WO1999061803A1 - Steuerung für pneumatische querruder eines starrflügelflugzeuges - Google Patents

Steuerung für pneumatische querruder eines starrflügelflugzeuges Download PDF

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WO1999061803A1
WO1999061803A1 PCT/CH1999/000187 CH9900187W WO9961803A1 WO 1999061803 A1 WO1999061803 A1 WO 1999061803A1 CH 9900187 W CH9900187 W CH 9900187W WO 9961803 A1 WO9961803 A1 WO 9961803A1
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WO
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pneumatic
pneumatic cylinders
cylinders
lever
channels
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Application number
PCT/CH1999/000187
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English (en)
French (fr)
Inventor
Otto Ramseier
Sepp Steffen
Original Assignee
Prospective Concepts Ag
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Filing date
Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C9/00—Adjustable control surfaces or members, e.g. rudders
    • B64C9/08—Adjustable control surfaces or members, e.g. rudders bodily displaceable
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C13/00—Control systems or transmitting systems for actuating flying-control surfaces, lift-increasing flaps, air brakes, or spoilers
    • B64C13/24—Transmitting means
    • B64C13/38—Transmitting means with power amplification
    • B64C13/40—Transmitting means with power amplification using fluid pressure
    • B64C13/48—Transmitting means with power amplification using fluid pressure characterised by the fluid being gaseous
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B11/00—Servomotor systems without provision for follow-up action; Circuits therefor
    • F15B11/16—Servomotor systems without provision for follow-up action; Circuits therefor with two or more servomotors
    • F15B11/20—Servomotor systems without provision for follow-up action; Circuits therefor with two or more servomotors controlling several interacting or sequentially-operating members
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B7/00—Systems in which the movement produced is definitely related to the output of a volumetric pump; Telemotors
    • F15B7/003—Systems in which the movement produced is definitely related to the output of a volumetric pump; Telemotors with multiple outputs
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B7/00—Systems in which the movement produced is definitely related to the output of a volumetric pump; Telemotors
    • F15B7/005—With rotary or crank input
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B7/00—Systems in which the movement produced is definitely related to the output of a volumetric pump; Telemotors
    • F15B7/06—Details
    • F15B7/08—Input units; Master units

Definitions

  • the present invention relates to the control of the pneumatic ailerons or the pneumatic flaps of a fixed-wing aircraft according to the preamble of claim 1.
  • WO 98/03398 discloses a pneumatic adaptive wing which can also have pneumatic ailerons and / or landing flaps, as shown in FIG. 7.
  • FIG. 7 and 8 are two representations of the pneumatic aileron according to the patent application mentioned, that is to say they represent the state of the art with respect to their filing date.
  • the aileron is in the neutral position, in FIG. 8 it is deflected upward.
  • the aileron is constructed from two dense skins 101 and 102, which are connected at certain intervals by textile webs 103 - permeable to air or tightly.
  • the dense skins 101, 102 are also superimposed by dense skins 104, 105. This creates channels 106 between the skins 101, 102 on the one hand and the upper skins on the other hand, which extend over the entire width of the aileron shown in FIG.
  • the channels 106 can also be implemented in other ways, for example as is also known from WO 98/03358:
  • the channels 106 are on the bottom - As on the top of the wing, it is formed from two simple skins, one on top of the other, which, at appropriate intervals, again along several essentially parallel lines raitema-- who are connected.
  • the outer of the two skins also form the outer boundary of the wing.
  • the channels 106 can be supplied with compressed air individually, in groups or as a whole by a control system.
  • the object that is to be achieved with the present invention is to create a pneumatic aileron control which makes it possible to operate the ailerons described with the required speed and frequency, the effort required being that of a conventional, direct, hand-operated mechanical one Control should be comparable.
  • Fig. 1 shows a first embodiment in schematic
  • FIG. 2 shows the embodiment of FIG. 1, reduced to its mathematical-physical elements
  • FIG. 3 shows a second exemplary embodiment in the same form of representation as in FIG. 2,
  • FIGS. 1 to 3 shows a topological representation of the exemplary embodiments according to FIGS. 1 to 3,
  • FIG. 6 shows a second pneumatic cylinder in longitudinal section, 7, 8 the prior art with regard to the pneumatic aileron.
  • FIG. 1 The basic concept of the invention is illustrated in the schematic elevation according to FIG. 1:
  • a three-armed pivot lever 1 is arranged pivotably about a bearing 2. At the end of each of its three arms 3, 4, 5 there is a pivot bearing 6.
  • the fixed part of the bearing 2 is firmly connected to the aircraft - shown as an inertial reference 7.
  • the pins of the three rotary bearings 6 are connected to piston rods 8, 9, 10 of three pneumatic cylinders 11, 12, 13, which in turn are pivotally connected to the inertial cover 7 in bearings 14.
  • the installation direction of these pneumatic cylinders 11 to 13 can of course be reversed, just as the entire arrangement in FIG. 1 can be folded down by 180 °.
  • the outer pneumatic cylinders 11, 13 are connected in a crossed manner to the channels 106 of the ailerons by lines (not shown), for example the first pneumatic cylinder 11 with the channels 106 on the upper side of the left-hand pneumatic aileron and with the Channels 106 on the underside of the right-hand pneumatic aileron; the other of the outer pneumatic cylinders 13 is then correspondingly connected to the channels 106 on the top of this right-hand pneumatic aileron and to the channels 106 on the bottom of this left-hand pneumatic aileron.
  • the first pneumatic cylinder 11 is each connected to the channels 106 on the tops of both flaps, while the other pneumatic cylinder 13 is connected to the channels 106 on the undersides of both flaps, whereby both flaps can be deformed in the same way .
  • flaps are always meant when mentioning ailerons.
