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Vorrichtung für die Übertragung einer Steuerkraft mit Hilfe eines
Druckmittels, das in einem Zylinder auf einen Kolben einwirkt, insbesondere für
Flugzeugsteuerungen Bei der mechanischen Übertragung von Steuerkräften ist es in
zahlreichen Fällen, insbesondere aber in der Luftfahrt, von Bedeutung, daß die Bedienungsperson
bzw. der Pilot nur eine verhältnismäßig schwache Kraft auszuüben braucht, doch am
Ende der Übertragungsmittel eine viel stärkere Kraft zur Verfügung steht. Dabei
ist die Bedingung zu erfüllen, daß einer Stellung des Steuerorgans eine bestimmte
Stellung des gesteuerten Organs am anderen Ende entspricht, d. h. die Steuerung
muß eine Zwanglauf- oder Folgesteuerung sein.
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Diese Forderung zu erfüllen, ist besonders schwierig, wenn biegsame
Übertragungsmittel verwendet werden, die im allgemeinen aus einem Kabel od. dgl.
bestehen, das sich in einem Rohr bzw. Schlauch bewegt. Derartige Übertragungsmittel
haben den Vorteil, daß sie sich sehr leicht an Bord eines Flugzeugs verlegen lassen.
Doch wenn sie nicht gerade verlaufen, vielmehr zahlreiche Biegungen aufweisen, haben
sie den Nachteil, daß sie wegen .der Reibung einen völlig unzulänglichen Wirkungsgrad
besitzen, der bis auf ein Hundertstel absinken kann.
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Die Erfindung will hierin Abhilfe schaffen. Sie besteht in erster
Linie darin, daß die Verbindung zwischen dem Steuerorgan und dem zu steuernden Organ
durch einen mit dem Steuerorgan zusammenhängenden Kolben und einen mit dem zu steuernden
Organ
zusammenhängenden Kolbenschieber hergestellt wird, die beide in einem gemeinsamen
Zylinder untergebracht sind und von denen der letztere mit Einlaß- und Auslaßöffnungen
für ein Druckmittel versehen ist; die j e nach der Stellung des Steuerkolbens in
bezug auf den Kolbenschieber beide geschlossen sind oder von denen das eine oder
das andere geöffnet ist, worauf das Druckmittel so auf den Kolbenschieber wirkt,
@daß dieser dem Steuerkolben folgt. Die in dieser Weise ausgebildete Vorrichtung
kann innerhalb des Servomotors angeordnet sein.
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Gemäß einem weiteren Kennzeichen der Erfindung werden durch die Bewegung
des Kolbens Kugelventile unter Vermittlung von Hilfskugeln betätigt, die mit Schrägflächen
am Kolben zusammenwirken.
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Ein anderes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die auf .das
zu steuernde Organ wirkende Kraft auf den Steuerhebel mit einem gewissen Reduktionsfaktor
übertragen wird, indem dem Steuerkolben od. dgl. Hilfskolben mit entsprechender
Kolbenfläche zugeordnet sind.
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Außerdem besteht zwischen den Kugeln der Ventile und den Schrägflächen
des Steuerkolbens ein sehr kleines Spiel, dessen Größe so festgelegt ist, daß die
Ventile ohne jedes Lecken schließen.
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Für schnelle Manöver muß eine verhältnismäßig hohe Zufuhr von Druckmittel
gewährleistet sein, was dazu führt, für die Steuerstange (im Gegensatz zur Folgestange)
einen verhältnismäßig großen Hub vorzusehen. Dies macht keine Schwierigkeit, solange
das Druckmittel einen ausreichenden Druck aufweist, beispielsweise im normalen Betrieb.
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Wenn dagegen der Druck des Druckmittels auf Null fällt, herrscht ein
beachtliches Spiel zwischen dem Steuerorgan des Piloten und dem zu steuernden Organ,
was beträchtliche Schwingungen zur Folge haben kann. Obwohl zwar bei geringem Druck
der Pilot nicht mehr mit großer Geschwindigkeit fliegen noch gewisse akrobatische
Manöver ausführen kann, .so muß er immerhin. in der Lage sein, sein Landungsziel
zu erreichen.
