PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE3231553C2 28.02.1991
Titel Elektromechanischer Stellantrieb
Anmelder Liebherr-Aero-Technik GmbH, 8998 Lindenberg, DE
Erfinder Beyer, Frieder, Dipl.-Ing., 8998 Lindenberg, DE;
Hausy, Werner, 8999 Scheidegg, DE
Vertreter Klunker, H., Dipl.-Ing. Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 8000 München
DE-Anmeldedatum 25.08.1982
DE-Aktenzeichen 3231553
Offenlegungstag 01.03.1984
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 28.02.1991
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.02.1991
IPC-Hauptklasse G05G 19/00
IPC-Nebenklasse F15B 9/17   G05D 3/00   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Stellantrieb, insbesondere zur Betätigung des Steuerschiebers eines hydraulischen Servoantriebs.

Derartige Servoantriebe finden beispielsweise bei Betätigungsanlagen von Flugzeugen Verwendung, wobei die Handkräfte des Piloten verstärkt und die Steuerflächen des Flugzeugs entsprechend betätigt werden. Diese Servoantriebe werden in der Regel parallel elektrisch, d.h. beispielsweise vom automatischen Lageregelungssystem des Flugzeugs angesteuert. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit mechanische Signale, die vom Piloten kommen und elektrische Signale, die beispielsweise vom automatischen Lageregelungssystem kommen, zu überlagern.

Unter anderem aus Gründen der Gewichtsersparnis geht die Entwicklung immer mehr dahin, Servoantriebe im modernen Flugzeugbau elektrisch anzusteuern. Servoantriebe benötigen jedoch zwangsläufig eine elektrische oder vorzugsweise mechanische Rückführung. Die mechanische Rückführung, beispielsweise auf die zweite Stufe, d.h. den Steuerschieber eines elektrohydraulischen Servoventils ist relativ aufwendig und störanfällig. Die Problematik der "Summierstelle" ist bisher noch nicht zufriedenstellend gelöst worden.

Die Überlagerung von elektrischen und mechanischen Eingangs-(Kommando-)Signalen bei einem hydraulischen Servoantrieb wird üblicherweise durch Vorschalten eines zusätzlichen elektrohydraulischen Stellantriebs vor den mechanisch-hydraulischen Antrieb gelöst. Es wurde auch bereits eine Signalüberlagerung im elektro-hydraulischen Servoventil vorgeschlagen, d.h. einen mechanischen Eingriff in die Vorsteuerstufe oder auch in die zweite Stufe, d.h. den Steuerschieber des elektrohydraulischen Servoventils. Diese Lösungen sind jedoch entweder zu aufwendig und zu schwer (2. Aggregat) oder nur mit großem Aufwand realisierbar, schwierig justierbar und sehr empfindlich (Eingriff in die Vorsteuerstufe oder in Steuerschieber des Servoventils).

Die Verwendung elektro-hydraulischer Servoventile hat darüberhinaus den grundsätzlichen Nachteil eines dauernden Steuerölverbrauchs, der sich insbesondere bei einer grö8erer Anzahl derartiger Ventile pro Flugzeug als beträchtlicher Energieverlust auswirkt, da die Hydraulikpumpen entsprechend größer dimensioniert werden müssen.

Die Vorsteuerstufe elektro-hydraulischer Servoventile, d. h. insbesondere der dabei verwendete mechanisch-hydraulische Umsetzer in Form von Düsen- Prallplatten-Verstärker, Strahlrohr-Verstärker oder auch Strahlteiler-Verstärker ist äußerst verschmutzungsempfindlich.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die geschilderten Nachteile zu vermeiden bzw. zu verringern und insbesondere einen elektro-mechanischen Stellantrieb für den Steuerschieber eines hydraulischen Servoventils zu schaffen, der eine Überlagerung eines mechanischen und eines elektrischen Signals erlaubt und die elektro-hydraulische Vorsteuerstufe des Servoventils überflüssig macht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Hauptanspruch angegebenen Merkmale gelöst. Dabei wird der Steuerschieber, also die zweite Stufe eines elektrohydraulischen Servoventils direkt mit dem Ausgang eines spielfreien und massenarmen Untersetzungsgetriebes verbunden. Dieses Untersetzungsgetriebe ist vorzugsweise als Differentialgetriebe ausgebildet, dessen Ausgang mit dem Stellarm und dessen weitere umlaufende Glieder eingangsseitig mit dem mechanischen Stellglied und dem elektrischen Stellmotor verbunden sind. Eine besonders kompakte und leistungsstarke Konstruktion ergibt sich dann, wenn als Differentialgetriebe ein sogenanntes "Spannungswellengetriebe" verwendet wird.