  • the middle pneumatic cylinder 12 is connected to a constant pressure source with pressure p 3 .
  • the joystick, not shown - or that with other control organ constructions - NEN corresponding element - has the function of an adjusting lever in this control. It is connected to the swivel lever 1 in such a way that an angle swivel ⁇ (see FIG. 2) of the swivel lever 1 is caused directly, or under or translated, by a lateral angular deflection ⁇ * of the control stick.
  • the arms 3 and 5 of the pivot lever 1 have the lengths R-
  • Fig. 2 the mechanical engineering elements are omitted and the drawing is reduced to the mathematically and physically relevant elements. If the three-armed pivot lever 1 is pivoted through the angle ⁇ connected to it, forces and torques result.
  • the aim of the device according to the invention is to keep the sum of all the torques for each angle cp within its entire swivel range + ⁇ ma ⁇ approximately zero, so that the adjusting lever can be moved from any position to a desired new position without any effort.
  • P 1 .
  • M 2 _ P2 • A 2 • R 2 • sin ( ⁇ / 2 )
  • Index 1 always stands for the left side, index 2 always for the right side and index 3 always for the middle; furthermore, the arguments of the sine functions are the angles of attack of the piston rods 8, 9, 10 on the arms R-
  • ⁇ 0, and these angles, as can be seen in FIG. 2, are equal to ⁇ / 2, ⁇ / 2 and 0.
  • the angles ⁇ -], ⁇ 2 and ⁇ depend in a direct and comprehensible manner on - ] , ⁇ 2 and ß, which in turn depend on the length dimensions _ and 1 and on the swivel angle ⁇ .
  • L is the distance between the two swivel bearings 6 and 14 from one of the outer pneumatic cylinders 11 or 13 in the neutral position, and _ the corresponding distance for the middle pneumatic cylinder 12.
  • the other parameters can be as A-
  • A 2 , A 3 , R, _, _, X through numerical optimization via the condition
  • a first possibility is to load an assigned pressure accumulator using a compressor.
  • Another possibility which is open when using pneumatic wings according to the patent application mentioned at the outset, is to use the wing construction under pressure directly as a constant pressure source.
  • the arms 3, 5 of the three-armed pivoting lever are not arranged at an elongated angle with respect to the bearing 2, but their arrangement deviates from them by an angle ⁇ , while the middle arm 4 on the bisector of the arms 3 , 5 lies.
  • This changes the torques which are exerted by the pneumatic cylinders 11, 13 on the arms 3, 5 of the length R. Nevertheless, the system requirement ⁇ M j ⁇ 0 j l
  • the pneumatic cylinders 11, 13 are arranged opposite one another with the possibility of variation, to deviate from the horizontal of the figure by ⁇ ⁇ , the symmetry of the arrangement being retained; this arrangement latitude of the connections of the bearings 14 to the upper bearing 6 on the now collapsing arms 3, 5 is hatched.
  • the piston rods 8, 10 of the pneumatic cylinders 11, 13 have as commonly
  • the upper bearing 6 is the point of attack.
  • the piston rod 9 of the middle pneumatic cylinder 12 has the lower bearing 6 as the point of attack; the distance of the bearing 2 from the upper bearing 6 is the length of the arm 4.
  • FIG. 4 Each geometrical-mechanical design according to the invention can be treated mathematically and physically according to the schematic arrangement according to FIG. 4, in which the direction of action of the central pneumatic cylinder 12 in the neutral position is essentially perpendicular to that which is directly up to a small angle ⁇ ⁇ the aileron-acting pneumatic cylinders 11, 13; the torque generated by the central pneumatic cylinder 12 supports that of the pneumatic cylinders 11 and 13, the pressure of which is reduced by the pivoting of the pivot lever 1.
  • the fulfillment of the system requirement namely the disappearance of the total torque regardless of the swivel angle ⁇ , can also be achieved here by a suitable choice of the parameters mentioned.
  • the pneumatic cylinders 11, 12, 13 are shown schematically with piston 15.
  • Dense pneumatic cylinders generally have sealing rings with high contact forces. This leads to high sliding friction forces and large dissipative friction work, which make manual control of an aircraft impossible.
  • the idea of the invention therefore includes - and only enables the use of the device described so far - the creation of a practically frictionless movable pneumatic cylinder, which is suitable for up to a few bars in the pressure region in question.
  • a hollow cylinder 17 closed on one side with a sealed base 30, through which base 30 one Pneumatic line 22 is carried, carries a concentrically arranged guide element inside, which is designed here, for example, as an inner guide tube 18.
  • An outer guide tube 19, which is fixedly connected to a hollow piston 20, is arranged concentrically around this and sliding on it.
  • the hollow piston 20 has an outer cylindrical wall 23 which is closed at the bottom with a bottom 24 which is circular and has openings 25. The interior of the hollow piston 20 thus communicates with the interior of the hollow cylinder 17.
  • a tubular film 26 made of an elastomer is fastened, here for example by means of a clamping ring 27 or by gluing.
  • the film 26 runs upwards along the wall of the hollow cylinder 17, then bends around at an annular bending point 29 and from there lies against the wall 23 of the hollow piston 20.
  • a clamping ring 27 and / or by gluing the type of fastening is only to be understood here as an example without any restrictive character.
  • the annular bending point 29 moves upwards or downwards, depending on the relative direction of movement of the hollow cylinder 17 and the hollow piston 20.
  • the only frictional forces which arise during this movement act between the guide tubes 18, 19, whose surfaces can be processed and treated accordingly.
  • the internal friction of the elastomer, which arises when the skins 26 are bent, makes a small contribution to friction.
  • the thickness of the film 26 is selected such that, in view of the gap width between the cylinder surfaces and of the pressures used, it is certainly not possible to expect the film 26 to expand into the gap.
