PL229577B1

PL229577B1 - Electro-mechanical executive mechanism for aircrafts, preferably lightweight aircrafts

Info

Publication number: PL229577B1
Application number: PL416013A
Authority: PL
Inventors: Jan Gruszecki; Michał Litwin; Łukasz Rębisz
Original assignee: Politechnika Rzeszowska Im Ignacego Lukasiewicza
Priority date: 2016-02-02
Filing date: 2016-02-02
Publication date: 2018-07-31
Also published as: PL416013A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest mechanizm stosowany do ustawiania płaszczyzn sterujących w samolotach ogólnego przeznaczenia. Mechanizm zawiera silnik elektryczny, napędzający, poprzez przekładnię ślimakową i sprzęgło mechaniczne sterowane elektromechanicznie, przekładnię zębatą, napędzającą z kolei wał zdawczy (12) przeniesienia ruchu na płaszczyznę sterową samolotu. Sprzęgło mechaniczne umieszczone przed przekładnią zębatą jest wbudowanym w pierścień ślimacznicy (2) sprzęgłem baryłkowym zawierającym śrubę rzymską i sterowanym silnikiem sterującym momentowym (3). Przekładnia zębata jest przekładnią planetarną (10). Śruba rzymska zawiera wał sterujący (4) z naciętym niesamohamownym gwintem, na który nakręcone są dwa symetryczne półkoliste dociski (5), osadzone przesuwnie na tulejce prowadzącej (5') i zabezpieczone na niej przed obrotem. Pomiędzy dociskami (5) są osadzone sprężyny talerzowe (6) dociskane do baryłek (7) łączących ślimacznicę (2) z jarzmem (8) sprzęgła baryłkowego, w stanie zasprzęglenia baryłki (7) sprzęgła baryłkowego znajdują się w otworach w jarzmie (8) oraz są dociśnięte do półkolistych wcięć (9) na wewnętrznym pierścieniu ślimacznicy (2). Na wale zdawczym (12) mechanizmu osadzony jest sztywno potencjometr (11).The subject of the application is a mechanism used to set control planes in general purpose airplanes. The mechanism comprises an electric motor driving, through a worm gear and an electro-mechanically controlled mechanical clutch, a gear transmission, in turn driving an output shaft (12) for transmitting motion to the plane's steering plane. The mechanical clutch in front of the gear is a spherical barrel clutch with a turnbuckle (2) built into the worm wheel (2) and controlled by a torque control motor (3). The gear is a planetary gear (10). The turnbuckle includes a control shaft (4) with a steeply cut thread on which two symmetrical semicircular clamps (5) are screwed, slidably mounted on a guide bushing (5 ') and secured against rotation. Between the clamps (5) there are disc springs (6) pressed against the barrels (7) connecting the wormwheel (2) with the yoke (8) of the spherical clutch, when the barrel (7) of the spherical clutch is engaged in the holes in the yoke (8) and are pressed against the semicircular indentations (9) on the inner ring of the worm wheel (2). A potentiometer (11) is rigidly mounted on the output shaft (12) of the mechanism.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest mechanizm elektromechaniczny wykonawczy do samolotów, zwłaszcza lekkich, stosowany do ustawiania płaszczyzn sterujących w samolotach ogólnego przeznaczenia.The subject of the invention is an electromechanical actuator for airplanes, especially light airplanes, used for setting control planes in general-purpose airplanes.