Derartige Getriebe sind bekannt und beispielsweise in den deutschen Patentschriften 11 35 259 und 16 50 714 ausführlich beschrieben. Auf die Offenbarung dieser Patentschriften wird hiermit ausdrücklich bezug genommen.

Als Untersetzungsgetriebe läßt sich jedoch auch ein Exzentertrieb verwenden, wobei Stellglied und Stellarm als verschieden lange Hebel ausgebildet sind, die drehfest mit einer Welle verbunden sind, die in einem Rotor gelagert ist, der vom elektrischen Stellmotor entsprechend der elektrischen Eingangsgröße verdreht wird. Die maximale Stellgröße wird dabei bei einer Verschwenkung des Rotors über einen Bogen von ±90° erreicht.

Nachfolgend sind Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beispielsweise beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen Stellantrieb unter Verwendung eines Spannungswellengetriebes

Fig. 2 eine Schemazeichnung des Getriebes

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine andere Ausführung des Stellantriebs unter Verwendung eines Exzenters als Untersetzungsgetriebe

Fig. 4 eine vereinfachte Frontansicht des Stellantriebs nach Fig. 3 zur Verdeutlichung der kinematischen Abhängigkeiten und

Fig. 5 einen schematischen Schnitt durch einen Stellantrieb in seiner Verwendung zur Ansteuerung des Steuerschiebers eines Servoventils mit mechanischer Rückführung.

Fig. 1 zeigt einem Stellantrieb bestehend aus einem Gehäuse 10, einem im Gehäuse angeordneten Differentialgetriebe 12 und einem an das Differentialgetriebe angeschlossenen elektrischen Stellmotor 14. Dem Stellmotor wird ein elektrisches Eingangssignal E1 zugeführt und ein elektrisches Rückführungssignal E2. Stattdessen kann selbstverständlich auch ein elektrischer Schrittmotor oder ein sogenannter Torque-Motor eingesetzt werden, der keine Rückführung benötigt.

Das Stellglied für den mechanischen Eingang ist mit 16 bezeichnet, der Stellarm, der beispielsweise direkt auf den Steuerschieber eines Servoschiebers einwirkt, mit 18.

Das als Spannungswellengetriebe ausgebildete Differentialgetriebe 12 besteht im wesentlichen aus einem Spannungswellenerzeuger 20 mit glattem elliptischem Umfang. Dieser Spannungswellenerzeuger ist direkt mit dem Ausgang des elektrischen Stellmotors 14 gekoppelt. Er wirkt über ein Kugellager auf ein frei umlaufendes elastisches Spannungsrad 22 ein, das er bei seinem Umlauf elastisch verformt und an jeweils zwei aneinander gegenüberliegenden Stellen gleichzeitig mit den beiden Sonneninnenlaufringen 24, 26 in Eingriff bringt. Die beiden Sonneninnenlaufringe weisen eine Innenverzahnung auf, das elastische Spannungsrad eine Außenverzahnung. Pro Umlauf des Spannungswellenerzeugers 20 bewegt sich bei festgehaltenem Sonneninnenlaufring 24 der Sonneninnenlaufring 26 um zwei Zähne in Umlaufrichtung. Der Aufbau des Spannungswellengetriebes 12 ist bekannt und nicht Gegenstand der Erfindung, derartige Getriebe sind in der deutschen Patentschrift 11 35 259 und 16 50 714 ausführlich beschrieben.