  • Fastening elements are provided at the upper end of the guide tube 19 and at the bottom of the hollow cylinder 17, which are shown here as eyelets 28. However, the design of these fastening elements lies in the area of the mechanical components familiar to any person skilled in the art.
  • FIG. 6 shows a second embodiment of the pneumatic cylinder essential to the invention.
  • the hollow piston 20 is designed here with a closed bottom 24; the relative change in volume in the hollow cylinder 17 between the fully extended and fully lowered hollow piston 20 is much larger here than in the exemplary embodiment according to FIG. 5.
  • the volume of the hollow piston 20 is thus completely closed, but can be ventilated via an opening in its cover 21 (not shown) his.
  • the pneumatic line 22 is here also inserted through the base 30 of the hollow cylinder 17, as is also provided in the first exemplary embodiment according to FIG. 5.
  • a second pneumatic line 29 is also introduced through the floor 30:
  • the pneumatic ailerons to be operated pneumatically may at most have small leaks which, in view of the small volumes of the actuation portion of the ailerons, are noticeable in a drop in pressure. Such pressure drops are particularly disruptive if they occur asymmetrically, ie only in the area of one of the two ailerons. With the control stick released, this can manifest itself in such a way that it is crooked.
  • constant pressure sources can be considered as constant pressure sources. Depending on the size of the aircraft, one or the other device should be preferred.
  • a compressor can be provided which feeds one or more pressure vessels which can be kept at different pressures using known technology.
  • the pneumatic blades which are inflated to several hundred mB, can also be used as constant pressure sources.
  • the pneumatic flaps - at a different pressure than the wings at most - are the suitable constant pressure source. Constantly there is always something to understand. If the fixed volume of the constant pressure source 50 1 is that of a pneumatic cylinder 1 1 according to the invention, the pressure decrease at full stroke of the pneumatic cylinder is approximately 2%, which is reflected in the force effect in the arrangement according to FIGS. 1 and 2 hardly noticeable effects.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine manuell über einen Stellhebel betätigbare pneumatische Steuerung von aus WO 98/03398 bekannten pneumatischen Querrudern und/oder Landeklappen eines Starrflügelflugzeuges. Der Stellhebel ist mit einem dreiarmigen, um eine relativ zu einem Inertialbezug (7) feste Achse (2) schwenkbaren Schwenkhebel (1) verbunden. Zwei äussere Pneumatik-Zylinder (11, 13) sowie ein mittlerer Pneumatik-Zylinder (12) sind je mit dem Schwenkhebel (1) und je mit dem Inertialbezug (7) schwenkbar so verbunden, dass der mittlere Pneumatik-Zylinder (12) bei einer Auslenkung aus der Neutrallage die äusseren Pneumatik-Zylinder (11, 13) dergestalt unterstützt, dass die Summe der am Stellhebel auftretenden Drehmomente in jeder Lage im wesentlichen verschwindet. Die dazu erfindungsgemäss eingesetzten reibungsarmen Pneumatik-Zylinder (11, 12, 13) enthalten je zwei zentral geführte ineinanderlaufende Hohlzylinder, welche gegeneinander mit einer schlauchförmigen Folie abgedichtet sind, welche bei der Verschiebung der Hohlzylinder gegeneinander mit diesen entlang der Innenwand des äusseren und der Aussenwand des inneren dieser Hohlzylinder im wesentlichen reibungsfrei mitläuft.

Description

Steuerung für pneumatische Querruder eines Starrflügelflugzeuσes
Die vorliegende Erfindung betrifft die Steuerung der pneuma- tischen Querruder oder der pneumatischen Landeklappen eines Starrflügelflugzeuges nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
In WO 98/03398 ist ein pneumatischer adaptiver Flügel offenbart, der auch pneumatische Querruder oder/und Landeklappen aufweisen kann, wie dies in Fig. 7 dargestellt ist.
Fig. 7 und 8 sind zwei Darstellungen des pneumatischen Querruders nach der genannten Patentanmeldung, stellen also bezüglich deren Anmeldedatum den Stand der Technik dar. In Fig. 7 befindet sich das Querruder m Neutralstellung, in Fig. 8 nach oben ausgelenkt. Aufgebaut ist das Querruder aus zwei dichten Häuten 101 und 102, die m bestimmten Abständen durch textile Stege 103 - luftdurchlässig oder dicht - verbunden sind. Im Bereiche des Querruders sind die dichten Häute 101, 102 durch ebenfalls dichte Oberhäute 104, 105 überlagert. Da- durch entstehen zwischen den Häuten 101, 102 einerseits und den Oberhäuten anderseits Kanäle 106, die sich über die ganze Breite des m Fig. 7, 8 m Querschnitt gezeigten Querruders hinziehen. Der Raum des von den Häuten 101, 102 umschlossenen Querruders ist mit Druckluft beaufschlagt auf einen Druck p , ebenso die Kanäle 106 auf einen Druck pk. Wird nun der Druck in den obenliegenden Kanälen 106 erhöht und gleichzeitig in den untenliegenden gesenkt, so ergibt sich der in Fig. 8 gezeigte Ausschlag. Werden die Druckverhältnisse m den Kanälen 106 umgekehrt, so ergibt sich analog zu Fig. 8 ein Ausschlag nach unten.
Die Kanäle 106 können, sowohl auf der Unterseite als auch auf der Oberseite des Flügels, auch auf andere Arten realisiert sein, beispielsweise so, wie dies ebenfalls aus WO 98/03358 bekannt ist: In einer dort beschriebenen Variante werden d e Kanäle 106 auf der Unter- wie auch auf der Oberseite des Fl gels aus zwei einfachen, übereinander liegenden Häuten gebildet, welche in passenden Abständen jeweils wieder entlang mehrerer im wesentlichen parallel laufender Linien raitema-- der verbunden sind. Die äussere der beiden Häute bilden dabei je auch die äussere Begrenzung des Flügels. In jeder der beiden Varianten können die Kanäle 106 durch eine Steuerung einzeln, gruppenweise oder gesamthaft mit Druckluft beaufschlagt werden.
