[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen hydraulischen Stellantrieb, insbesondere für
die Blattwinkelsteuerung eines Hubschraubers, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
[0002] Bei bekannten hydraulischen Stellantrieben dieser Art wie sie etwa in Verbindung
mit Hubschraubern als Hauptantriebe zur Rotorblatt-Winkelverstellung, aber auch als
Kraftverstärker in Steuersignal-Übertragungsstrecken Verwendung finden, erfolgt die
Ventilrücksteuerung über ein dem Ventilschieber vorgeschaltetes Mischgetriebe, auf
das einerseits die Stellkommandos und andererseits hierzu gegensinnig über eine mechanische
Verbindung zum Stellkolben die Ausgangsbewegungen des Aktuators einwirken. Derartige
Stellantriebe besitzen ein relativ großes Einbauvolumen und Baugewicht, was gerade
bei Hubschraubern mit häufig beengten Platzverhältnissen und strikten Gewichtsanforderungen
von Nachteil ist, zumal dort zumeist eine Vielzahl derartiger Stellantriebe benötigt
wird. Hinzu kommt, daß das Mischgetriebe aus Gründen eines exakten Steuerverhaltens
in herstellungsmäßig aufwendiger Präzisionsbauweise ausgebildet werden muß.
[0003] Ferner sind hydraulische Stellantriebe bekannt, bei denen der Aktuatorkolben feststeht,
das Gehäuse des Aktuators hingegen zusammen mit dem Servoventilgehäuse verschieblich
angeordnet ist. Hierdurch ist zwar ein Mischgetriebe für die Ventilrücksteuerung entbehrlich,
stattdessen muß aber infolge der verschieblichen Anordnung des gemeinsamen Aktuator-/Ventilgehäuses
ein vermehrter Lageraufwand und ein erhöhtes Einbauvolumen und Baugewicht des Stellantriebs
in Kauf genommen werden.
[0004] Aufgabe der Erfindung ist es, den hydraulischen Stellantrieb der eingangs genannten
Art so auszubilden, daß eine wesentliche konstruktive Vereinfachung erzielt und ein
problemloser Einbau auch unter beengten Platzverhältnissen ermöglicht wird.
[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den im Patentanspruch 1 gekennzeichneten
Stellantrieb gelöst.
[0006] Erfindungsgemäß wird durch die beanspruchte Einbeziehung des Servoventils in die
ohnehin benötigte Kolbenstange des Aktuator-Stellkolbens der sonst für das Servoventil
zusätzlich erforderliche Einbauraum eingespart und zugleich eine unmittelbare, mischgetriebefreie
Signalrückführung vom Aktuator zum Servoventil erreicht. Hierdurch wird gegenüber
den üblichen, mischgetriebefreien Ventilrücksteuerungen mit verschieblich angeordnetem
Aktuatorgehäuse weiterer Einbauraum gewonnen und der Bau- und Gewichtsaufwand merklich
verringert. Der erfindungsgemäße Stellantrieb eignet sich daher aufgrund seiner kompakten,
konstruktiv einfachen Gestaltung insbesondere für Anwendungsfälle, die - wie etwa
bei Hubschrauber-Blattwinkelsteuerungen - hinsichtlich Platzbedarf und Baugewicht
strengen Anforderungen unterliegen.
