielsweise etwa 1 mm – der Stange 264 ausgedrückt werden kann, und aus dem zulässigen Synchronisierungsfehler zwischen den Zylindern, der durch einen Prozentsatz – beispielsweise etwa 2% – des Weges der Kolben ausgedrückt werden kann, kann die Steigung des Gewindes 244 festgelegt werden, wobei man weiß, daß die Steigungen der Schraube-Mutter-Systeme 130 und 230 durch die Notwendigkeit der Umkehrbarkeit zwischen den Verschiebe- und Drehbewegungen, die sie umwandeln, auferlegt werden.
Des weiteren wird für die Zahnstange 402 ein relativer langer Weg, beispielsweise mehrere Zentimeter gewählt, um den Einfluß der Spiele oder Biegungen im Bereich der mechanischen Übersetzung 40 zu verringern. Dieser Weg ermöglicht, den Durchmesser der Ritzel 150 und 250 festzulegen.
Die Übertragung des Druckes HP an den Ausgang S1 unter der Steuerung des Signals S bewirkt das Öffnen der Düse, wobei an dem Ausgang S0 nun der Druck BP vorliegt.
Die Synchronisierung der Bewegungen der Kolben der Zylinder 10 und 20 wird nun in analoger Weise wie vorbeschrieben vollzogen.
In 7 zeigen die Pfeile die Bewegungen der Teile und der Flüssigkeit, die aus einer Rückwirkung des Kolbens 104 des Steuerzylinders folgen, wobei die Gewindesteigungen alle „Rechtsgänge" sind.
So ist die erfindungsgemäße Betätigungsanordnung dadurch bemerkenswert, daß die mechanische Übertragungsvorrichtung, welche die Bewegung des Steuerzylinders nachbildet, keinen hohen Kräften ausgesetzt ist. Diese Übertragungsvorrichtung bildet die Bewegung des Steuerzylinders zu einem Steuerorgan eines Verteilers nach, der als hydraulischer Verstärker wirkt. Denn das gesteuerte Ritzel ist mit der Steuerstange des Verteilers drehgekoppelt, die nicht direkt mit einer mit dem Kolben des gesteuerten Zylinders fest verbundenen Mutter in Eingriff ist.
Die Vorrichtung zur mechanischen Übertragung kann folglich gegenüber Vorrichtungen, die Zahnkränze verwenden, welche mit den Kolben der Zylinder in mechanischem Eingriff sind, erheblich vereinfacht werden.
Außerdem reicht es aus, den Druck von lediglich einer der Kammern der gesteuerten Zylinder über einen Verteiler zu steuern. Die Steuerung des Druckes der beiden Kammern der gesteuerten Zylinder über Verteiler, die von dem Steuerzylinder aus gesteuert werden, ist – obwohl sie in Betracht gezogen werden kann – nicht erforderlich.
Die Verwendung eines flexiblen Linearwälzlagers ist aufgrund seines geringen Gewichts, seiner Fähigkeit, eine wirkungsvolle mechanische Synchronisierung ohne Toleranz- und Wärmedehnungswirkung zu gewährleisten sowie aufgrund seiner Lebensdauer vorteilhaft. Es könnten jedoch andere mit Ritzeln kämmende Vorrichtungen zur mechanischen Übertragung, wie zum Beispiel Ringe, Zahnstangen oder flexible Wellen mit Schnecke, verwendet werden, aber mit einer aufgrund des erforderlichen geringen Synchronisierungsaufwandes verringerten Abmessung.
In der vorangehenden Beschreibung wurde eine Anwendung einer erfindungsgemäßen Betätigungsanordnung auf bewegliche Klappen von Düsen mit variablem Querschnitt vorgesehen.
Wie bereits angegeben, ist die Erfindung nicht auf diese Anwendung begrenzt und kann für die Steuerung durch Hydraulikzylinder von anderen beweglichen Organen als den synchron zu bewegenden Klappen oder für die Steuerung von Klappen einstellbarer Düsen (oder „Vektordüsen") verwendet werden.
In letzterem Fall werden die Klappen der einstellbaren Düse über wenigstens drei mechanisch synchronisierte Zylinder gesteuert, die durch zwei Versetzungsvorrichtungen ergänzt sind, welche elektrisch geregelt werden und auf die Sollposition von zwei entsprechenden Zylindern wirken, um sie gegenüber derjenigen des dritten Zylinders zu versetzen, um die Düse einzustellen.
Eine Ausführungsform ist schematisch anhand 8 dargestellt. Die gemeinsamen Elemente der 8 und der anderen 1 bis 7 tragen die gleichen Bezugszeichen.