Da die in der genannten Patentanmeldung beschriebenen Querruder neu sind, gibt es zur Steuerung solcher Querruder keinen bekannten Stand der Technik. Die Aufgabe, die mit der vorliegenden Erfindung gelöst werden soll, ist die Schaffung einer pneumatischen Querrudersteue- rung, die es ermöglicht, solche beschriebene Querruder mit der erforderlichen Geschwindigkeit und Häufigkeit zu betätigen, wobei der erforderliche Kraftaufwand mit jenem einer konventionellen, direkten, handbetriebenen mechanischen Steuerung vergleichbar sein soll.
Die Lösung der gestellten Aufgabe ist wiedergegeben im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 hinsichtlich ihrer Hauptmerkmale, in den davon abhängigen Patentansprüchen hinsichtlich vorteilhafter Ausführungsformen. Der Erfindungsgedanke wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel in schematischer
Darstellung,
Fig. 2 das Ausführungsbeispiel von Fig. 1, reduziert auf seine mathematisch-physikalischen Elemente,
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel in gleicher Dar- Stellungsform wie in Fig. 2,
Fig. 4 eine topologische Darstellung der Ausführungsbeispiele gemass Fig. 1 bis 3,
Fig. 5 einen ersten Pneumatik-Zylinder im Längsschnitt,
Fig. 6 einen zweiten Pneumatik-Zylinder im Längsschnitt, Fig. 7, 8 den Stand der Technik hinsichtlich des pneumatischen Querruders .
Im schematischen Aufriss gemass Fig. 1 ist der Grundgedanke der Erfindung dargestellt:
Ein dreiarmiger Schwenkhebel 1 ist um ein Lager 2 schwenkbar angeordnet. Am Ende jedes seiner drei Arme 3, 4, 5 befindet sich ein Drehlager 6. Der feststehende Teil des Lagers 2 ist fest mit dem Flugzeug - dargestellt als Inertialbezug 7 - verbunden. Die Zapfen der drei Drehlager 6 sind verbunden mit Kolbenstangen 8, 9, 10 von drei Pneumatik-Zylindern 11, 12, 13, die ihrerseits in Lagern 14 schwenkbar mit dem Inertialbezug 7 verbunden sind. Die Einbaurichtung dieser Pneumatik- Zylinder 11 bis 13 ist selbstverständlich umdrehbar, wie auch die ganze Anordnung in Fig. 1 um 180° nach unten geklappt werden kann.
Zur Steuerung von pneumatischen Querrudern eines Starrflügelflugzeuges sind die äusseren Pneumatik-Zylinder 11, 13 durch nicht dargestellte Leitungen mit den Kanälen 106 der Querru- der verkreuzt verbunden, beispielsweise der erste Pneumatikzylinder 11 mit den Kanälen 106 auf der Oberseite des linksseitigen pneumatischen Querruders und mit den Kanälen 106 auf der Unterseite des rechtsseitigen pneumatischen Querruders; der andere der äusseren Pneumatik-Zylinder 13 ist dann ent- sprechend verbunden mit den Kanälen 106 auf der Oberseite dieses rechtsseitigen pneumatischen Querruders und mit den Kanälen 106 auf der Unterseite dieses linksseitigen pneumatischen Querruders. Zur Steuerung von pneumatischen Landeklappen wird der erste Pneumatik-Zylinder 11 je mit den Kanälen 106 auf den Oberseiten beider Landeklappen verbunden, während der andere Pneumatik-Zylinder 13 mit den Kanälen 106 auf den Unterseiten beider Landeklappen verbunden ist, wodurch sich beide Landeklappen gleichläufig verformen lassen. Im folgenden sind Landeklappen bei der Erwähnung von Querrudern immer mitgemeint.
Der mittlere Pneumatik-Zylinder 12 ist an eine Konstantdruck- Quelle mit Druck p3 angeschlossen. Der nicht dargestellte Steuerknüppel - oder das bei anderen Steuerorgankonstruktic- nen entsprechende Element - hat die Funktion eines Stellhebels in dieser Steuerung. Er ist mit dem Schwenkhebel 1 so verbunden, dass eine Winkelausschwenkung φ (siehe Fig. 2) des Schwenkhebels 1 direkt, oder unter- bzw. übersetzt, von einer seitlichen Winkelauslenkung φ* des Steuerknüppels verursacht ist. Entsprechende Winkelübersetzungsvorrichtungen sind bekannt. Allein der Einfachheit halber wird für die weitere Erläuterung der Erfindung eine direkte Kopplung angenommen, bei welcher φ = φ* ist. Die Arme 3 und 5 des Schwenkhebels 1 haben die Längen R-| respektive R , die Querschnittflächen der entsprechenden Pneumatik-Zylinder 11 und 13 den Inhalt ^ respektive A2, und die Drücke in den Pneumatik-Zylindern 11 und 13 sind p-| respektive p2. Während die Werte dieser verschieden indizierten gleichen Variabein bei vielen Anwendungen in der gleichen Grössenordnung liegen oder gar gleich sind, kann dagegen der mittlere Arm 4 in seiner Länge _ von R-, respektive von R2 abweichend kürzer oder länger sein. Das gleiche gilt für die Querschnittsfläche A3 des mittleren Pneumatik-Zylinders 12 sowie für den darin herrschenden Druck p3. Beim Vorliegen eines allgemeinen, asymmetrischen Steuerungsproblems lassen sich all diese Grossen durch den Fachmann in naheliegender Weise optimal kombinieren. Bei einem symmetrischen Steuerungsproblem, wie zum Beispiel hier bei der Steuerung der Querruder eines Flugzeugs, werden R-, = R2, A-) = A2 und p-j = p gewählt, da die beiden Querruder gleich konstruiert und in Neutrallage vom gleichen Druck beaufschlagt sind. Fig. 2 nimmt hierauf Bezug.
