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Dokumentenidentifikation DE60023896T2 27.07.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001194330
Titel FAHRZEUGSTEUERUNGSSYSTEM UND -VERFAHREN UNTER VERWENDUNG EINER STEUERFLÄCHE UND EINER HILFSSTEUERFLÄCHE MIT ÜBERSETZUNG
Anmelder The Boeing Company, Seattle, Wash., US
Erfinder BRISLAWN, G., Mark, Orange, US
Vertreter Patent- und Rechtsanwälte Kraus & Weisert, 80539 München
DE-Aktenzeichen 60023896
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 05.07.2000
EP-Aktenzeichen 009451469
WO-Anmeldetag 05.07.2000
PCT-Aktenzeichen PCT/US00/18356
WO-Veröffentlichungsnummer 2001005654
WO-Veröffentlichungsdatum 25.01.2001
EP-Offenlegungsdatum 10.04.2002
EP date of grant 09.11.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.07.2006
IPC-Hauptklasse B64C 9/04(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse B64C 9/10(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   B63H 25/38(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
BEREICH DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft aerodynamische oder hydrodynamische Steuersysteme und Verfahren für ein Flugzeug oder ein Wasserfahrzeug. Die Erfindung betrifft insbesondere solche Steuersysteme und Verfahren, welche schwenkbare Hinterkantensteuerflächen einsetzen, die schwenkbare Hilfsklappen bzw. Klappen umfassen, um Rudermomente auf den Steuerflächen zu verringern und/oder um die Effektivität der Steuerflächen zu erhöhen.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Solche Hilfsklappen sind bei einigen Flugzeugen eingesetzt worden, um eine Leistung bereitzustellen, um die Bewegung einer Steuerfläche zu unterstützen. Zum Beispiel ist, wie es in dem US-Patent Nr. 3,363,862 dargestellt ist, ein Höhenruder offenbart, welches eine Steuerhilfsklappe aufweist, die schwenkbar an dem hinteren Ende des Höhenruders angebracht ist. Die Hilfsklappe ist mechanisch mit der Steuerung des Piloten verbunden, so dass der Pilot die Hilfsklappe mechanisch bewegt. Eine Auslenkung der Hilfsklappe führt zu aerodynamischen Kräften, welche auf die Hilfsklappe ausgeübt werden, und diese Kräfte bewirken wiederum, dass das Höhenruder in die entgegengesetzte Richtung geschwenkt wird, bis das Höhenruder und das Hilfsklappensystem einen Gleichgewichtszustand erreichen.

In letzter Zeit sind Flugzeugsteuerflächen im Allgemeinen durch hydraulische Vorrichtungen betätigt worden. Bei einigen hydraulisch angetriebenen Steuersystemen sind angelenkte Hilfsklappen eingesetzt worden, um die Rudermomente der Hinterkantensteuerflächen zu verringern. Bei einer angelenkten Hilfsklappenanordnung ist eine Hilfsklappe schwenkbar mit der Hinterkantensteuerfläche verbunden und die Hilfsklappe ist derart mechanisch mit einer Flugzeugstruktur verbunden, dass eine Kippbewegung der Steuerfläche in eine Richtung eine Kippbewegung der Hilfsklappe in der entgegengesetzten Richtung bewirkt. Das aerodynamische Moment um die Steuerflächengelenkachse wird durch das Moment, welches durch die Kräfte auf die Hilfsklappe ausgeübt wird, verringert. Ein Nachteil einer angelenkten Hilfsklappenanordnung ist, dass das Übersetzungsverhältnis zwischen der Steuerfläche und der Hilfsklappe fest liegt und somit nicht für alle Flugbedingungen optimiert werden kann.

Dieser Nachteil wurde teilweise durch die Entwicklung einer "umkehrenden" angelenkten Hilfsklappe für ein Höhenruder beseitigt, wie es in dem US-Patent Nr. 4,431,149, welches an Brislawn und andere erteilt ist, beschrieben ist. Die umkehrende angelenkte Hilfsklappe, wie sie in dem '149-Patent beschrieben ist, sorgt für eine Hilfsklappenauslenkung, welche umgekehrt proportional zu (d.h. in der umgekehrten Richtung zu) der Höhenruderauslenkung für alle Höhenruderauslenkungen ist, bei welchen die Hinterkante nach unten gerichtet ist (TED), und für alle Höhenruderauslenkungen von Null bis ungefähr 13°, bei welchen die Hinterkante nach oben gerichtet ist (TEU). Diese umgekehrt proportionale Hilfsklappenauslenkung verringert die Rudermomente des Höhenruders und die Überempfindlichkeit für Höhenruderauslenkungen, welche bei einem Hochgeschwindigkeitsflug typisch sind. Bei einer TEU-Höhenruderauslenkung von 13° wechselt das Hilfsklappenübersetzungsverhältnis jedoch das Vorzeichen, so dass sich die Hilfsklappe in dieselbe Richtung wie das Höhenruder für Höhenruderauslenkungen, welche größer als 13° sind, zu bewegen beginnt, wodurch die Hilfsklappe zu einer stromlinienförmigen Stellung bei der maximalen TEU-Höhenruderauslenkung von 35° zurückkehrt. Dies sorgt für eine normale Effektivität des Höhenruders bei einer maximalen TEU-Höhenruderauslenkung (d.h. keinen Hilfsklappenverlusten), wie es für einen Flug bei langsamer Geschwindigkeit erforderlich ist.