Bezüglich Aufbau und Wirkungsweise dieses Getriebes wird daher auf den Offenbarungsgehalt dieser Patentschriften bezug genommen. Außerdem wird bezug genommen auf den Firmenprospekt der Firma Harmonic Drive System GmbH, vom September 1980.

Die grundsätzliche Funktionsweise eines solchen Getriebes ist nochmals in Fig. 2 dargestellt, wobei gleichartige Funktionsteile gleich bezeichnet sind. In der Schemazeichnung ist der Sonneninnenlaufring 24 als weiterer Abtrieb ausgebildet, erfindungsgemäß ist dieser Laufring direkt mit dem Eingangsstellglied 16 verbunden. Eine Verdrehung dieses Sonneninnenlaufrings 24 mittels des Stellglieds 16 wird somit direkt und unmittelbar auch auf den Sonneninnenlaufring 26 übertragen, der wiederum direkt mit dem Stellarm 18 gekoppelt ist.

Die Wirkungsweise des Stellantriebs ist wie folgt. Ein elektrisches Eingangssignal E1 wird in eine bestimmte Verdrehung des Spannungswellenerzeugers 20 umgesetzt. Dieser Umdrehung entspricht eine wesentlich geringere Verdrehung des Sonneninnenlaufrings 26 bzw. des Stellarms 18, der beispielsweise mit dem Steuerschieber eines Servoantriebs gekoppelt ist. Die mechanische Rückführung eines mit dem Servoantrieb betätigten Elements, beispielsweise der Steuerklappe eines Flugzeugs wird über Stellglied 16 dem Stellantrieb wieder aufgeschaltet. Stellglied 16 kann beispielsweise auch direkt über ein Gestänge mit entsprechenden vom Pilot zu bedienenden Stellhebeln verbunden sein, während der elektrische Eingang E1 des Stellmotors vom automatischen Lageregelungssystem des Flugzeugs beaufschlagt wird.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Im Gehäuse 30 ist ein Stellmotor 32 mit Rückführung 34 angeordnet. Die Rückführung kann selbstverständlich bei Verwendung eines Schrittmotors bzw. Torque-Motors entfallen. Der Motor 32 ist mit einem Rotor 36 gekoppelt, in dem exzentrisch eine Welle 38 gelagert ist. Mit der Welle drehfest verbunden ist ein Stellglied 40 für den mechanischen Eingang und ein Stellarm 42 für den mechanischen Ausgang des Stellantriebs. Der elektrische Eingang für den Motor 32 ist wieder mit E1 angedeutet.

Die Funktionsweise des Stellantriebs ist wie folgt. Eine Betätigung des Stellmotors 32 bewirkt ein Verdrehen des Rotors 36, wobei sich die Welle 38 auf einer Kreisbahn mit dem Radius der Exzentrizität bewegt. Diese Bewegungsbahn ist in Fig. 4 punktiert angedeutet. Das Stellglied 40 ist dabei so geführt, daß es in vertikaler Richtung (in Fig. 4 durch einen Doppelpfeil angedeutet) bewegbar ist. Das Ende des Stellarms 42 wird dabei seitlich um einen bestimmten Betrag ausgelenkt, wobei der Betrag von der Größe des zurückgelegten Bogens der Welle 38 abhängt. Die Stellung des größten Ausschlages des Stellgliedes 40 ist in Fig. 4 strichpunktiert angedeutet (Mittelachse).

Die maximale Verlagerung des Stellarmes 42 wird bei einer Verschwenkung der Welle 38 um + oder -90° ausgehend von der in Fig. 4 dargestellten Ruhelage erreicht.

Über eine Betätigung des Stellgliedes 40 kann der Stellarm 42 jederzeit direkt betätigt werden, wobei die Stellung des Rotors bzw. der Welle ohne Bedeutung ist. Auch dieser Stellantrieb ermöglicht also eine einfache Summierung elektrischer und mechanischer Eingangssignale.

Durch eine Abstimmung der Exzentrizität, sowie des Hebelverhältnisses von Stellglied 40 und Stellarm 42 kann der Stellantrieb an die jeweils geforderten Bedingungen angepaßt werden.