In Fig. 2 sind die maschinenbaulichen Elemente weggelassen und die Zeichnung auf die mathematisch-physikalisch relevanten Elemente reduziert . Wird der dreiarmige Schwenkhebel 1 durch den mit ihm verbundenen Stellhebel um den Winkel φ verschwenkt, so ergeben sich Kräfte und Drehmomente. Das Ziel der erfinderischen Vorrichtung ist es, die Summe aller Dreh- momente für jeden Winkel cp innnerhalb seines gesamten Schwenkbereichs + φmaχ annähernd Null zu halten, wodurch der Stellhebel aus jeder Stellung ohne Kraftaufwand in eine gewünschte neue Stellung gebracht werden kann. Die Drehmomente M-) , M und M3 der von den Pneumatik-Zylindern 11, 12 und 13 am Schwenkhebel 1 ausgeübten Kräfte bezüglich der Achse 2 ergeben sich in der Neutrallage (φ=0) wie folgt:
M-| = P1 . A-| . R-| . sin(π/2)
M2 = _ P2 • A2 • R2 • sin(π/2)
M3 = p3 . A3 . r . sin(0)
Der Index 1 steht dabei immer für die linke Seite, der Index 2 immer für die rechte Seite und der Index 3 immer für die Mitte; ferner sind die Argumente der Sinusfunktionen die Angriffswinkel der Kolbenstangen 8, 9, 10 auf die Arme R-| , R2 und R3. In der Neutrallage ist φ = 0, und diese Winkel sind, wie aus Fig. 2 ersichtlich, gleich π/2, π/2 und 0. Von nun ab wird davon ausgegangen, dass A-] = A2 = A und R-j = R = E ist, da dieser symmetrische Fall besonders wichtig ist. Die Bedingung
Figure imgf000007_0001
wird für diesen Fall bei Druckgleichheit p-| = p2 offensichtlich erfüllt. Bei einer Auslenkung um einen Winkel φ ≠ 0 gilt:
Mj = p, -A-R-sinδ! M2 =-p2 Α-R-sinδ2
M3 = -p3 - A3 - r - sinγ
Für die Drucke p-| , p2 und p3 gelten die folgenden gut erfüll- te Näherungen:
p3=konstant, weil die Konstruktion so gewählt ist,
Figure imgf000007_0002
p2 = p0 - [φ—-dφ = p0 -a-φ2 als experimentell J dφ gesicherte Abhängigkeit; mit —— = 2a . dφ
Die Winkel δ-] , δ2 und γ hängen in direkter und für jeden Fach- mann nachvollziehbarer Weise von -] , α2 und ß ab, diese wiederum von den Längendimensionen _ und 1 und vom Schwenkwinkel φ. Dabei ist L der Abstand zwischen den beiden Schwenklagern 6 und 14 von einem der äusseren Pneumatik-Zylinder 11 oder 13 in der Neutrallage, und _ der entsprechende Abstand beim mittleren Pneumatik-Zylinder 12. Bei gegebener Dimensionierung der pneumatischen Querruder lassen sich die übrigen Parameter wie A-| = A2, A3, R, _, _, X durch numerische Optimierung über die Bedingung
3 ∑Mj≡O j=ι
finden.
Bei der Wahl von p3, also dem Druck der Konstantdruck-Quelle, können im Rahmen des Erfindungsgedankens mehrere Möglichkei- ten realisiert sein. Eine erste Möglichkeit besteht darin, einen zugeordneten Druckspeicher mittels eines Kompressors zu laden. Eine weitere Möglichkeit, welche bei Verwendung von pneumatischen Flügeln nach der eingangs genannten Patentanmeldung offensteht, besteht darin, die unter Druck stehende Flügelkonstruktion direkt als Konstantdruck-Quelle zu verwenden.
In der Anordnungsvariante gemass Fig. 3 sind die Arme 3, 5 des dreiarmigen Schwenkhebels bezüglich des Lagers 2 nicht in einem gestreckten Winkel angeordnet, sondern ihre Anordnung weicht je um einen Winkel ε davon ab, während der mittlere Arm 4 auf der Winkelhalbierenden der Arme 3, 5 liegt. Dies verändert die Drehmomente, die von den Pneumatik-Zylindern 11, 13 auf die Arme 3, 5 der Länge R ausgeübt werden. Gleichwohl ist die Systemforderung ∑Mj ≡ 0 j=l
zu erfüllen und mit Hilfe der oben erwähnten Optimierung erfüllbar. Wie dies schon für die Anordnungen gemass Fig. 1 und 2 gilt, sind auch diejenige Variation der Parameter , 1, E, £ innerhalb des Erfindungsgedankens, bei welchen gilt:
L ≤ X oder _ > 1, oder E ≤ r oder E > r_.
Für den Winkel ε gilt |ε| < 5°, mit anderen Worten, ε < 0 liegt ebenfalls innerhalb der vorgesehenen Lösungen. Die Anordnungsvariante gemass Fig. 3 ist topologisch identisch mit jener von Fig. 2, jedoch geometrisch unterschiedlich. Erfindungswesentlich ist jedoch die topologische Anordnung gemass Fig. 4, die grossen Spielraum lässt für geometrische Lösungen, die ihrerseits stark von Platzbedarf und -angebot und der Optimierung der pneumatischen Uebertragungswege beein- flusst sind.