Während die umkehrende angelenkte Hilfsklappe des '149-Patents eine Verbesserung gegenüber einer nicht umkehrenden angelenkten Hilfsklappe ist, ist das festgelegte Programm eines Übersetzungsverhältnisses, welches durch das umkehrende angelenkte Hilfsklappensystem bereitgestellt wird, nicht in der Lage, für ein optimales Rudermoment der Hilfsklappe zu sorgen, welches über dem gesamten Bereich der Betriebsbedingungen ausgleicht. Darüber hinaus arbeitet die angelenkte Hilfsklappe des '149-Patents nicht als eine "steuernde Hilfsklappe", wobei, zum Beispiel für eine Startdrehung, die Hilfsklappenauslenkung in derselben Richtung liegt, wie diejenige des Höhenruders und diese überschreitet, um so für eine erhöhte Steuerleistung des Höhenruders zu sorgen.

Die US-A-4 479 620 offenbart ein Steuersystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7, wobei der vordere Drehpunkt des Gestänges manuell nur auf einer Seite des neutralen Punktes einstellbar ist.

Das Flugzeug Boeing 737 der nächsten Generation setzt eine umkehrende Hilfsklappe des Höhenruders ein, welche sowohl als eine ausgleichende Hilfsklappe, um Rudermomente bei einem Hochgeschwindigkeitsflugbetrieb zu verringern, als auch als eine steuernde Hilfsklappe, um für eine erhöhte Steuerleistung des Höhenruders für eine Startdrehung zu sorgen, arbeitet. Die Übersetzungsverhältnisse sowohl bei dem Ausgleichsmodus als auch bei dem Steuermodus liegen fest. Wenn zu irgendeiner Zeit hydraulische Leistung verloren wird, kehrt die Hilfsklappe automatisch in den Ausgleichsmodus zurück, um hydraulische Leistungsanforderungen zu minimieren.

Die vorliegende Erfindung wurde zumindest teilweise entwickelt, um die einzigartigen Erfordernisse zu adressieren, welche bei dem Nurflügelflugzeug (BWB) von Boeing vorliegen, welches sich bei The Boeing Company in der Entwicklung befindet. Das BWB-Flugzeug ist im Wesentlichen eine große fliegende Tragfläche. Um für eine Längsstabilität des Flugzeugs zu sorgen, erfordert die Tragfläche große Hinterkantensteuerflächen über der gesamten Spannweite, und die Steuerflächen müssen in der Lage sein, mit im Wesentlichen höheren Geschwindigkeiten auszulenken, als denjenigen bei einem herkömmlicheren Flugzeug. Dementsprechend bietet das BWB-Flugzeug einige technische Herausforderungen bezüglich einem Bereitstellenden von einer ausreichenden hydraulischen Leistung, um die Steuerflächen bei Hochgeschwindigkeitsflugbetrieben anzutreiben. Darüber hinaus kann bei Niedriggeschwindigkeitsbetrieben, speziell beim Start, eine erhöhte Längsneigungssteuerleistung über das hinaus erforderlich sein, was die Steuerflächen des Höhenruders bereitstellen können. Eine weitere Herausforderung ist, sicherzustellen, dass die Steuerflächen derart angetrieben werden können, wie es erforderlich ist, um einen minimal akzeptierbaren Umfang einer Steuerleistung während eines Ausfalls der hydraulischen Leistung, wie z.B. wenn alle Triebwerke ausfallen, bereitzustellen. Die vorliegende Erfindung versucht, eine Lösung für alle diese Herausforderungen bereitzustellen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Den vorab beschriebenen Anforderungen wird durch die vorliegende Erfindung entsprochen und andere Vorteile werden durch die vorliegende Erfindung erzielt, welche ein Steuersystem gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 7 bereitstellt.

Vorzugsweise umfasst das Steuersystem eine Getriebesteuerung, welche betriebsfähig mit der Getriebesteuerbetätigungsvorrichtung verbunden ist und betriebsbereit ist, um die Getriebesteuerbetätigungsvorrichtung derart zu steuern, dass das Übersetzungsverhältnis als eine Funktion eines Fahrzeugbetriebszustandes verändert wird. Somit kann, zum Beispiel, das Übersetzungsverhältnis als eine Funktion der Machzahl, einer Höhe und/oder anderer Parameter des Flugzeugs verändert werden. Auf diese Weise kann das Hilfsklappenübersetzungsverhältnis derart eingestellt werden, dass eine aerodynamische Steuerleistung maximiert wird, indem die Kombination einer Steuerfläche und Hilfsklappenauslenkungen optimiert wird während 100 Prozent des verfügbaren Rudermomentleistungsvermögens der Betätigungsvorrichtung eingesetzt wird. Wenn das Übersetzungsverhältnis eine Funktion der Machzahl und der Höhe (d.h. der Fluggeschwindigkeit) ist, ist die Neupositionierungsgeschwindigkeit des Hilfsklappensteuergestänges relativ niedrig und somit kann die Getriebesteuerbetätigungsvorrichtung elektrisch sein, wenn es erwünscht ist; alternativ kann die Getriebesteuerbetätigungsvorrichtung hydraulisch oder pneumatisch sein.

Als ein anderes Merkmal, welches durch die Erfindung ermöglicht wird, kann das Getriebe als Funktion davon ausgebildet werden, wie viel Antriebsleistung verfügbar ist. Wenn, zum Beispiel, eine Steuerfläche durch mehrere Betätigungsvorrichtungen betätigt wird, kann das Übersetzungsverhältnis durch eine Funktion davon ausgebildet werden, wie viele der Betätigungsvorrichtungen angemessen arbeiten, so dass, wenn eine oder mehrere der Betätigungsvorrichtungen ausfallen, das Übersetzungsverhältnis derart eingestellt werden kann, dass die Nettorudermomente der Steuerfläche reduziert werden, um innerhalb der Leistungsfähigkeit der verbleibenden arbeitenden Betätigungsvorrichtungen zu bleiben. Die Getriebesteuerung kann einen integrierten Computer umfassen, welcher mit einer geeigneten Logik programmiert sein kann, um sich sowohl normalen Betrieben, wobei alle Systeme richtig arbeiten, wie auch verschiedenen Störungsarten anzupassen.

Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, welche mit oder ohne den vorher erwähnten Komponenten, die eine variable Übersetzungsverhältnismöglichkeit bereitstellen, eingesetzt werden kann, umfasst ein Steuersystem eine Hilfsklappe und ein Gestänge, wie es vorab beschrieben ist, und umfasst darüber hinaus eine Ersatzhilfsklappenbetätigungsvorrichtung, welche mit dem Gestänge oder mit der Hilfsklappe gekoppelt ist und betriebsbereit ist, um die Hilfsklappe während einer Störung der Steuerflächenbetätigungsvorrichtung schwenkend zu bewegen. Vorteilhafter Weise umfasst das System auch eine Hilfsklappensteuerung, welche betriebsfähig mit der Ersatzhilfsklappenbetätigungsvorrichtung verbunden ist, wobei die Hilfsklappensteuerung betriebsbereit ist, um ein Arbeiten der Ersatzhilfsklappenbetätigungsvorrichtung beim Erfassen eines Fehlers der Steuerflächenbetätigungsvorrichtung zu aktivieren. Somit kann, wenn die Steuerflächenbetätigungsvorrichtung ausfällt, die Hilfsklappe dennoch angetrieben werden, um so eine fortgesetzte Steuermöglichkeit für das Fahrzeug bereitzustellen.

Wenn ein variables Übersetzungsverhältnis erwünscht wird, kann das Steuersystem sowohl die Ersatzhilfsklappenbetätigungsvorrichtung als auch die Getriebesteuerbetätigungsvorrichtung kombinieren, wie es vorab beschrieben ist. Darüber hinaus kann die Getriebesteuerbetätigungsvorrichtung funktionsfähig sein, um das vordere Ende des Gestänges beim Erfassen eines Fehlers der Steuerflächenbetätigungsvorrichtung in der neutralen Position zu positionieren, so dass die Hilfsklappe, wenn sie durch die Ersatzhilfsklappenbetätigungsvorrichtung angetrieben wird, als eine Steuerhilfsklappe agiert, um die Steuerfläche anzutreiben.

Alternativ kann das Steuersystem einen Mechanismus umfassen, um eine Schwenkbewegung der Steuerfläche beim Erfassen eines Fehlers der Steuerflächenbetätigungsvorrichtung zu verhindern. Dementsprechend agiert, wenn nur die Hilfsklappe durch die Ersatzhilfsklappenbetätigungsvorrichtung angetrieben wird, die Hilfsklappe als eine Ministeuerfläche für das Fahrzeug.

Aus dem vorab stehenden wird verständlich, dass die Erfindung ein Fahrzeugsteuersystem bereitstellt, welches eine Verringerung der Rudermomente der Steuerfläche ermöglicht, wodurch eine entsprechende Verringerung in Betätigungsvorrichtungsgrößen, hydraulischen Flüssigkeitsmengen und hydraulischen Leistungsanforderungen ermöglicht wird, was insbesondere vorteilhaft sein kann, um Steueranforderungen bei einem Triebwerksausfall zu erfüllen. Die Möglichkeit, hydraulische Leistungsanforderungen zu verringern, ermöglicht auch eine umfassendere Möglichkeit, Fahrzeugsteuersysteme zu entwerfen, wobei gewöhnlichere „serienmäßig angefertigte" Betätigungsvorrichtungen verwendet werden, was eine stärkere Verwendung von gemeinsamen Betätigungsvorrichtungstypen für unterschiedliche Steuerflächen desselben Fahrzeugs einschließt. Die Erfindung kann auch eine verbesserte Steuerleistungsfähigkeit bei einer niedrigeren Geschwindigkeit für ein Fahrzeug ermöglichen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorab aufgeführten und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung von bestimmten bevorzugten Ausführungsformen davon, wenn sie im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen gesehen werden, verständlicher, wobei gilt:

1 ist eine seitliche Querschnittsansicht eines Steuersystems gemäß einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform einschließlich einer angelenkten Hilfsklappe mit variabler Übersetzung;

2 ist eine seitliche Querschnittsansicht eines Steuersystems gemäß einer anderen bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform mit einer angelenkten Hilfsklappe mit variabler Übersetzung;

3 ist eine seitliche Querschnittsansicht einer noch anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Steuersystems mit einer angelenkten Hilfsklappe mit variabler Übersetzung und einer Ersatzhilfsklappenbetätigungsvorrichtung, um die Hilfsklappe bei einem Ausfall von einem oder mehreren Steuerflächenbetätigungsvorrichtungen anzutreiben;

3A ist eine Querschnittsansicht des Steuersystems der 3 von oben, wobei die Betätigungsvorrichtung zum Bereitstellen einer Steuerflächenauslenkung dargestellt ist;

4 ist ein Blockdiagramm eines Steuersystems gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorliegende Erfindung wird nun im Folgenden vollständiger mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, in welchen bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsformen dargestellt sind, beschrieben. Diese Erfindung kann jedoch in vielen verschiedenen Formen verwirklicht werden und sollte nicht beschränkt auf die hier dargelegten Ausführungsformen ausgelegt werden; vielmehr sind diese Ausführungsformen vorhanden, so dass diese Offenbarung genau und vollständig ist und den Umfang der Erfindung dem Fachmann vollständig übermittelt. Gleiche Zahlen bezeichnen durchweg gleiche Elemente.