Poprawę jakości pilotowania samolotem lekkim można osiągnąć poprzez zainstalowanie na jego pokładzie systemu automatycznego sterowania. System taki przetwarza sygnały o stanie samolotu w przeliczniku (autopilocie), podając je na mechanizm wykonawczy ustawiający płaszczyzny sterowe w położenie zależne od stanu lotu samolotu. Mechanizm jest jednym z elementów, od którego wymaga się dużej niezawodności pracy w dużym zakresie zmian temperatury, to jest od -50 do +80°C i wilgotności do 95%, przy dużej szybkości działania. Wykorzystanie tej klasy mechanizmów uległo intensyfikacji po wprowadzeniu na samolotach o masie startowej do 5 000 kg sieci informatycznych do sterowania i nawigacji. Mechanizmy elektromechaniczne wykonawcze, do tej klasy samolotów, są napędzane silnikami elektrycznymi o różnej konstrukcji, w szczególności są to silniki prądu stałego oraz silniki krokowe.The quality of light airplane piloting can be improved by installing an automatic control system on board. Such a system processes signals about the condition of the aircraft in the conversion factor (autopilot) and sends them to the executive mechanism that sets the control planes to a position depending on the flight condition of the aircraft. The mechanism is one of the elements which requires high operational reliability in a wide range of temperature changes, i.e. from -50 to + 80 ° C and humidity up to 95%, at high speed of operation. The use of this class of mechanisms has intensified after the introduction of computer networks for control and navigation on airplanes with a take-off weight of up to 5,000 kg. Executive electromechanical mechanisms for this class of aircraft are driven by electric motors of various designs, in particular, they are DC motors and stepper motors.

Jako element w układzie sterowania elektromechaniczne mechanizmy wykonawcze muszą spełniać kilka podstawowych funkcji takich jak: możliwość włączenia i wyłączenia napędu w zależności od woli pilota, możliwość ręcznego pokonania momentu napędowego mechanizmu w przypadku jego awarii, czy możliwość przemieszczenia płaszczyzny sterowej w pełnym zakresie jej wychyleń i w pełnym zakresie zmienności zmiennych lotu.As an element in the control system, electromechanical actuators must fulfill several basic functions, such as: the ability to turn the drive on and off depending on the pilot's will, the ability to manually overcome the drive torque of the mechanism in the event of its failure, or the ability to move the control plane in the full range of its deflections and in full. the range of variability of flight variables.

Obecnie stosowane są rozwiązania umożliwiające włączanie i wyłączanie napędu w zależności od woli pilota na przykład poprzez elektromechaniczne zasprzęglenie silnika napędzającego wał zdawczy, elektromechaniczne zasprzęglenie kół przekładni zębatej oraz mechaniczne połączenie napędu.Currently, solutions are used that enable the activation and deactivation of the drive depending on the pilot's will, for example by electromechanical engagement of the motor driving the output shaft, electromechanical engagement of the gear wheels and mechanical connection of the drive.

Rozwiązania te stosowane w mechanizmach wykonawczych, mają wysoki poziom niezawodności przy dużym ciężarze podniesionym przez wagę elektromagnesu. Jednym z takich rozwiązań jest znany z publikacji polskiego opisu patentowego nr PL204462B1 mechanizm elektromechaniczny wykonawczy do samolotu ogólnego przeznaczenia zawierający silnik elektryczny, napędzający, poprzez przekładnię ślimakową i sprzęgło mechaniczne sterowane elektromechanicznie, przekładnię zębatą, napędzającą z kolei wał zdawczy przeniesienia ruchu na płaszczyznę sterową samolotu, przy czym wał zdawczy jest sprzężony z potencjometrem mierzącym rzeczywisty kąt obrotu wału zdawczego w układzie sprzężenia zwrotnego.These solutions used in actuators have a high level of reliability with a large weight lifted by the weight of the electromagnet. One of such solutions is the electromechanical actuating mechanism for a general-purpose aircraft, known from the publication of Polish patent description PL204462B1, containing an electric motor, driving, through a worm gear and an electromechanically controlled mechanical clutch, a toothed gear, which in turn drives the output shaft to transfer motion to the aircraft's control plane, the output shaft is coupled with a potentiometer measuring the actual angle of rotation of the output shaft in the feedback system.

Zapewnienie możliwości przeciążenia mechanizmu przez pilota uzyskiwane jest najczęściej przez wprowadzenie ciernego sprzęgła nadmiarowego.The possibility of overloading the mechanism by the pilot is most often achieved by introducing a frictional relief clutch.

Uzyskanie wymaganego momentu mechanizmu elektromechanicznego wykonawczego zapewnione jest przez dobór właściwego silnika elektrycznego, z uwzględnieniem dużych strat mocy na przekładniach, wynoszących do 50%.Obtaining the required torque of the electromechanical operating mechanism is ensured by selecting the appropriate electric motor, taking into account large power losses in gears, up to 50%.