Auch hier sind, bei entsprechender und jedem Fachmann zugänglicher mechanischer Gestaltung der Maschinenbauelemente, Lösungen für ε < 0 möglich. Die Anforderung
∑ j≡0
ist natürlich genauso auch für die topologische Anordnung gemass Fig. 4 und deren parametrische Realisierung zu erfüllen. In dieser Anordnung sind die Pneumatik-Zylinder 11, 13 einander gegenüber angeordnet mit der Variationsmöglichkeit, von der Figurhorizontalen um ± ε abzuweichen, wobei die Symπetrie der Anordnung erhalten bleibt; dieser Anordnungsspielraum der Verbindungen der Lager 14 mit dem oberen Lager 6 an den nun zusammenfallenden Armen 3, 5 ist schraffiert. Die Kolbenstangen 8, 10 der Pneumatik-Zylinder 11, 13 haben als gemeinsarr.en Angriffspunkt das obere Lager 6. Die Kolbenstange 9 des mittleren Pneumatik-Zylinders 12 hat als Angriffspunkt das untere Lager 6; der Abstand des Lagers 2 vom oberen Lager 6 ist die Länge des Armes 4. In der Neutralstellung der Anordnung ge- mäss Fig. 4 gilt
M, = M2 M3 = 0.
Für alle Schwenkwinkel φ > 0 gilt
M, = M, M,
und für φ < 0
M2 = - M, - M3
Jede erfindungsgemässe geometrisch-mechanische Ausbildung lässt sich mathematisch-physikalisch nach der schematischen Anordnung gemass Fig. 4 behandeln, bei welcher die Wirkungsrichtung des mittleren Pneumatik-Zylinders 12 in der Neutralstellung im wesentlichen bis auf einen kleinen Winkel ± ε senkrecht steht auf jenen der direkt auf die Querruder wirkenden Pneumatik-Zylinder 11, 13; dabei unterstützt das vom mittleren Pneumatik-Zylinder 12 erzeugte Drehmoment desjenigen der Pneumatik-Zylinders 11 bzw. 13, dessen Druck durch das Schwenken des Schwenkhebels 1 kleiner wird. Die Erfüllung der Systemforderung, nämlich das Verschwinden des Gesamtdrehmomentes unabhängig vom Schwenkwinkel φ, kann auch hier durch geeignete Wahl der genannten Parameter erreicht werden. In Fig. 1 sind die Pneumatik-Zylinder 11, 12, 13 schematisch mit Kolben 15 dargestellt. Dichte Pneumatik-Zylinder weisen in aller Regel Dichtungsringe mit hohen Anpresskräften auf. Dies führt zu hohen Gleitreibungskräften und grosser dissipa- tiver Reibungsarbeit, die das manuelle Steuern eines Flugzeuges verunmöglichen. Mit zum Erfindungsgedanken gehört daher - und den Einsatz der bisher beschriebenen Vorrichtung erst ermöglichend - die Schaffung eines praktisch reibungsfrei be- weglichen Pneumatik-Zylinders, der in der in Frage kommenden Druckregion von bis zu einigen Bar tauglich ist. Eine erste Ausführungsform des erfmdungsgemässen Pneumatik- Zylinders gemass Fig. 5 hat einen Aufbau, bei dem die klassi- sehen Bauteile "Zylinder" und "Kolben" stark modifiziert erscheinen: Ein einseitig mit einem dichten Boden 30 abgeschlossener Hohlzylinder 17, durch welchen Boden 30 eine Pneumatikleitung 22 durchgeführt ist, trägt im Inneren ein konzentrisch angeordnetes Führungselement, das hier bei- spielsweise als inneres Führungsrohr 18 ausgebildet ist. Konzentrisch um dieses angeordnet und auf ihm gleitend ist ein äusseres Führungsrohr 19, welches mit einem Hohlkolben 20 fest verbunden ist. Ferner hat der Hohlkolben 20 eine äussere zylindrische Wandung 23, welche unten mit einem kreisrmgför- migen und Oeffnungen 25 tragenden Boden 24 abgeschlossen ist. Damit kommuniziert das Innere des Hohlkolbens 20 mit dem Inneren des Hohlzylmders 17.
In der Höhe des Bodens 24 des Hohlkolbens 20 ist eine schlauchförmige Folie 26 aus einem Elastomer befestigt, hier beispielsweise mittels eines Klemmringes 27 oder durch Kleben. Die Folie 26 verläuft entlang der Wandung des Hohlzylmders 17 nach oben, biegt dann um an einer ringförmigen Biegestelle 29 und liegt von dort an der Wandung 23 des Hohlkolbens 20 an. In der Höhe von dessen Boden ist die Folie 20 in gleicher Weise mittels eines Klemmringes 27 und/oder durch Kleben befestigt; die Befestigungsart ist hier nur als Beispiel ohne einschränkenden Charakter zu verstehen. Wird der Hohlkolben 20 nun im Hohlzylinder 17 verschoben, so wandert die ringförmige Biegestelle 29 nach oben oder nach unten, je nach der relativen Bewegungsrichtung von Hohlzylinder 17 und Hohlkolben 20. Die einzigen Reibungskräfte, die bei dieser Bewegung entstehen, wirken zwischen den Führungsrohren 18, 19, deren Oberflächen entsprechend bearbeitet und behandelt sein können. Einen kleinen Reibungsbeitrag liefert die innere Reibung des Elastomers, die beim Umbiegen der Felle 26 entsteht. Die Dicke der Folie 26 ist so gewählt, dass angesichts der Spaltbreite zwischen den Zylinderflächen und der verwendeten Drücke mit Sicherheit keine Blähung der Folie 26 in den Spalt hinein erwartet werden kann.