Mit Bezug auf 1 wird eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Steuersystems im Allgemeinen durch ein Bezugszeichen 10 bezeichnet. Das Steuersystem 10 umfasst eine Haupthinterkantensteuerfläche 12, welche ein Höhenruder, ein Seitenruder, ein Querruder, ein kombiniertes Höhen- und Querruder oder Ähnliches umfassen kann. Die Steuerfläche 12 ist an einer Verankerungsstruktur 14 angebracht, welche an dem Fahrzeug angebracht ist, so dass die Steuerfläche 12 schwenkbar relativ zu dem Fahrzeug um eine Drehachse 16 der Steuerfläche bewegbar ist, welche im Allgemeinen in der Nähe eines vorderen Endes der Steuerfläche angeordnet ist. Die Verankerungsstruktur 14 ist vorteilhafter Weise an einem Holm 18 befestigt, welcher einen Teil der Struktur des Fahrzeugs ausbildet. Die Drehachse 16 der Steuerfläche ist senkrecht zu der Ebene der 1 ausgerichtet und erscheint somit als ein einzelner Punkt. Dementsprechend kann die Steuerfläche 12 relativ zu ihrer Stellung nach oben und nach unten schwenkend ausgelenkt werden, wie es in 1 dargestellt ist.

Eine schwenkende Auslenkung der Steuerfläche 12 wird durch eine oder mehrere Steuerflächenbetätigungsvorrichtungen 20, welche zwischen der fixierten Struktur des Fahrzeugs und der Steuerfläche verbunden sind, bewirkt. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform ist eine Betätigungsvorrichtung 20 schwenkbar an einem Ende des Holms 18 verbunden und ist schwenkbar an dem gegenüberliegenden Ende an einem Holm 22 der Steuerfläche an einer Stelle verbunden, welche mit einem Abstand unter der Drehachse 16 der Steuerfläche liegt. Somit bewirkt ein Ausfahren der Betätigungsvorrichtung 20, dass die Steuerfläche 12 nach oben (entgegen dem Uhrzeigersinn in 1) geschwenkt wird, und ein Rückziehen der Betätigungsvorrichtung 20 bewirkt, dass die Steuerfläche 12 nach unten (im Uhrzeigersinn in 1) geschwenkt wird.

Eine Hilfsklappe 24 ist schwenkbar an der Steuerfläche 12 in der Nähe eines hinteren Endes davon angebracht, so dass die Hilfsklappe 24 relativ zu der Steuerfläche um eine Drehachse 26 der Hilfsklappe, welche sich im Allgemeinen parallel zu der Drehachse 16 der Steuerfläche erstreckt, schwenkend bewegbar ist. Ein Hilfsklappensteuergestänge 28 ist schwenkbar an seinem hinteren Ende an der Hilfsklappe 24 an einer Stelle angebracht, welche mit einem Abstand unterhalb der Drehachse 26 der Hilfsklappe liegt, und erstreckt sich davon innen durch die Steuerfläche 12 zu einem vorderen Ende des Gestänges 28, welches in der Nähe der Drehachse 16 der Steuerfläche angeordnet ist. Wie unten weiter beschrieben wird, ist das vordere Ende des Gestänges 28 mit einer Struktur gekoppelt, welche im Wesentlichen relativ zu dem Fahrzeug fixiert bleibt, wenn die Steuerfläche 12 schwenkend ausgelenkt wird. Dies bedeutet dementsprechend, dass, solange das vordere Ende des Gestänges 28 mit der Drehachse 16 der Steuerfläche ausgerichtet bleibt, die Hilfsklappe 24 nicht relativ zu der Steuerfläche schwenkt, wenn die Steuerfläche schwenkend ausgelenkt wird. Diese ausgerichtete Stellung des vorderen Endes des Gestänges 28 wird hier als die "neutrale Stellung" bezeichnet. Das Steuersystem 10 umfasst Merkmale, welche erlauben, dass das vordere Ende des Gestänges 28 in der neutralen Stellung bzw. Position oder auf einer Seite oder der anderen davon angeordnet wird, um ein effektives Übersetzungsverhältnis zwischen der Hilfsklappe 24 und der Steuerfläche 12 zu verändern. Genauer umfasst das System eine Getriebesteuerbetätigungsvorrichtung 32, welche im Allgemeinen an der Befestigungsstruktur 14 des Fahrzeugs befestigt ist und ein Ende aufweist, welches mit dem vorderen Ende des Gestänges 28 verbunden ist. Die Getriebesteuerbetätigungsvorrichtung 32 ist derart ausgerichtet, dass sie entlang einer Richtung ausfährt oder zurückzieht, welche im Allgemeinen senkrecht zu einer Ebene liegt, die sowohl die Drehachse 16 der Steuerfläche als auch das hintere Ende des Gestänges 28 enthält. Somit kann ein Ausfahren der Getriebesteuerbetätigungsvorrichtung 32 bewirken, dass das vordere Ende des Gestänges 28 eine Bahn durchläuft, welche sich von einer unteren Position, welche sich mit einem Abstand unterhalb der neutralen Position befindet, wie es in 1 in durchgezogenen Linien dargestellt ist, durch die neutrale Position und zu einer oberen Position, welche mit einem Abstand über der neutralen Stellung liegt, wie es in 1 mit gestrichelten Linie dargestellt ist, durchläuft. Während die Begriffe "oberhalb" und "unterhalb" mit Bezug auf die Ausrichtung des Steuersystems 10, wie es in 1 dargestellt ist, verwendet werden, in welcher die Steuerfläche 12 um eine horizontale Achse geschwenkt wird, ist natürlich klar, dass die Erfindung auf andere Typen von Steuerflächen anwendbar ist, welche um Achsen schwenken, die anders als horizontal ausgerichtet sind, wie z.B. Seitenruder, welche um vertikale Achsen schwenken.