Wymagania stawiane mechanizmom elektromechanicznym wykonawczym do samolotów sugerują, że najlepszego rozwiązania mechanizmu, tak z punktu widzenia niezawodności jak i ciężaru, należy poszukiwać w sposobie przeniesienia napędu od silnika elektrycznego do wału zdawczego napędzającego płaszczyznę sterowną. W znanych mechanizmach elektromechanicznych wykonawczych sprzęgło znajduje się bezpośrednio przed zespołem przeniesienia ruchu na płaszczyznę sterów, po stronie zredukowanych obrotów przekazywanych przez silnik elektryczny. Rozwiązanie takie powoduje, że sprzęgło musi przenieść duży moment obrotowy. Powiększa to jego gabaryty oraz związane z nim elementy, zwiększając ciężar mechanizmu.The requirements for electromechanical actuators for airplanes suggest that the best solution of the mechanism, both in terms of reliability and weight, should be sought in the method of transferring the drive from the electric motor to the output shaft driving the control plane. In known electromechanical actuators, the clutch is located directly in front of the rudders plane, on the side of the reduced revolutions transmitted by the electric motor. This solution causes that the clutch must transfer a large torque. This increases its dimensions and related elements, increasing the weight of the mechanism.

Mechanizm elektromechaniczny wykonawczy dla samolotów, zwłaszcza lekkich, zawierający silnik elektryczny, napędzający, poprzez przekładnię ślimakową i sprzęgło mechaniczne sterowane elektromechanicznie, wyjściową przekładnię zębatą, napędzającą z kolei wał zdawczy przeniesienia ruchu na płaszczyznę sterową samolotu, według wynalazku charakteryzuje się tym, że sprzęgło mechaniczne umieszczone przed przekładnią zębatą jest wbudowanym w pierścień ślimacznicy sprzęgłem baryłkowym zawierającym śrubę rzymską.An electromechanical actuating mechanism for aircraft, especially light aircraft, comprising an electric motor, driving, through a worm gear and an electromechanically controlled mechanical clutch, an output gear, which in turn drives the output shaft for transmitting motion to the aircraft's control plane, according to the invention, the mechanical clutch is arranged in front of the gear transmission, there is a spherical clutch with a turnbuckle built into the worm ring.

Korzystnie sprzęgło baryłkowe mechanizmu sterowane jest silnikiem sterującym momentowym, zaś przekładnia zębata mechanizmu jest przekładnią planetarną.Preferably, the barrel clutch of the mechanism is controlled by a torque control motor, and the gear transmission is a planetary gear.

Kolejne korzyści są uzyskiwane, jeśli śruba rzymska sprzęgła baryłkowego w mechanizmie zawiera wał sterujący z naciętym niesamohamownym gwintem, na który nakręcone są dwa symetryczne półkoliste dociski, osadzone przesuwnie na tulejce prowadzącej i zabezpieczone na niej przed obrotem, a pomiędzy dociskami mechanizmu na wale sterującym sprzęgła baryłkowego są osadzone sprężynyFurther benefits are obtained if the turnbuckle of the barrel clutch in the mechanism includes a control shaft with a cut, unbreakable thread, on which two symmetrical semicircular clamps are screwed, slidably mounted on the guide bushing and secured against rotation, and between the clamps of the mechanism on the control shaft of the barrel clutch the springs are embedded

PL 229 577 Β1 talerzowe dociskane do baryłek łączących ślimacznicę z jarzmem sprzęgła baryłkowego, przy czym w stanie zasprzęglenia mechanizmu dociśnięte przez sprężyny talerzowe baryłki sprzęgła baryłkowego znajdują się w otworach w jarzmie oraz są dociśnięte do półkolistych wcięć na wewnętrznym pierścieniu ślimacznicy.PL 229 577 Β1 discs pressed against the barrels connecting the wormwheel with the yoke of the spherical clutch, where in the mechanism engaged, the barrels of the spherical clutch, pressed by the disc springs, are in the holes in the yoke and pressed against the semicircular notches on the inner ring of the worm wheel.

Dalsze korzyści uzyskuje się, jeśli na wyjściu mechanizmu, na jego wale zdawczym, osadzony jest sztywno potencjometr.Further advantages are obtained if a potentiometer is rigidly mounted at the output of the mechanism on its output shaft.