Am oberen Ende des Führungsrohres 19 und am Boden des Hohlzy- linders 17 sind Befestigungselemente vorgesehen, die hier als Oesen 28 dargestellt sind. Die Ausgestaltung dieser Befestigungselemente liegt jedoch im Bereich der jedem Fachmann vertrauten Maschinenbauelemente.
In Fig. 6 ist eine zweite Ausführungsform des erfindungswesentlichen Pneumatik-Zylinders dargestellt. Der Hohlkolben 20 ist hier mit geschlossenem Boden 24 ausgeführt; die relative Volumenänderung im Hohlzylinder 17 zwischen ganz ausgefahrenem und ganz abgesenktem Hohlkolben 20 ist hier viel grösser als im Ausführungsbeispiel gemass Fig. 5. Das Volumen des Hohlkolbens 20 ist also völlig abgeschlossen, kann jedoch über eine Oeffnung in seinem Deckel 21 - nicht eingezeichnet - ventiliert sein.
Die Pneumatik-Leitung 22 ist hier ebenfalls durch den Boden 30 des Hohlzylinders 17 eingeführt, wie dies auch beim ersten Ausführungsbeispiel gemass Fig. 5 vorgesehen ist. Durch den Boden 30 ist noch eine zweite Pneumatik-Leitung 29 eingeführt: Die pneumatisch zu betätigenden pneumatischen Querruder können allenfalls kleine Undichtigkeiten aufweisen, die sich angesichts der kleinen Volumina des Betätigungsanteiles der Querruder in einem Druckabfall bemerkbar machen. Beson- ders störend sind solche Druckabfälle, wenn sie asymir.etrisch, also nur im Bereich eines der beiden Querruder auftreten. Dies kann sich bei freigelassenem Steuerknüppel so äussern, dass er schief steht. Dies wird - präventiv - so überwunden, dass jeweils in der Neutralstellung des Steuerknüppels, di- rekt oder über einen elektrischen Schalter betätigt, ein Ventil geöffnet wird, das die Verbindung von einer Konstant- druck-Quelle zu den beiden Pneumatik-Zylindern 11, 13 (siehe Fig. 1) geöffnet wird. Damit weisen die beiden genannten Pneumatik-Zylinder 11, 13 in der Neutralstellung wieder den Solldruck auf.
Die übrigen Funktionen des Pneumatik-Zylinders gemass Fig. 6 bleiben in Bezug auf jenen nach Fig. 5 unverändert. Beim mittleren Pneumatik-Zylinder 12, der direkt mit der erstge- nannten Konstantdruck-Quelle verbunden ist, erübrigt sich die zweite Pneumatikleitung 29.
Als Konstantdruck-Quellen kommen mehrere Vorrichtungen in Frage. Je nach Grosse des Flugzeuges ist der einen oder der anderen Vorrichtung den Vorzug zu geben. Es kann ein Kompressor vorgesehen sein, der einen oder mehrere Druckkessel speist, die mit bekannter Technik auf verschiedenen Drucken gehalten werden können. Als Konstantdruck-Quellen können auch die pneumatischen Flügel vorgesehen werden, die auf mehrere hundert mB aufgepumpt sind. Ferner sind die pneumatischen Landeklappen - allenfalls auf einem anderen Druck als die Flügel - die geeignete Konstantdruck-Quelle. Konstant ist immer etwas eingeschränkt zu verstehen. Beträgt das feste Volumen der Konstantdruck-Quelle 50 1, dasjenige eines erfin- dungsgemassen Pneumatik-Zylinders 1 1, so ist die Druckabnahme bei vollem Hub des Pneumatik-Zylinders ca 2%, was sich in der Kraftwirkung bei der Anordnung gemass Fig. 1 und 2 kaum spürbar auswirkt .

Claims

Patentansprüche
1. Manuell über einen Stellhebel direkt oder über- oder untersetzt betätigbare pneumatische Steuerung mit zwei äus- seren Pneumatik-Zylindern (11, 13), die je mit einem Luftvolumen in Verbindung stehen, deren Drücke gegenläufig geändert werden sollen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung einen zusätzlichen mittleren Pneumatik- Zylinder (12) aufweist, der von einer Konstantdruck- Quelle gespeist ist, ein dreiarmiger, um eine hinsichtlich eines Inertial- bezuges (7) feste Achse (2) schwenkbarer Schwenkhebel (1) mit drei Drehlagern (6) vorhanden und mit dem Stellhebel verbunden ist, - die drei Pneumatik-Zylinder (11, 12, 13) an ihrem einen Ende je in einem Schwenklager (14) gelagert sind, welches sich auf den Inertialbezug (7) abstützt, jeder der drei Pneu atikzyliner (11, 12, 13) mit seinem anderen Ende in einem der Drehlager (6) gelagert ist und dort seinen zweiten Kraftangriff hat, der dreiarmige Schwenkhebel (1) mit Armen (3, 4, 5) so mit den drei Pneumatik-Zylindern (11, 12, 13) verbunden ist, dass die zwei äusseren Pneumatik-Zylinder (11, 13) auf die ihnen zugeordneten Arme (3, 5) in Neutralstellung des Stellhebels je im wesentlichen das maximale Drehmoment erzeugen, während der mittlere Pneumatik-Zylinder (12) so angeordnet ist, dass er in dieser Stellung am mittleren Arm (4) kein Drehmoment bewirkt, - die Längen der drei Arme (3, 4, 5) und die Orte der drei Schwenklager (14) in Verbindung mit den Flächen und den vorgesehenen Drücken in den Pneumatik- Zylindern (11, 12, 13) so gewählt sind, dass die Summe aller von den Pneumatik-Zylindern (11, 12, 13) am Schwenkhebel (1) ausgeübten Drehmomente bei Ausschwenken des Schwenkhebels (1) um einen Winkel ± φ innerhalb eines Winkelbereiches + φmax im wesentlichen Null bleibt.