Wenn das Gestänge 28 durch die Getriebesteuerbetätigungsvorrichtung 32 bewegt wird, wobei es sich in der unteren Position, welche in 1 dargestellt ist, befindet, bewirkt eine Drehung der Steuerfläche 12 um ihre Drehachse 16 entgegen dem Uhrzeigersinn, dass die Hilfsklappe 24 um ihre Drehachse 26 relativ zu der Steuerfläche im Uhrzeigersinn schwenkt. Diese umgekehrte proportionale Auslenkung der Hilfsklappe wird hier als ein "negatives Übersetzungsverhältnis" bezeichnet, da sich die Hilfsklappe in einer entgegengesetzten Richtung zu derjenigen der Steuerfläche bewegt. Wenn die Getriebesteuerbetätigungsvorrichtung 32 ausfährt, um das Gestänge 28 zu bewegen, wobei sich das vordere Ende des Gestänges 28 in der oberen Position, welche in 1 dargestellt ist, befindet, wird ein "positives Übersetzungsverhältnis" erzeugt, wobei die Hilfsklappe 24 in derselben Richtung wie die Steuerfläche 12 schwenkt. Das Übersetzungsverhältnis kann als die Winkelauslenkung der Hilfsklappe relativ zu der Steuerfläche dividiert durch die Winkelauslenkung der Steuerfläche relativ zu dem Fahrzeug definiert werden. Somit tritt ein Übersetzungsverhältnis von Null auf, wenn sich das vordere Ende des Gestänges 28 in der neutralen Stellung befindet, da in diesem Fall die Hilfsklappe nicht relativ zu der Steuerfläche schwenkt.

Vorzugsweise kann das Übersetzungsverhältnis erfindungsgemäß zwischen Null und einer vorbestimmten negativen Grenze verändert werden, indem die Getriebesteuerbetätigungsvorrichtung 32 betätigt wird, um das vordere Ende des Gestänges in oder mit verschiedenen Abständen unterhalb der neutralen Position selektiv anzuordnen. Auf ähnliche Weise kann das Übersetzungsverhältnis zwischen Null und einer vorbestimmten positiven Grenze verändert werden, indem die Getriebesteuerbetätigungsvorrichtung betätigt wird, um das vordere Ende des Gestänges in oder mit verschiedenen Abständen oberhalb der neutralen Position selektiv anzuordnen. Die Getriebesteuerbetätigungsvorrichtung 32 ist vorteilhafter Weise in der Lage, um für kleine stufenweise Bewegungen des Gestänges 28 zu sorgen, um so eine im Wesentlichen stufenlose Einstellung des Übersetzungsverhältnisses zwischen der oberen und der unteren Grenze zu ermöglichen. Zum Beispiel ist eine hydraulische, elektrische oder pneumatische Betätigungsvorrichtung geeignet, um das Gestänge einzustellen. Ein manueller Hand betriebener Mechanismus könnte sogar bereitgestellt werden, um das Gestänge neu einzustellen.

2 stellt eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Steuersystems 10' dar. Das Steuersystem 10' ist im Allgemeinen ähnlich zu demjenigen der 1, wobei es sich primär in der Anordnung der Getriebesteuerbetätigungsvorrichtung 32 davon unterscheidet. Daher ist die Getriebesteuerbetätigungsvorrichtung 32 in dem System 10' vor dem Fahrzeugholm 18 angeordnet und mit einem Hebelarmgestänge 34 verbunden, welches sich durch eine Öffnung in dem Holm 18 erstreckt und schwenkbar mit dem vorderen Ende des Hilfsklappensteuergestänges 28 verbunden ist. Das Hebelarmgestänge 34 ist um einen Drehpunkt schwenkbar, welcher vorzugsweise bei der Öffnung in dem Holm 18 angeordnet ist, so dass ein Ausfahren der Getriebesteuerbetätigungsvorrichtung 32 bewirkt, dass das Gestänge 28 in die untere Position bewegt wird, wie es in durchgezogenen Linien in 2 dargestellt ist, und ein Zurückziehen der Getriebesteuerbetätigungsvorrichtung 32 bewirkt, dass das Gestänge in die obere Position bewegt wird, wie es in gestrichelten Linien dargestellt ist. Bei anderen Aspekten ist die Arbeitsweise des Systems 10' im Wesentlichen identisch mit derjenigen des Systems 10 der 1.

Bei beiden Steuersystemen 10 oder 10' kann das Übersetzungsverhältnis als eine Funktion eines Betriebszustandes des Fahrzeugs verändert werden. Somit kann das Übersetzungsverhältnis, zum Beispiel, als eine Funktion der Machzahl, Höhe und/oder anderer Parameter eines Flugzeugs verändert werden. Auf diese Weise kann das Übersetzungsverhältnis der Hilfsklappe eingestellt werden, um eine aerodynamische Steuerleistung zu maximieren, indem die Kombination der Steuerflächen- und Hilfsklappenauslenkungen derart optimiert wird, dass 100 Prozent der verfügbaren Rudermomentleistungsfähigkeit der Betätigungsvorrichtung verwendet wird. Wenn das Übersetzungsverhältnis eine Funktion der Machzahl und Höhe (d.h. Fluggeschwindigkeit) ist, kann die Neueinstellungsgeschwindigkeit des Hilfsklappensteuergestänges 28 relativ niedrig sein und somit kann die Getriebesteuerbetätigungsvorrichtung 32 elektrisch sein, wenn es erwünscht ist; alternativ kann die Getriebesteuerbetätigungsvorrichtung hydraulisch oder pneumatisch sein.

Als ein anderes Merkmal, welches durch die Erfindung ermöglicht wird, kann das Getriebe als eine Funktion davon ausgebildet werden, wie viel Antriebsleistung verfügbar ist. Wenn, zum Beispiel, die Steuerfläche 12 durch mehrere Betätigungsvorrichtungen 20 angetrieben wird, kann das Übersetzungsverhältnis als eine Funktion davon ausgebildet werden, wie viele der Betätigungsvorrichtungen 20 angemessen arbeiten, so dass, wenn eine oder mehrere der Betätigungsvorrichtungen ausfallen, das Übersetzungsverhältnis derart eingestellt werden kann, dass Rudermomente innerhalb der Leistungsfähigkeit der verbleibenden arbeitenden Betätigungsvorrichtungen gehalten werden. Eine ähnliche Einstellung beim Übersetzungsverhältnis kann für den Fall vorgenommen werden, dass der hydraulische Druck unter einen gegebenen Schwellenwert abfällt.