Mechanizm elektromechaniczny wykonawczy do samolotów według wynalazku wyróżnia się małą masą, zwartą konstrukcją oraz lepszymi walorami eksploatacyjnymi. Korzystne skutki uzyskuje się dzięki zastosowaniu sprzęgła, będącego zarówno sprzęgłem przeciążeniowym jak i zautomatyzowanym, a także współosiowego układu: sprzęgło baryłkowe - przekładnia planetarna.The electromechanical actuating mechanism for aircraft according to the invention is distinguished by its low weight, compact structure and better operating values. The beneficial effects are obtained thanks to the use of a clutch, which is both an overload and automatic clutch, as well as a coaxial system: spherical clutch - planetary gear.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania jest uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia mechanizm w przekroju wzdłuż osi wału sterującego, fig. 2a i 2b, 3a i 3b, 4a i 4b przedstawiają poglądowo sprzęgło baryłkowe wbudowane w pierścień ślimacznicy, odpowiednio w przekroju wzdłuż osi wału sterującego oraz w poprzek osi ślimacznicy, odpowiednio w stanie wyłączenia, załączenia oraz przeciążania załączonego sprzęgła, zaś fig. 5 przedstawia poglądowo to samo sprzęgło baryłkowe w przekroju wzdłuż osi wału sterującego w stanie jego awaryjnego rozłączenia.The subject of the invention in an exemplary embodiment is shown in the drawing, in which Fig. 1 shows the mechanism in a section along the axis of the control shaft, Figs. 2a and 2b, 3a and 3b, 4a and 4b show visually a barrel clutch built into the worm wheel ring, respectively in section along the length of the shaft. on the axis of the control shaft and across the axis of the worm wheel, respectively in the off, on and overload state of the engaged clutch, and Fig. 5 shows the schematic cross section of the same spherical clutch along the axis of the control shaft in its emergency disengagement condition.

Mechanizm elektromechaniczny wykonawczy dla samolotów, według wynalazku w przykładzie wykonania, jest przeznaczony do samolotów lekkich oraz zawiera silnik elektryczny prądu stałego połączony ze ślimakiem 1 napędzającym ślimacznicę 2, w pierścieniu której wbudowane jest sprzęgło baryłkowe sterowane silnikiem sterującym momentowym 3. Sprzęgło baryłkowe zawiera śrubę rzymską będącą wałem sterującym 4 silnika sterującego momentowego 3 z naciętym gwintem niesamohamownym oraz z nakręconymi dwoma półkolistymi dociskami 5 osadzonymi przesuwnie na tulejce prowadzącej 5’ i zabezpieczone na niej przed obrotem przez jej wzdłużne wycięcia. Między dociskami 5 położone są dwie sprężyny talerzowe 6, pomiędzy którymi ustawionych jest obwodowo sześć sztuk baryłek 7 stanowiących element łączący ślimacznicę 2 z jarzmem 8 sprzęgła baryłkowego przez otwory przelotowe znajdujące się w tym jarzmie 8. Na ślimacznicy 2 znajdują się półkoliste wcięcia 9 umożliwiające po dociśnięciu do nich baryłek 7 zasprzęglenie ślimacznicy 2 z przekładnią planetarną 10. Na wyjściu mechanizmu podłączony jest potencjometr 11 mierzący rzeczywisty kąt obrotu wału zdawczego 12.An electromechanical actuator for aircraft, according to the invention, in an embodiment, is intended for light aircraft and comprises a DC electric motor connected to a worm 1 driving a worm wheel 2, in the ring of which is a spherical clutch driven by a torque control motor 3. The barrel clutch includes a turnbuckle which is with the control shaft 4 of the torque motor 3 with a cut, steep thread and with two semicircular clamps 5 screwed on, slidably mounted on the guide bushing 5 'and secured against rotation by its longitudinal cuts. Between the clamps 5 there are two cup springs 6, between which six barrels 7 are positioned circumferentially, constituting the element connecting the wormwheel 2 with the yoke 8 of the barrel clutch through the through holes in this yoke 8. The wormwheel 2 has semicircular notches 9 which enable pressing to them, the barrels 7 engage the worm wheel 2 with the planetary gear 10. At the output of the mechanism, a potentiometer 11 is connected to measure the actual angle of rotation of the output shaft 12.