Eine Anwendung des erfindungsgemäßen Stellantriebs ist in Fig. 5 dargestellt. Stellarm 50, der beispielsweise dem Stellarm 18 gemäß der Ausführungsform nach Fig. 1 entsprechen kann, beaufschlagt direkt einen Steuerschieber 52 eines Servoantriebs, der wiederum den Hauptfluß eines hydraulischen Stellzylinders 54 steuert. Der im Stellzylinder 54 laufende Kolben betätigt direkt eine Kolbenstange 56, die beispielsweise mit einer Leitklappe eines Flugzeugflügels über ein nicht gezeigtes Gestänge verbunden sein kann. Mit 58 ist ein mechanisches Rückführgestänge bezeichnet, das direkt auf ein Stellglied 60 einwirkt, das beispielsweise dem Stellglied 16 der Ausführungsform nach Fig. 1 entspricht. Eine entsprechende Verlagerung des Steuerschiebers 52 hat eine Verlagerung des im Stellzylinder 54 laufenden Kolbens und der Kolbenstange 56 zur Folge, die über ein Rückführgestänge 58 auf das Stellglied 60 zurückgeführt wird, was einer Rückstellung des Stellarms 50 in die gezeigte Neutrallage entspricht. Auch in diesem Anwendungsfall werden mit dem erfindungsgemäßen Stellantrieb mechanische und elektrische Eingangsgrößen überlagert. Die bei normalen elektro-hydraulischen Servoventilen übliche Vorsteuerstufe, deren Nachteile eingangs abgehandelt wurden, kann durch Einsatz des erfindungsgemäßen Stellantriebs entfallen, der Steuerschieber der zweiten Stufe wird direkt durch einen Elektromotor mit Rückführung bzw. einen Torque-Motor angesteuert und die Rückführung direkt mechanisch dem elektrischen Eingangssignal überlagert. Die damit erreichten Vorteile hinsichtlich Gewichtsersparnis (kein Ölverlust), Platzersparnis und Zuverlässigkeit sind insbesondere im modernen Flugzeugbau von Bedeutung.


Anspruch[de]
  1. 1. Elektromechanischer Stellantrieb, insbesondere zur Betätigung des Steuerschiebers eines hydraulischen Servoantriebs, gekennzeichnet durch einen elektrischen Stellmotor (14; 32), dem eingangsseitig eine elektrische Stellgrö8e zugeführt wird und der über ein spielfreies und massenarmes Untersetzungsgetriebe (12; 36, 38) mit einem mechanischen Stellarm (18; 42) verbunden ist und weiterhin durch ein mechanisches Stellglied (16; 40), das am Untersetzungsgetriebe derart angreift, daß eine Verlagerung des Stellglieds (16, 40) direkt auf den Stellarm (18; 42) übertragen wird und daß eine Ansteuerung des Stellarms (18; 42) unabhängig und unbeeinflußt von der Betätigung und Stellung des Stellglieds (16; 40) erfolgt.
  2. 2. Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellmotor (14; 32), das mechanische Stellglied (16; 40) und der Stellarm (18; 42) mit je einem der umlaufenden Glieder eines Differentialgetriebes verbunden sind.
  3. 3. Stellantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Differentialgetriebe ein Spannungswellengetriebe (12) ist und der Stellmotor (14) auf einen zentral angeordneten, elliptisch ausgebildeten Spannungswellenerzeuger (20) mit glatter Auflage einwirkt, daß der Stellarm (18) mit einem von zwei nebeneinander angeordneten Sonneninnenlaufringen (26) gekoppelt ist, die beide mit einem entsprechend breiten freilaufenden elastischen Spannungsrad (22) in Eingriff stehen und daß das Stellglied (16) direkt mit dem anderen der Sonneninnenlaufringe (24) gekoppelt ist.
  4. 4. Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (40) und der Stellarm (42) unterschiedlich lang sind und drehfest an einer Welle (38) angeordnet sind, die exzentrisch in einem Rotor (36) gelagert ist, der mittels des Stellmotors (32) verdrehbar ist.
  5. 5. Stellantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellmotor (32) den Rotor (36) um einen Bogen von etwa ±90° verdreht.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com