[0007] In weiterer, besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird die Steuerung
der Arbeitskammer zur Hydraulikdruckquelle und zum Rücklauf gemäß Anspruch 2 über
zwei mechanisch voneinander getrennte Ventile, nämlich zum einen das Servoventil und
zum anderen ein diesem nachlaufend in Abhängigkeit vom Arbeitskammerdruck umschaltendes
Steuerventil bewirkt. Hierdurch wird eine weitere herstellungsmäßige Vereinfachung
erreicht: Während nämlich bei Verwendung eines einzelnen, sowohl zur Rücklauf- als
auch zur Druckzufuhrsteuerung vorgesehenen Servoventils der gegenseitige Abstand der
jeweiligen Ventilsteuerkanten in äußerst engen Toleranzen gehalten werden muß, entfällt
bei der Doppelventilanordnung nach Anspruch 2 infolge der fehlenden mechanischen Zwangsverkoppelung
der Druckzufuhr- und der Rücklauf-Ventilsteuerkanten die Notwendigkeit einer hinsichtlich
ihres gegenseitigen Abstandes hochgenauen Steuerkantenfertigung, so daß die Ventilherstellung
wesentlich vereinfacht und die Störanfälligkeit und Verschleißempfindlichkeit der
Ventilanordnung deutlich reduziert werden.
[0008] Gemäß einem weiteren wesentlichen Aspekt der Erfindung ist das in den Kolbenabschnitt
einbezogene Servoventil gemäß Anspruch 3 als Drehschieberventil mit einer bezüglich
der Stellkolben-Verschiebeachse schräg geneigten Steuerkante ausgebildet. Auf diese
Weise läßt sich - anders als bei den bekannten, mischgetriebefreien Ventilrücksteuerungen,
bei denen das Übersetzungsverhältnis des Stellantriebs zwischen der Eingangsbewegung
des Ventilschiebers und der Ausgangsbewegung des Hydraulikaktuators stets auf Eins
festgelegt ist - durch entsprechende Wahl des Neigungswinkels der Steuerkante eine
irgend erwünschte Übersetzungscharakteristik des Stellantriebs erzielen. Um dabei
mit dem Servoventil mehrere Arbeitskammern des Aktuators steuern zu können, ist die
eine Steuerfläche des Servoventils gemäß Anspruch 4 vorzugsweise mit zwei Steuerkanten
in Form eines in der Sperrlage des Servoventils durch die Gegenfläche verschlossenen,
schräg zur Ventillängsrichtung verlaufenden Steuerschlitzes versehen. Eine in diesem
Zusammenhang besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht gemäß Anspruch
5 darin, daß die Steuerkante bzw. der Steuerschlitz bezüglich der Kolbenachse ungleichförmig
geneigt verläuft. Infolgedessen läßt sich nicht nur eine irgend erwünschte lineare,
sondern auch praktische jede beliebige nichtlineare Übersetzungscharakteristik des
Stellantriebs realisieren, insbesondere auch eine solche, bei der der Stellantrieb
in der Hubmitte des Aktuators auf die Steuerkommandoeingaben sehr feinfühlig reagiert,
also das Übersetzungsverhältnis kleiner als Eins ist, während zu den Hubenden hin
der Neigungswinkel der Steuerkante bzw. des Steuerschlitzes bezüglich der Kolbenachse
abnimmt und dementsprechend das Übersetzungsverhältnis progressiv ansteigt. Eine solche
progressive Übersetzungscharakteristik wird vor allem im Zusammenhang mit pilotengesteuerten
Blattwinkelverstelleinrichtungen von Hubschraubern angestrebt.
[0009] Bei einem Stellantrieb mit einem doppelt wirkenden Hydraulikaktuator wird gemäß Anspruch
6 als Servoventil vorzugsweise ein ausgangsseitig mit beiden Arbeitskammern verbundenes
Dreistellungsventil in die Kolbenstange des Aktuators integriert.