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Um diesen Nachteil zu beheben, ist erfindungsgemäß eine Vorrichtung
vorgesehen, die eine starre Kupplung der Steuerglieder herbeiführt, wenn der Druckunter
einen vorbestimmten Wert sinkt. Diese Vbrrichtung besteht in Kugeln, die radial
frei beweglich in einem Kranz an einem der beiden in Betracht kommenden Glieder
(Steuerstange oder Folgestange) angeordnet sind und in eine Nut (oder Aussparungen
o,d. dgl.) eindringen können, .die an dem anderen Glied ausgebildet ist. Das Eindringen
wird dadurch erreicht, daß ein Kegel an der Stange eines Kolbens, der in dem erwähnten
zweiten Glied gleitet, unter den Gegenkräften des Druckmittels, das auf eine Freigabe
der Kugeln abzielt, und einer Feder, die beim Sinken des Drucks den Kolben gegen
die Kugeln treibt, eine axiale Bewegung ausführt. Außerdem wird beim Absinken des
Drucks ein Kurzschluß für den Druckmittelkreislauf hergestellt, indem die Einlaß-
und die Auslaßöffnung durch eine Hilfsvörrichtung unmittelbar in Verbindung gesetzt
werden. Diese Hilfsvorrichtung bestellt beispielsweise in einem Kolben, der dem
Druckmittel und der Gegenwirkung einer Feder ausgesetzt ist und durch dessen Bewegung
beim Absinken des Drucks nacheinander zwei Ventile betätigt werden, von denen das
eine die Zuführung des Druckmittels und das andere .den Kurzschluß zwischen dem
Einlaß und dem Auslaß überwacht.
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In der Zeichnung ist die Erfindung an Ausführungsbeispielen veranschaulicht,
aus denen sich auch weitere vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung ergeben. Es
zeigt Fig. i in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung
zur Folgesteuerung nach der Erfindung, Fig.2 einen Längsschnitt durch eine ähnliche
Vorrichtung, bei der jedoch die am zu steuernden Organ wirksame Kraft auf das Steuerorgan
des Piloten übertragen wird, Fig. 3 das Schema einer übertragung zwischen dem Steuerknüppel
des Piloten und dem zu steuernden Organ, Fig. 4 eine der Fig. i entsprechende Ausführungsform
mit Kugelventilen, Fig. 5 einen Schnitt durch eine Servosteuerung, die mit der Vorrichtung
nach der Erfindung ausgerüstet ist, und Fig. 6 die Vorrichtung T der Fig. 5 in der
Betriebsstellung für normalen Druck.
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Gemäß Fig. i wind durch die Steuernstange 2, die der Einwirkung des
Piloten unterworfen ist, ein Kolben 3 betätigt, der je nach der Bewegungs-. richtung
die Öffnung 4 oder 5 eines Kolbenschiebers freilegt und dadurch die Bewegung des
Kolbenschiebers durch eine Druckflüssigkeit hervorruft, die durch die Öffnung 6
in den Zylinder 8 eindringt. Der Austritt der Flüssigkeit erfolgt durch die Öffnung
7. _ In der Darstellung nach Fig. i ist der Kolben 3 vollständig im Gleichgewicht;
die Kraft auf die Steuerstange io kann dabei beliebig groß sein; sie ist nur abhängig
von dem Druck des Druckmittels und en wirksamen Kolbenflächen des Kolbenschiebers
i.
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Die Wirkungsweise,der Vorrichtung ist folgende: Wenn die Bedienungsperson
den Steuerkolben 3 von links nach rechts verstellt, dringt das Druckmittel auf dem
Wege über die Öffnung 6, den Zylinderraum 8, den Kanal 4 in den Raum 9 und treibt
den Kolbenschieber i mit Differentialwirkung nach rechts, da die Leitung 5 geschlossen
ist, so, daß die Steuerstange io nach rechts verstellt wird.
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Wenn die Bedienungsperson dagegen den Steuerkolben 3 nach links zieht,
ist die Leitung 4 geschlossen und die Leitung 5 geöffnet. Die im Raum 9 befindliche
Flüssigkeit tritt über die Leitung 5 und die Öffnung 7 ohne Druck aus, während die
im Raum 8 befindliche Flüssigkeit den Kolbenschieber i und damit die Stange io nach
links treibt.
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Die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform entspricht der schematischen
Darstellung nach Fig. i und ihrer Wirkungsweise. Der Steuerschieber 33
öffnet
oder schließt je nach seiner Stellung die Leitung 34 oder 35 mittels .der Kugelventile
36 und 37, die durch die Schrägflächen 38, 39 betätigt werden.