Die Betätigungsanordnung der 8 umfaßt einen Steuerzylinder 10 und zwei gesteuerte Zylinder 20 mit einer Vorrichtung 40 zur mechanischen Übertragung zwischen dem Steuerzylinder und den gesteuerten Zylindern. Die Zylinder 10, 20 und die Übertragungsvorrichtung 40 sind diejenigen, wie sie weiter oben beschrieben sind.
Eine Versetzungsvorrichtung 70 ist zwischen der Übertragungsvorrichtung 40 und jedem gesteuerten Zylinder 20 zwischengeschaltet. Nur eine dieser Versetzungsvorrichtungen 70 ist im Detail in 8 dargestellt.
Die Versetzungsvorrichtung 70 umfaßt einen Zahnkranz 702, der die gleiche Achse wie die Stange 264 des Verteilers 260 des entsprechenden gesteuerten Zylinders hat.
An seinem Außenumfang ist der Kranz 702 mit der Zahnstange 420 der Übertragungsvorrichtung 40 in Eingriff.
An seinem Innenumfang ist der Kranz 702 mit einem Planetenrad 704 in Eingriff, das zwischen dem Kranz 702 und einer Zahnnabe 706 eines Rades 708 mit gleicher Achse wie die Stange 264 des Verteilers 260 eingefügt ist.
Das Ritzel 704 ist an einer Stange 710, die über einen Arm 712 mit der Stange 246 verbunden ist und mit dieser eine Kurbel bildet, drehbar angebracht, wobei die Achse der Stange 710 zu derjenigen der Stange 246 parallel verläuft, aber radial versetzt ist. So ist die Stange 246, welche mit der Stange 264 des Verteilers drehfest ist, – im Gegensatz zu der Ausführungsform der 6 und 7 – mit der Zahnstange 420 nicht nur mittels eines gesteuerten Ritzels 250, sondern mittels des Ritzels 704 und des Kranzes 702 in Eingriff.
Das Rad 708 ist mit der Abtriebswelle 714 eines Schrittschaltmotors 716 gekoppelt. Ein Rechner 80 zur Vektorkontrolle liefert dem Motor 716 ein Steuersignal, um zwischen der Stange 246 und der Zahnstange 420 durch Drehung des Rades 708 und des Ritzels 704 eine Winkelverschiebung einzuführen. Diese Winkelverschiebung wird in Abhängigkeit von einem durch die Flugsteuerungen vorgegebenen Soll zur Einstellung der Düse bestimmt. Man wird feststellen, daß das sehr große Untersetzungsverhältnis ausgehend von dem Eingang des Motors 716 in dem dargestellten Beispiel ermöglicht, einen einfachen Schrittschaltmotor ohne Untersetzungsgetriebe zu verwenden.
Die Vektorkontrolle überlagert die Kontrolle des Ausströmquerschnitts, die durch einen Rechner 90 durchgeführt wird, welcher seitens des Steuerzylinders 10 eine Information über die Klappenposition empfängt und dem Hydraulikblock 50 die erforderlichen Steuersignale liefert, um einen gewollten Ausströmquerschnitt durch gleichzeitiges Einwirken auf die Klappen über den Steuerzylinder und die gesteuerten Zylinder zu erhalten.
Zwischen den Rechnern 70 und 80 ist eine Dialogverbindung 82 vorgesehen, um eine Optimierung der Leistungen des Motors entsprechend den Einstell- und Leistungssollwerten herbeizuführen.
Die Verwendung einer erfindungsgemäßen Synchronisierungsvorrichtung bringt also zwei signifikante Vorteile mit sich:

– aufgrund des Vorhandenseins einer hydraulischen Verstärkung im Bereich der gesteuerten Zylinder, ist die elektrischen Regelung zur Lageverschiebung den gesteuerten Zylindern zugeordnet und kann sich dann auf einem niedrigen Leistungsaufwandsniveau befinden, und
– im Falle eines elektrischen Ausfalls in der Steuerungskette der Düse, kehrt die Einheit zu der Anordnung mechanisch synchronisierter Zylinder zurück, was eine Sicherheitsauffangposition darstellt (Düse ist schräg nicht blockiert).