Działanie wynalazku opisują cztery fazy jego pracy. W pierwszej przedstawionej na fig. 2a i 2b mechanizm elektromechaniczny wykonawczy jest wyłączony, a operator przejmuje kontrolę nad płaszczyzną sterową samolotu. Sprzęgło baryłkowe jest rozłączone. Operator może dowolnie sterować płaszczyzną sterową, a jedynym dodatkowym obciążeniem jest tarcie i siły występujące w przekładni planetarnej 10 oraz swobodnie wirującym jarzmie 8 sprzęgła baryłkowego.The operation of the invention is described in four phases of its operation. In the first one shown in Figures 2a and 2b, the electromechanical actuation mechanism is turned off and the operator takes control of the plane's control plane. The barrel clutch is disengaged. The operator can freely control the control plane, and the only additional load is the friction and forces occurring in the planetary gear 10 and the freely rotating yoke 8 of the barrel clutch.

W drugiej fazie przedstawionej na fig. 3a i 3b mechanizm elektromechaniczny wykonawczy według wynalazku jest załączony. Wał sterujący 4 sprzęgła baryłkowego, będący śrubą rzymską z naciętym niesamohamownym gwintem, na który nakręcone są dwa symetryczne półkoliste dociski 5, jest napędzany silnikiem sterującym momentowym 3, co powoduje przesunięcie tych docisków 5 ku sobie oraz przesunięcie i ściśnięcie sprężyn talerzowych 6 ustawionych między nimi. Gdy sprężyny talerzowe 6 zostaną dociśnięte do baryłek 7 stanowiących element łączący ślimacznicę z jarzmem 8 sprzęgła baryłkowego, następuje wypchnięcie baryłek 7 przez otwory w jarzmie 8 i dociśnięcie do półkolistych wcięć 9 na powierzchni wewnętrznej pierścienia ślimacznicy 2, co powoduje zasprzęglenie. Jeżeli wcięcia 9 w ślimacznicy 2 nie są ustawione w pozycji pozwalającej na zasprzęglenie baryłek 7 we wcięciach 9, baryłki zostają odepchnięte w kierunku ku osi wału sterującego 4, co powoduje ugięcie sprężyn talerzowych 6. Gdy ślimacznica 2 ustawi się w pozycji pozwalającej na zasprzęglenie baryłki 7 przy pomocy siły zgromadzonej w sprężynach 6 baryłki 7 zostaną wypchnięte przez otwory w jarzmie 8 zasprzęglając się we wcięciach 9 na wewnętrznym pierścieniu ślimacznicy 2.In the second phase shown in Figs. 3a and 3b, the electromechanical actuator according to the invention is connected. The control shaft 4 of the spherical clutch, being a turnbuckle with an unstoppable thread cut, on which two symmetrical semicircular clamps 5 are screwed, is driven by a torque control motor 3, which moves these clamps 5 towards each other and shifts and compresses disc springs 6 positioned between them. When the disc springs 6 are pressed against the barrels 7, which are the connecting element of the wormwheel with the yoke 8 of the barrel clutch, the barrels 7 are pushed through the holes in the yoke 8 and pressed against the semicircular indentations 9 on the inner surface of the wormwheel 2, which engages. If the indentations 9 in the worm wheel 2 are not set to engage the barrels 7 in the indentations 9, the barrels are pushed towards the axis of the control shaft 4, which causes deflection of the disc springs 6. When the worm wheel 2 moves into a position that allows the barrel 7 to engage with the help of the force accumulated in the springs 6, the barrels 7 will be pushed through the holes in the yoke 8, engaging in the indentations 9 on the inner ring of the worm wheel 2.