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Eine Vorrichtung dieser Art löst die Schwierigkeit, eine Servosteuerung
ohne Ventil gegen sehr hohe Drücke abzudichten.
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Außerdem besitzt die in der Mitte des Servomotors gelegene Verteilereinrichtung
den Vorteil großer Einfachheit. Falls Druckmittel entweicht, bleibt es im inneren
Kreislauf. Es lassen sich äußerst gedrungene Anordnungen verwirklichen, was bei
den modernen Flugzeugen unerläßlich ist, datieren Flügel und Leitwerkteile sehr
dünn sind und es notwendig ist, den Servomotor so nahe wie möglich an dem zu verstellenden
Organ unterzubringen, um Schwingungen -der beweglichen Teile zu vermeiden. .
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Außerdem entfällt dadurch, daß die Ventile über Kugeln betätigt werden,
die Notwendigkeit, die Länge des Steuerkolbens abzugleichen. Es genügt nämlich,
über eine Reihe von Kugeln mit abgestuften Durchmessern zu verfügen, beispielsweise
mit Unterschieden im Durchmesser von ein oder zwei hundertstel Millimeter, um die
gewünschte Abgleichung der Kugeln zu erzielen.
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In vielen Fällen und insbesondere für Flugzeugsteuerungen ist es unerläßlich,
daß der Pilot einen Steuerdruck fühlt, d. h. daß die am Ende des Steuerausschlages
wirksame Kraft mit einer gewissen Reduktion zum Piloten hin übertragen wird.
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Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform erfüllt diese Bedingung.
Zu diesem Zweck endigt die Stange 2 in einem Differentialkolben vom Durchmesser
D', D" und d', d".
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Die Kraft F auf den Kolbenschieber ist die Differenz aus den Kräften
F1 und F2, die beiderseits des Kolbens wirksam sind: F=F2-Fi. Wenn der gewünschte
Reduktionsfaktor für die Kraft, die auf den Kolbenschieber mit Differentialwirkung
ausgeübt wird, mit K bezeichnet wird, hat die Kraft auf die Stange 2 den Wert KF=KF2
-KF1. Es ergibt sich also
Im Fall der Anwendung auf Steuerungen, bei denen Röhren oder Schläuche eingeschaltet
sind, wird beispielsweise durch einen Handgriff 16 (Feg. 3) eine Vorrichtung 13
betätigt, die etwa der oben beschriebenen entspricht. Weitere ähnliche Vbrrichtungen,
wie z. B. die Vorrichtung 14, können eingefügt sein, so daß das zwischen zwei Vb.rrichtungen
befindliche Steuerelement stets einen annehmbaren Wirkungsgrad besitzt, wobei die
Vorrichtung 15 den eigentlichen Motor darstellt und die anderen Vorrichtungen nur
die, Reibungen der Steuerung zu überwinden haben.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 und 6 besteht die Folgesteuerung
in einem Gehäuse A, in dem die Steuerstange 1o7 und die Folgestange 129 gleiten,
von denen die eine die Kegel 103 und ioq: unter Vermittlung der Stange
105 und des Reduktionsschwengels io8 (der beidem dargestellten Beispiel für
die Stehkraft der Stange io.5 eine Reduktion von i zu 2 ergibt), während die andere
Stange die Steuerventile ioi und io2 trägt.
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Die Speisung mit dem Druckmittel erfolgt bei 116 und der Rücklauf
bei 117.
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Die Notwendigkeit, die Kraft für das 'Heben der Ventile so klein wie
möglich zu machen, zwingt dazu, Iden Kegeln io3 unid:I'o4 einen, ziemlich kleinen
Winkel zu geben, was wiederum verhältnri@smäß,i,g lange Stellwege der Steuerstange
ioi7 bedingt, insbesondere für die :schnellen Manöver, (die eine erhebliche Hubbewegung
ider Ventile erfordern.
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Wenn -der Druck lauf Null fällt, kann ,das idadurch zur Wirkung kommende
Spiel zwi.sichen den End'-arns@chl@äigen ider Stange 11015 zu störenden Schwingungen
Anl:aß. beben.