Claims

Betätigungsanordnung mit synchronisierten Hydraulikzylindern, umfassend: einen hydraulischen Steuerkreis (50), – einen Steuerzylinder (10) mit einem Zylinder (100) und einem Kolben (102), der in dem Zylinder zwei mit dem Hydraulikkreis verbundene Kammern definiert, – wenigstens einen gesteuerten Zylinder (20), der einen Zylinder (200) und einen Kolben (202) aufweist, der in dem Zylinder zwei Kammern definiert, von denen wenigstens eine erste Kammer mit einem Ausgang eines Verteilers (260) verbunden ist, der genannte Verteiler ist mit dem Hydraulikkreis (50) verbunden und weist ein Steuerorgan (264) auf, dessen Position den Druck in der ersten Kammer des gesteuerten Zylinders bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß sie folgendes aufweist: – eine mechanische Übersetzung (40), um eine Bewegung des Kolbens (102) des Steuerzylinders (10) auf das Steuerorgan (264) des dem gesteuerten Zylinder (20) zugeordneten Verteilers (260) zu übertragen, so daß die Bewegung des Kolbens (202) des gesteuerten Zylinders (20) durch Steuerung der Position des Steuerorgans des dem gesteuerten Zylinder zugeordneten Verteilers an die Bewegung des Kolbens des Steuerzylinders gebunden ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Übersetzung eine Vorrichtung (130) zur Umwandlung der Verschiebebewegung des Kolbens (102) des Steuerzylinders (10) in eine Drehbewegung eines Steuerritzels (150), eine Vorrichtung (400) zur Übertragung der Drehbewegung des Steuerritzels auf ein gesteuertes Ritzel (250), sowie eine Vorrichtung zur Umwandlung der Drehbewegung des gesteuerten Ritzels in eine Verschiebebewegung einer Steuerstange (264) des dem oder jedem gesteuerten Zylinder zugeordneten Verteilers aufweist.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Umwandlung der Drehbewegung des gesteuerten Ritzels (250) in eine Verschiebebewegung der Steuerstange (264) von einem ersten Schraube-Mutter-System gebildet ist, bei dem die Schraube von der Steuerstange getragen wird.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein zweites Schraube-Mutter-System aufweist, um eine Verschiebebewegung des Kolbens (202) des gesteuerten Zylinders (20), der als Mutter wirkt, in eine Drehbewegung der Schraube (236) des zweiten Schraube-Mutter-Systems umzuwandeln, wobei die Steuerstange (264) und die Schraube (236) des zweiten Schraube-Mutter-Systems derart miteinander verschraubt sind, daß sich die Drehungen der Steuerstange (264) und der Schraube (236) ausgleichen und daß die Steuerstange verschiebefest bleibt, wenn die Bewegung des Kolbens des Steuerzylinders, welche auf die Steuerstange übertragen wird, und die des Kolbens des gesteuerten Zylinders synchronisiert sind.
Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder gesteuerte Zylinder (20) eine erste Kammer (214) aufweist, die mit dem diesem gesteuerten Zylinder zugeordneten Verteiler (260) verbunden ist, sowie eine zweite Kammer (212), die gemeinsam mit einer Kammer (112) des Steuerzylinders (10) verbunden ist.
Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verteiler, welcher dem oder jedem gesteuerten Zylinder zugeordnet ist, ein Zweiwegeverteiler ist, der mit den zwei Kammern des gesteuerten Zylinders verbunden ist.
Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Übertragung der Drehbewegung des Steuerritzels (150) auf ein gesteuertes Ritzel (250) von einem flexiblen Linearwälzlager (400) gebildet ist, das Zahnstangen trägt, an denen die Ritzel zum Eingriff kommen.
Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Kolben der Zylinder gemeinsam mit einem Steuerring (60) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung einen Steuerzylinder (10) und zwei gesteuerte Zylinder (20) aufweist.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem wenigstens einen zusätzlichen Folgezylinder (30) aufweist, der über den Hydraulikkreis (50) parallel mit dem Steuerzylinder (10) versorgt wird.
Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Vorrichtung zur variablen Verschiebung (70) aufweist, die zwischen der mechanischen Übersetzung und dem Steuerorgan (264) eines jeden gesteuerten Zylinders (20) eingefügt ist, um zwischen einer Stellpposition des gesteuerten Zylinders (20) und einer Sollposition des Steuerzylinders (10) eine Verschiebung einzuführen.
Anordnung nach den Ansprüchen 2 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebevorrichtung (70) eine Vorrichtung zur Winkelverschiebung zwischen der Steuerstange (264) des gesteuerten Ritzels (20) und einem mit einer Vorrichtung (400) zur Übertragung der Drehbewegung des Steuerritzels (150) in Eingriff befindlichen Kranz (702) ist.
Turbostrahltriebwerksdüse mit variablem Ausströmquerschnitt, der durch die Stellungen von beweglichen Klappen definiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9 für die gleichzeitige Betätigung der beweglichen Klappen aufweist.
Turbostrahltriebwerksdüse mit variablem Ausströmquerschnitt und variabler Ausrichtung, die durch die Stellungen von beweglichen Klappen definiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 10 und 11 für die Betätigung der beweglichen Klappen aufweist.