W trzeciej fazie zobrazowanej na fig. 4a i 4b, gdy siła na wale zdawczym 12 przekładni planetarnej 10 przekracza dopuszczalną siłę, z jaką może pracować mechanizm, składowa osiowa siły na wale sterującym 4 powoduje wypchnięcie baryłek 7 w kierunku ku osi wału sterującego 4, pokonując opór sprężyn talerzowych 6. Następuje przeskakiwanie baryłek 7 między wcięciami 9 na wewnętrznym pierścieniu ślimacznicy 2. Efektem tego jest brak możliwości przenoszenia siły obwodowej ze ślimacznicy 2 na jarzmo 8 sprzęgła baryłkowego jak również w przeciwną stronę. Zabezpiecza to ślimacznicę 2 przed wyłamaniem jej uzębienia przez nadmierne siły jak również pozwala na przejęcie manualnej kontroli nad mechanizmem przez operatora, jeśli uzna on, że jego ingerencja jest w danej chwili potrzebna.In the third phase illustrated in Figures 4a and 4b, when the force on the output shaft 12 of the planetary gear 10 exceeds the allowable force with which the mechanism can work, the axial component of the force on the control shaft 4 causes the barrels 7 to be forced towards the axis of the control shaft 4, overcoming the resistance of disc springs 6. The barrels 7 jump between the recesses 9 on the inner ring of the worm wheel 2. As a result, it is not possible to transfer the circumferential force from the worm wheel 2 to the yoke 8 of the barrel clutch as well as to the opposite side. This secures the worm wheel 2 against breaking its teeth by excessive forces and allows the operator to take over manual control of the mechanism, if he deems that his intervention is needed at a given moment.

W przedstawionym na fig. 5 przypadku braku zasilania na silniku sterującym momentowym 3 następuje rozłączenie awaryjne sprzęgła poprzez wypchnięcie przez siłę obwodową na ślimacznicy 2In the case of power failure on the torque control motor 3 shown in Fig. 5, the clutch is disconnected in an emergency by pushing it out by the circumferential force on the worm wheel 2.

PL 229 577 Β1 baryłek 7 w kierunku ku osi wału sterującego 4. Baryłki 7 napierając na sprężyny talerzowe 6 pozbawione siły nacisku od silnika sterującego momentowego 3, przekazują siłę na półkoliste dociski 5, co powoduje rozsunięcie ich dzięki niesamohamownemu gwintowi i przesuwnemu ich osadzeniu w tulejce 5’. Efektem, czego jest rozłączenie sprzęgła baryłkowego.PL 229 577 Β1 barrels 7 in the direction of the axis of the control shaft 4. The barrels 7 pushing against the disc springs 6, deprived of the pressure force from the torque control motor 3, transmit the force to the semicircular clamps 5, which causes them to spread apart due to their steep thread and their sliding seat in the sleeve 5 '. The result is the disengagement of the barrel clutch.

Claims

Patent claims

1. An electromechanical actuating mechanism for airplanes, especially light airplanes, comprising an electric motor that drives, through a worm gear and an electromechanically controlled mechanical clutch, an output gear, which in turn drives the output shaft for transmitting motion to the plane of the aircraft's control plane, characterized in that a mechanical clutch located in front of The toothed gear is a spherical barrel clutch with a turnbuckle built into the worm wheel (2).

2. Mechanism according to claim The mechanism of claim 1, characterized in that the barrel clutch of the mechanism is controlled by a torque control motor (3).

3. The mechanism of claim The gear according to claim 1 or 2, characterized in that the gear transmission is a planetary gear (10).

4. The mechanism according to p. 1, 2 or 3, characterized in that its turnbuckle of the barrel clutch includes a control shaft (4) with a cut, hard-hitting thread on which two symmetrical semicircular clamps (5) are screwed, slidably mounted on a guide bushing (5 ') and secured to her before turning.

Mechanism according to claim Diaphragm springs (6) are mounted between its clamps (5) on the control shaft (4) of the barrel clutch, pressed against the barrels (7) connecting the wormwheel (2) with the yoke (8) of the barrel clutch.

Mechanism according to p. 5. The method according to claim 5, characterized in that, in the engaged state of the mechanism, the barrels (7) of the barrel clutch, pressed by the cup springs (6), are located in the holes in the yoke (8) and are pressed against the semicircular recesses (9) on the inner ring of the wormwheel (2).

Mechanism according to p. 1, 2, 3, 4, 5 or 6, characterized in that a potentiometer (11) is rigidly mounted on the output of the mechanism, on its output shaft (12).