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Die Vorrichtung nach ider Erfindung greift alsdann ein, -um idie Steuerglieder@starr
zu. kuppeln. Sie weist Kugeln 114 auf, die in einer Krone ad. (dgl. edier
Stange iia7 untergebracht sind und in eine Nut i,i4a od, d'gl., idie in (dem Teil
11:5 der Stange 129 vorgesehen üist, unter ider Wirkung des Kegels 113 am Kolben-i
1 i eindringen können, -der in (dem Teil 121911 der Stange i29 gleitet. Dieser Kolben
unterliegt der Einwirkung ides Druckmittels aus .der Leitung i io auf eine seiner
Flächen und ider Feder 112 auf die andere Fläche, wobei @die Feder den Kiesgel I13
in Richtung auf idie Kugeln zu treiben sucht.
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Im normalen Betrieb wird der @im Raum no9 w irks,ame Druck durch Iden
Kanal i iloi auf Iden Kolben i i i übertragen, edier nach unten getrieben wird und
die Feder 112 zu;sammendrückt.Der Kegel I I(3 am Kolben i i i gibt idie Kubgelnr
114 frei, und die Stange 107 kann alsdann eine Relativbewegung in :bezug
lauf :den Treibkolben 115 ausführen.
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Sobald der Druck sinkt, treibt die Feder 112 den Kolben i i(i nach
oben, unld der Kegel I 13 drückt idie Kugeln 114 in die Ringnut im 115, wodurch
der Kolben 1`I5 und, die Stange 1,17 starr gekuppelt werden. In Fig. 5 ist die Servosteuerung
in idieser Lage dargestellt.
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Wenn ider Kolben 115 und die Stange 107 starr verbunden sind, ruhen,diie
Steuerventile ioi und iio2 auf ihren Sitzen, und idas Druckmittel ist ein den verschiedenen
Räumen der Servosteuerung ein geschlossen. Jede mechanische Verstellung wäre damit
:unmöglich gemacht, wenn nicht ein Ku.rzschdußzwischen der Eintrittsöffnung ,116
und (der Austrittsöffnung 117 hergestellt wäre. Eiire solcher Kurzschluß kann auf
verschiedene Weise, z. B. durch die Vorrichtung T, hergestellt. sein, ,die in Feig.
5 in ider Kurzschl.ußistellung und in Fig. 6 in :der Betriebsstellung bei normalem
Druck dargestellt ist.
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Diese Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Kolben 122, (der
einerseits idem Druck dies Druckmittels undi andererseits der Wirkung :der Feder
r23 unterworfen ist. Der Kolben betätigt bei seiner Verstellung nacheinander das
Ventiil D26, das die Speiseleitung 131 für .das Druckmittel schließt,
und
das Ventil r24, 125, das die Zuführungsleifung 118 und (die Rüekl:aufleitung iei
,der Servosteuerung in Verbindung setzt.
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Die ,beiden Ventile 126 und, I25 ;sind auf aderselben Stange
132, angebracht und werden durch die Feder 133 zurückgedrückt. Die Öffnung
124 als Sitz des Ventils i.,25 hängt mit dem Kolben: i22 zusammen. Diese Vorrichtung
kann verschiedeneAbwandlungen erfahren.
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Wenn oder Druck des Druckmittels steigt, drückt der Kolben I22 die
Feder 12,3 zusammen, und, die Öffroung i24 an diesem Kolben kommt mit dem Ventil
12:5 in Berührung, wodurch ,die Kaurzschlußverhindun,g aabgesperrt wird. Der Kolben
setzt seine Bewegung fort und hebt unter Vermittlung des Ventils I25 Idas
Ventil ,i,26 ab, woidurch ermöglicht wird, @daß Idas Druckmittel in den Zylinder
der Servosteuerung gelangt.
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Wie ersichtlich, sieht die Erfindung eine @doppelte Speiseleitung
ii6a, ii6b und/oder 13Ia,,13ib vor, die durch Verbindungskammern mit Kugeln
127, 128, 130 überwacht werden. Im Fall iderZerstörung .einer derLeitungen
(Bruch, Leck usw.) wird adie zerstörte Leitung durch diese Kugeln ubgesthlossen.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebene Vorrichtung beschränkt
und kann insbesondere an verschiedene Arten von Servosteuerungen angepaßt werden.
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Der Druck, bei dem die :starre Kupplung der Steuerglieder erfolgt,
ist idurch die Wahl und/oder die Regelung oder Federn 112 und; 123 ,bestimmt.