Die Erfindung stellt auch ein Steuersystem bereit, welches ein Hilfsklappenersatzbetätigungssystem aufweist, das eine fortgesetzte Steuermöglichkeit für den Fall eines Ausfalls des primären Steuerflächenbetätigungssystems ermöglicht. Mit Bezug auf 3 und 3A wird ein Steuersystem 110 dargestellt, welches eine Ersatzhilfsklappenbetätigungsvorrichtung 112 aufweist, welche zwischen der Fahrzeugbefestigungsstruktur 14 und der Getriebesteuerbetätigungsvorrichtung 32 verbunden ist. Die Getriebesteuerbetätigungsvorrichtung 32 ist um ihr Ende, welches gegenüber dem Ende liegt, das mit dem Gestänge 28 verbunden ist, schwenkbar und ist im Allgemeinen vertikal und direkt unterhalb der Drehachse 16 der Steuerfläche ausgerichtet. Die Ersatzhilfsklappenbetätigungsvorrichtung 112 ist betriebsbereit, um die Getriebesteuerbetätigungsvorrichtung 32 nach vorn oder nach hinten um ihr unteres Ende zu schwenken, wodurch das Gestänge 28 im Allgemeinen nach vorn oder nach hinten bewegt wird, was wiederum bewirkt, dass die Hilfsklappe im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn in 3 ausgelenkt wird. Es sei angemerkt, dass sich die primäre Steuerflächenbetätigungsvorrichtung 20, wie sie in 3A dargestellt ist, quer erstreckt und mit einer Ecke eines Steuerhebels 114 verbunden ist, welcher um einen Drehpunkt 116 schwenkt, der an einer zweiten Ecke des Steuerhebels angeordnet ist und seine dritte Ecke, welche mit der Steuerfläche 12 verbunden ist, aufweist. Es ist natürlich klar, dass die Steuerfläche 12 mehr als eine Betätigungsvorrichtung 20 aufweisen kann, welche die Bewegungskraft für ihre Bewegung zuführt.

Mit Bezug auf 4, welche ein Blockdiagramm des Steuersystems darstellt, ist die Getriebesteuerbetätigungsvorrichtung 32 funktionsfähig mit einer Getriebesteuerung 118 verbunden, welche den Betrieb der Getriebesteuerbetätigungsvorrichtung 32 steuert, um so das Übersetzungsverhältnis der Hilfsklappe gemäß vorbestimmter Beziehungen zwischen Betriebsbedingungen des Fahrzeugs und einem Übersetzungsverhältnis einzustellen. Zum Beispiel kann für ein Flugzeugsteuersystem die Getriebesteuerung 118 derart angeordnet sein, dass sie eine Information über Flugbedingungen, wie z.B. die Machzahl und Höhe, von einem Luftdatenrechner (ADC) 120 an Bord des Flugzeugs empfängt. Die Getriebesteuerung 118 kann diese Informationen einsetzen, um ein geeignetes Hilfsklappenübersetzungsverhältnis zu bestimmen und die Getriebesteuerbetätigungsvorrichtung 32 anweisen, das Hilfsklappensteuergestänge 28 geeignet einzustellen.

Die Ersatzhilfsklappenbetätigungsvorrichtung 112 wird durch eine Hilfsklappensteuerung 122 gesteuert, und das Steuerflächenbetätigungssystem 20 wird durch eine Hauptsteuerung 124 gesteuert. Es ist für den Fachmann verständlich, dass irgendwelche zwei oder alle von der Getriebesteuerung 118, Hilfsklappensteuerung 122 und der Hauptsteuerung 124 in einem einzigen Anlagenteil kombiniert sein können, wie es durch den gestrichelten Kasten, welcher diese Steuerungen in 4 einschließt, angedeutet ist, und dass diese Steuerungen miteinander kommunizieren können, wenn es erwünscht ist.

Beim Erfassen eines Ausfalls des Steuerflächenbetätigungssystems 20, welcher zum Beispiel durch die Hauptsteuerung 124 oder einen Sensor, der dieser zugeordnet ist, erfasst wird, kann die Ersatzhilfsklappenbetätigungsvorrichtung 112 derart aktiviert werden, dass die Hilfsklappe 24 fortgesetzt abhängig von Signalen, welche durch die Steuerung des Piloten erzeugt werden, angetrieben wird. Ein Ausfall des Steuerflächenbetätigungssystems 20 kann durch eine Anzahl von Vorgängen, einschließlich eines Triebwerkausfalls, verursacht werden. Der Ausfall kann, zum Beispiel, erfasst werden, indem ein hydraulischer Flüssigkeitsdruck erfasst wird und erfasst wird, wenn der Druck unter einen vorbestimmten Schwellenwert fällt. Erfindungsgemäß kann die Hilfsklappe 24 bei einem solchen Vorfall in einer von zwei Weisen arbeiten. Bei einer ersten Ausführungsform ist es der Steuerfläche 12, wenn ein Fehler bei der/den Steuerflächenbetätigungsvorrichtung(en) 20 auftritt, möglich, frei zu schwenken, und die Auslenkung der Hilfsklappe 24 durch die Ersatzhilfsklappenbetätigungsvorrichtung 112 bewirkt, dass die Steuerfläche 12 in einer entgegengesetzten Richtung ausgelenkt wird. Die Hilfsklappe 24 arbeitet somit als eine Steuerhilfsklappe, um die Bewegungskraft bereitzustellen, um die Steuerfläche 12 zu bewegen. Es ist für die Getriebesteuerung 118 vorteilhaft, die Getriebesteuerbetätigungsvorrichtung 32 anzuweisen, dass vordere Ende des Gestänges 28 in oder zumindest in der Nähe der neutralen Position beim Erfassen eines Ausfalls der Steuerflächenbetätigungsvorrichtung 20 zu positionieren. Wenn die Steuerflächenbetätigungsvorrichtung 20 eine hydraulische Betätigungsvorrichtung ist, ist es für den hydraulischen Flüssigkeitspfad durch die Betätigungsvorrichtung 20 auch vorteilhaft, in dem Fehlermodus umgangen zu werden, so dass die Ersatzhilfsklappenbetätigungsvorrichtung 112 nicht den hydrodynamischen Widerstand überwinden muss, welcher sich ergeben würde, wenn die hydraulische Flüssigkeit weiter durch die Betätigungsvorrichtung 20 zirkulieren würde, wenn die Steuerfläche 12 Auslenkungen unterzogen wird. Zu diesem Zweck kann ein aktivierbares Umgehungsventil (nicht dargestellt) parallel zu der Steuerflächenbetätigungsvorrichtung 20 vorhanden sein und kann während des Fehlerbetriebsmodus aktiviert werden, um die Flüssigkeit um die Betätigungsvorrichtung 20 herum zu führen.