[0010] Ferner ist es möglich, den erfindungsgemäßen Stellantrieb nur zeitweise zu aktivieren,
ansonsten aber den Aktuator unabhängig von den ventilschieberseitigen Steuerkommandoeingaben
freigängig zu schalten, etwa bei Verwendung des Stellantriebs in redundanter Anordnung
zusammen mit weiteren, gleichartigen Stellantrieben oder wenn die Steuerkommandos
normalerweise über eine Fly-by-wire-Steuerung übertragen werden und der kraftverstärkende
Steuerkommandopfad über den Stellantrieb nur hilfsweise bei Ausfall der Fly-by-wire-Steuerung
benötigt wird. Zu diesem Zweck ist gemäß Anspruch 7 vorzugsweise ein zum Freigängigschalten
des Stellantriebs selektiv von einer Schließ- in eine Öffnungslage umsteuerbares Bypaßventil
zwischen den Arbeitskammern des Aktuators vorgesehen. Gemäß Anspruch 8 schließlich
enthält das Bypaßventil vorzugsweise eine zusätzliche Ventilstufe, die die Druckzufuhr
zu beiden Arbeitskammern sperrt, wenn diese über das Bypaßventil hydraulisch miteinander
verbunden sind, also der Aktuator freigeschaltet ist. Auf diese Weise wird verhindert,
daß Steuerkommandos, die weiterhin am Ventilschieber eingegeben werden, auf dem Wege
über die miteinander verbundenen Arbeitskammern einen hydraulischen Kurzschluß zwischen
der Druckmittelquelle und dem Rücklauf verursachen können.
[0011] Die Erfindung wird nunmehr anhand zweier Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schematisierter Darstellung:
- Fig. 1
- eine teilweise geschnittene Ansicht eines hydraulischen Stellantriebs gemäß einer
ersten Ausführungsform der Erfindung;
- Fig. 2
- eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels; und
- Fig. 3
- einen vergrößerten Schnitt längs der Linie I-I der Fig. 2.
[0012] Der in Fig. 1 gezeigte hydraulische Stellantrieb enthält als Hauptbestandteile einen
Hydraulikaktuator 2 und ein Servoventil 4. Der Hydraulikaktuator 2 ist ein doppelt
wirkender Linearantrieb, bestehend aus einem feststehenden Hydraulikzylinder 6 und
einem diesen in die Arbeitskammern 8 und 10 unterteilenden Stellkolben 12 mit einer
sich beidseitig des Stellkolbens 12 erstreckenden, am einen Ende mit dem Ausgang 14
des Stellantriebs versehenen Kolbenstange 16.
[0013] Die Kolbenstange 16 ist so ausgebildet, daß sie einen Bestandteil des Servoventils
4 bildet und enthält zu diesem Zweck eine zentrale, in Axialrichtung des Stellkolbens
12 verlaufende Aufnahmebohrung 18, in der der steuerkommandobetätigte Ventilschieber
20 des Servoventils 4 dichtend und gleitend verschieblich geführt ist. Im Ventilschieber
20 befindet sich ein Hydraulikkanal 22, der an eine flexible, zum Rücklauf R führende
Hydraulikleitung 24 angeschlossen und zu einer Umfangsnut 26 an der mit der Innenfläche
28 der Kolbenstange 16 zusammenwirkenden Steuerfläche 30 des Ventilschiebers 20 geöffnet
ist. Der arbeitskammerseitige Ventilauslaß besteht aus zwei seitlich an die Umfangsnut
26 angrenzenden Steueröffnungen 32 und 34 an der Innenfläche 28, die den Kolbenstangenabschnitt
16 durchsetzen und jeweils unmittelbar neben dem Stellkolben 12 in die Arbeitskammer
8 bzw. 10 münden.
[0014] Auf seiten der Druckquelle P enthält der Stellantrieb ein solenoidbetätigtes, zweistufiges
Bypaßventil 36, welches in der gezeigten Ventilstellung die Druckzufuhrleitung 38
freigibt und die Anschlußleitungen 40 und 42 zu den Arbeitskammern 8 bzw. 10 voneinander
trennt, sowie ein zwischen der Druckzufuhrleitung 38 und den Anschlußleitungen 40
und 42 wirkendes Steuerventil 44, welches nachlaufend zum Servoventil 4 in Abhängigkeit
von der Druckdifferenz zwischen den Arbeitskammern 8, 10 umschaltet und bei einem
Druckgleichgewicht der Arbeitskammern 8, 10 die Mittelstellung einnimmt, in der es
den Hydraulikzustrom zu den Arbeitskammern 8, 10 unterbindet.