2. Pneumatische Steuerung gemass Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden äusseren Pneumatik-Zylinder (11, 13) glei- ehe Querschnittsflächen (A) aufweisen, die beiden mit diesen Pneumatik-Zylindern (11, 13) verbundenen Arme (3, 5) des Schwenkhebels (1) die gleiche Länge (E) aufweisen.
3. Pneumatische Steuerung nach einem der Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schnittwinkel zwischen den äusseren Armen (3, 5)
± ε beträgt, wobei |ε| << 1 ist, der mittlere Arm (4) in Neutralstellung im wesentli- chen auf der Winkelhalbierenden der beiden anderen
Arme (3, 5) liegt.
4. Pneumatische Steuerung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pneumatik-Zylinder (11, 12, 13) so ausgebildet sind, dass sie praktisch reibungsfrei beweglich sind.
5. Pneumatische Steuerung gemass Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass - jeder dieser Pneumatikzylinder (11, 12, 13) einen einseitig mit einem Boden (30) abgeschlossenen Hohlzylinder (17) enthält, durch den Boden (30) eine Pneumatikleitung (22) durchgeführt ist, - der Hohlzylinder (17) ein dazu konzentrisches Führungsrohr (18) enthält, ein dazu ebenfalls konzentrisches äusseres Führungsrohr (19) vorhanden ist, welches auf dem inneren Führungsrohr (18) gleiten kann, - ein Hohlkolben (20) vorhanden ist, das Führungsrohr (19) mit dem Hohlkolben (20) fest verbunden ist, der Hohlkolben (20) eine zylindrische Wandung (23) enthält, deren Aussendurchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser des Hohlzylinders (17), der Hohlkolben (20) auf seinem einen Ende einen dich- ten Deckel (21) aufweist, der Hohlkolben (20) auf seinem anderen Ende einen Boden (24) aufweist, der Boden (24) mindestens eine Oeffnung (25) aufweist, wodurch das Innere des Hohlkolbens (20) mit dem Inneren des Hohlzylinders (17) kommuniziert, eine schlauchförmige Folie (26) aus einem Elastomer vorhanden ist, die Folie (26) in der Höhe des Bodens (24) des Hohlkolbens (20) befestigt ist, - die Folie (26) entlang der Wandung des Hohlzylinders (17) sich in Richtung seiner Achse erstreckt, dann an einer ringförmigen Biegestelle (29) umbiegt, und von dort entlang der Wandung (23) des Hohlkolbens (20) in umgekehrter Richtung wieder bis zu seinem Boden (24) verläuft, wo die Folie (26) ebenfalls befestigt ist, am oberen Ende des Führungsrohres (19) und am Boden des Hohlzylinders (17) je Befestigungselemente (28) vorhanden sind, mit welchen diese Pneumatik-Zylinder mit den zugehörigen Schwenklagern (14) respektive den zugehörigen Drehlagern (6) schwenkbar verbunden werden können.
6. Pneumatische Steuerung gemass Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (24) des Hohlkolbens (20) luftdicht abgeschlossen ist.
7. Pneumatische Steuerung nach einem der Patentansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Boden (30) von mindestens einem der Pneuma- tikzylinder (11, 12, 13) eine weitere Pneur.atiklei- tung (29) durchgeführt ist, und diese Pneumatikleitung (29) mindestens zeitweise mit einer Konstantdruck-Quelle verbunden sein kann.
8. Pneumatische Steuerung nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Druckreservoir und der Pneumatikleitung (29) ein Ventil vorhanden ist,
Mittel vorhanden sind, mit welchen jeweils in der Neutralstellung des Schwenkhebels (1) dieses Ventil geöffnet wird, so dass die Verbindung von der Konstantdruck-Quelle zu jedem der beiden Pneumatik-Zy- lindern (11, 13) geöffnet wird.
9. Pneumatische Steuerung nach einem der Patentansprüche 4 bis 7, dadurch gekennnzeichnet , dass das Luftvolumen, mit welchem einer der äusseren Pneu- matik-Zylindern (11) in Verbindung steht, die Kanäle
(106) auf der Oberseite eines linksseitigen pneumatischen Querruders und die Kanäle (106) auf der Unterseite eines rechtseitigen pneumatischen Querruders umfasst, und dass - das Luftvolumen, mit welchem der andere der äusseren Pneumatik-Zylindern (13) in Verbindung steht, die Kanäle (106) auf der Oberseite dieses rechtsseitigen pneumatischen Querruders und die Kanäle (106) auf der Unterseite dieses linksseitigen pneumatischen Querru- ders umfasst, wodurch die Querruder aus einer neutralen Lage gegenläufig nach unten respektive nach oben ausgelenkt werden können.
10. Pneumatische Steuerung nach einem der Patentansprüche 4 bis 7, dadurch gekennnzeichnet, dass das Luftvolumen, mit welchem einer der äusseren Pneumatik-Zylindern (11) in Verbindung steht, d e Kanäle (106) auf der Oberseite einer linksseitigen pneumatischen Landeklappe und die Kanäle (106) auf der Ober- seite einer rechtseitigen pneumatischen Landeklappe umfasst, und dass das Luftvolumen, mit welchem der andere der äusseren Pneumatik-Zylindern (13) in Verbindung steht, die Ka- näle (106) auf der Unterseite dieser linksseitigen pneumatischen Landeklappe und die Kanäle (106) auf der Unterseite dieser rechtsseitigen pneumatischen Landeklappe umfasst, wodurch die Landeklappen aus einer neutralen Lage gleichläufig nach unten respektive nach oben ausgelenkt werden können.
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