Gemäß einer alternativen erfindungsgemäßen Ausführungsform arbeitet die Hilfsklappe 24 als eine Ministeuerfläche für das Fahrzeug. Zu diesem Zweck wird beim Erfassen eines Ausfalls bei dem Steuerflächenbetätigungssystem 20, wie es oben beschrieben ist, ein Verriegelungsmechanismus 126, zum Beispiel durch die Hauptsteuerung 124 aktiviert, um eine schwenkende Auslenkung der Steuerfläche 12 zu verhindern. Wenn es erwünscht wird, kann die Steuerfläche 12 in eine vorbestimmte Stellung eingestellt werden, wie z.B. stromlinienförmig mit der Tragfläche oder einer anderen Fahrzeugstruktur, an welcher sie angebracht ist, bevor sie verriegelt wird. Irgendein geeigneter Verriegelungsmechanismus kann verwendet werden. Zum Beispiel können aktivierbare Rückschlagventile in Verbindung mit der Steuerflächenbetätigungsvorrichtung 20 verwendet werden, um so die Betätigungsvorrichtung 20 bei einer fixierten Länge zu verriegeln, indem ein hydraulischer Flüssigkeitsstrom in oder aus der Betätigungsvorrichtung 20 verhindert wird. Die Erfindung ist nicht auf irgendeinen besonderen Typ eines Verriegelungsmechanismus beschränkt und der Fachmann erkennt, dass verschiedene bekannte Verriegelungsmechanismen für die vorliegenden Zwecke eingerichtet werden können. Wenn die Steuerfläche 12 einmal verriegelt ist, betreibt die Hilfsklappensteuerung 122 die Ersatzhilfsklappenbetätigungsvorrichtung 112, um die Hilfsklappe 24 abhängig von Signalen von der Steuerung des Piloten schwenkbar auszulenken. Die Hilfsklappe 24 arbeitet somit als eine Ministeuerfläche.

Viele Veränderungen und andere erfindungsgemäße Ausführungsformen fallen dem Fachmann im Bezug auf diese Erfindung ein, welche den Nutzen der Lehren, die in den vorangegangenen Beschreibungen und den zugeordneten Zeichnungen präsentiert sind, aufweisen. Zum Beispiel können verschiedene Typen von Gestängeanordnungen verwendet werden, um die Hilfsklappe 24 mit der befestigten Fahrzeugstruktur zu verbinden, so dass eine Auslenkung der Steuerfläche 12 bewirkt, dass die Hilfsklappe 24 ausgelenkt wird. Die dargestellte und beschriebene Schubstange 28 ist nur ein Beispiel einer solchen Gestängeanordnung. Obwohl die Ersatzhilfsklappenbetätigungsvorrichtung 112 als über die Getriebesteuerbetätigungsvorrichtung 32 und das Gestänge 28 verbunden mit der Hilfsklappe 24 dargestellt ist, könnte darüber hinaus die Ersatzhilfsklappenbetätigungsvorrichtung alternativ mit dem Gestänge 28 oder direkt mit der Hilfsklappe 24 verbunden sein. Das bedeutet damit, dass die Erfindung nicht auf die speziellen offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist und dass Modifikationen und andere Ausführungsformen in dem Umfang der angehängten Ansprüche enthalten sein sollen. Obwohl spezielle Begriffe verwendet werden, sind sie nur in einem allgemeinen und beschreibenden Sinn und nicht zum Zwecke einer Beschränkung verwendet worden.


Anspruch[de]
  1. Steuersystem (10, 10', 110) für ein Fahrzeug, wobei das Steuersystem eine Hinterkantensteuerfläche, welche zur Schwenkbewegung um eine Steuerflächendrehachse (16, 116), die relativ zu dem Fahrzeug zu befestigen ist, angebracht ist, und eine Steuerflächenbetätigungsvorrichtung, welche zwischen dem Fahrzeug und der Steuerfläche (12) verbunden und betriebsbereit ist, um die Steuerfläche schwenkend zu bewegen, aufweist, wobei das Steuersystem umfasst:

    eine Hilfsklappe (24), welche mit der Steuerfläche derart verbunden ist, dass sie um eine Hilfsklappendrehachse schwenkbar ist, welche hinter der Steuerflächendrehachse angeordnet ist;

    ein Gestänge (28) mit einem hinteren Ende, welches mit der Hilfsklappe verbunden ist und sich von dort zu einem vorderen Ende des Gestänges erstreckt, wobei das vordere Ende des Gestänges entlang eines Pfades derart bewegbar ist, dass das vordere Ende selektiv in verschiedenen Positionen angeordnet werden kann, welche eine neutrale Position, bei welcher ein Drehpunkt mit dem vorderen Ende mit der Steuerflächendrehachse ausgerichtet ist, wodurch keine Relativbewegung der Hilfsklappe während einer Bewegung der Steuerfläche auftritt, und andere Positionen, bei welchem der Drehpunkt von der Steuerflächendrehachse versetzt ist, aufweist, wobei das Steuersystem gekennzeichnet ist durch:

    eine Getriebesteuerbetätigungsvorrichtung (20), welche mit dem Gestänge verbunden und betriebsbereit ist, um das Gestänge derart zu bewegen, dass sich das vordere Ende davon entlang des Pfades bewegen lässt, wobei die Getriebesteuerbetätigungsvorrichtung weiter betriebsbereit ist, um das vordere Ende des Gestänges in selektiv veränderlichen Abständen von einer der gegenüberliegenden Seiten der neutralen Position derart anzuordnen, dass ein effektives Übersetzungsverhältnis, positiv und/oder negativ, zwischen der Steuerfläche und der Hilfsklappe verändert wird.
  2. Steuersystem nach Anspruch 1, wobei die Getriebesteuerbetätigungsvorrichtung eine elektrische oder eine hydraulische oder eine pneumatische Betätigungsvorrichtung umfasst.
  3. Steuersystem nach Anspruch 1 oder 2, weiter eine Getriebesteuereinheit (118) umfassend, welche betriebsbereit mit der Getriebesteuerbetätigungsvorrichtung verbunden und betätigbar ist, um die Getriebesteuerbetätigungsvorrichtung derart zu steuern, dass sie das Übersetzungsverhältnis als eine Funktion von Fahrzeugbetriebsbedingungen verändert.
  4. Steuersystem nach Anspruch 1, weiter eine Ersatzhilfsklappenbetätigungsvorrichtung (112) umfassend, welche mit dem Gestänge gekoppelt und betätigbar ist, um das Gestänge nach vorn und nach hinten zu bewegen, um die Hilfsklappe während einer Störung eines primären Betätigungssystems, welches die Steuerfläche (12) bewegt, schwenkend zu bewegen.
  5. Steuersystem nach Anspruch 4, wobei die Getriebesteuerbetätigungsvorrichtung (32) betätigbar ist, um das vordere Ende des Gestänges in der neutralen Position beim Erfassen einer Störung der Steuerflächenbetätigungsvorrichtung derart anzuordnen, dass die Hilfsklappe (24), wenn sie durch die Ersatzhilfsklappenbetätigungsvorrichtung (112) angetrieben wird, als eine Steuerhilfsklappe wirkt, um die Steuerfläche anzutreiben.
  6. Steuersystem nach einem der Ansprüche 1–5, weiter einen Mechanismus (128) umfassend, um die Steuerfläche in einer vorbestimmten Stellung bei Erfassung einer Störung der Steuerflächenbetätigungsvorrichtung derart zu verriegeln, dass die Hilfsklappe, wenn sie durch die Ersatzhilfsklappenbetätigungsvorrichtung angetrieben wird, als eine Ministeuerfläche wirkt.
  7. Verfahren zum Steuern eines Flugzeuges, welches eine Hinterkantensteuerfläche, welche derart an dem Flugzeug angebracht ist, dass die Steuerfläche (12) schwenkend relativ zu dem Flugzeug um eine Steuerflächenachse (16, 116) bewegbar ist, und eine Hilfsklappe (24) aufweist, welche mit der Steuerfläche derart verbunden ist, dass die Hilfsklappe relativ zu der Steuerfläche um eine Hilfsklappendrehachse (26) schwenkend bewegbar ist, wobei das Verfahren umfasst:

    Schwenkendes Auslenken der Steuerfläche relativ zu dem Flugzeug, so dass Fluidkräfte auf die Steuerfläche und die Hilfsklappe ausgeübt und auf das Flugzeug übertragen werden;

    Schwenkendes Auslenken der Hilfsklappe relativ zu der Steuerfläche als Anteil einer schwenkenden Auslenkung der Steuerfläche, wobei die schwenkende Auslenkung der Hilfsklappe durch eine schwenkende Auslenkung der Steuerfläche geteilt wird, wobei ein Übersetzungsverhältnis für die Hilfsklappe definiert wird; und

    Einstellen des Übersetzungsverhältnisses zwischen Null und einer vorbestimmten Grenze als Funktion von Betriebsbedingungen für das Flugzeug, dadurch gekennzeichnet, dass:

    das Übersetzungsverhältnis während Flugbedingungen mit relativ geringer Geschwindigkeit auf positive Werte und während Flugbedingungen mit relativ hoher Geschwindigkeit auf negative Werte eingestellt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Übersetzungsverhältnis als eine Funktion zumindest aus Machzahl und Höhe des Flugzeugs eingestellt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Steuerfläche (12) schwenkend durch ein Steuerflächenbetätigungssystem bewegt wird, und weiter umfassend:

    Ermöglichen, dass die Steuerfläche während einer Störung des Steuerflächenbetätigungssystems schwenkt; und

    Verwenden einer Ersatzhilfsklappenbetätigungsvorrichtung (112), um die Hilfsklappe (24) während der Störung derart schwenkend zu bewegen, dass die Hilfsklappe (24) die Bewegung der Steuerfläche steuert.
  10. Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, wobei die Steuerfläche (12) schwenkend durch ein Steuerflächenbetätigungssystem bewegt wird, und weiter umfassend:

    Verhindern, dass die Steuerfläche während einer Störung des Steuerflächenbetätigungssystems schwenkt; und

    Verwenden einer Ersatzhilfsklappenbetätigungsvorrichtung, um die Hilfsklappe während der Störung derart schwenkend zu bewegen, dass die Hilfsklappe als Ministeuerfläche für das Flugzeug wirkt.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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