[0015] Befindet sich der Ventilschieber 20 bezüglich der Kolbenstange 16 in der gezeigten
Neutralstellung, so sind beide Steueröffnungen 32, 34 und folglich auch die Arbeitskammern
8, 10 zum Rücklauf R gesperrt. Das Druckniveau in den Arbeitskammern 8, 10 ist gleich
groß, und der Arbeitskolben 12 verbleibt in seiner Stellung. Wird jedoch (über ein
nicht gezeigtes Steuergestänge) auf die Eingangsseite 46 des Ventilschiebers 2 ein
Stellkommando z.B. im Sinne der Fig. 1 nach rechts eingegeben, so wird die Steueröffnung
32 durch die Umfangsnut 26 aufgesteuert und somit die Arbeitskammer 8 über den Hydraulikkanal
22 und die Rücklaufleitung 24 drucklos geschaltet, während die Steueröffnung 34 und
somit auch die Arbeitskammer 10 weiterhin durch den Ventilschieber 20 vom Rücklauf
R getrennt bleiben. Unter der Wirkung des hydraulischen Ungleichgewichts zwischen
den Arbeitskammern 8 und 10 schaltet das Steuerventil 44 in die rechte Schaltstellung
um, in der es die Arbeitsdruckleitung 38 von der Anschlußleitung 40 vollständig trennt
und die Druckmittelzufuhr über die Anschlußleitung 42 zur Arbeitskammer 10 freigibt.
Somit verfährt der Stellkolben 12 mit der Kolbenstange 16 und dem Stellantrieb-Ausgang
14 nach rechts. Hierdurch wird zugleich das Servoventil 4 zurückgesteuert, bis die
Steueröffnung 32 die Seitenkante der Umfangsnut 26 in entgegengesetzter Richtung überwandert
und beide Arbeitskammern 8 und 10 wieder vom Rücklauf R getrennt sind. Der Stellantrieb
verbleibt in dieser Position, bis der Ventilschieber 20 durch ein Steuerkommando erneut
relativ zur Kolbenstange 16 verstellt wird, z.B. im Sinne der Fig. 1 nach links, woraufhin
sich der oben beschriebene Vorgang in umgekehrter Richtung wiederholt. Auf diese Weise
werden die Steuerkommandoeingaben kraftverstärkt am Ausgang 14 des Stellantriebs -
etwa im Rahmen einer nicht gezeigten Hubschrauber-Blattwinkelsteuerung - weitergegeben,
und zwar mit einem Übersetzungsverhältnis von Eins, d.h. eine Steuerkommandoeingabe
wird vom Stellantrieb in eine gleich große, kraftverstärkte Ausgangsbewegung umgesetzt.
[0016] Das Bypaßventil 36 dient dazu, den Stellantrieb freizuschalten, wenn dieser beispielsweise
zusammen mit weiteren, gleichartigen Stellantrieben in redundanter Anordnung Verwendung
findet oder als Kraftverstärker im Zuge einer mechanischen, parallel zu einer normalerweise
aktivierten Fly-by-wire-Steuerung wirkenden Signalübertragungsstrecke angeordnet und
nur hilfsweise bei einer Funktionsstörung der Fly-by-wire-Steuerung aktiviert werden
muß. Durch Umschalten des Bypaßventils 36 wird die Druckzufuhrleitung 38 vom Steuerventil
44 getrennt und die Arbeitskammern 8, 10 werden hydraulisch kurzgeschlossen. Hierdurch
wird der Ausgang 14 des Stellantriebs vom Steuerkommandoeingang 46 entkoppelt und
die Kolbenstange 16 ist freigängig verstellbar, unabhängig davon, ob und in welcher
Größe Steuerkommandos auf den Ventilschieber 20 gegeben werden.
[0017] Der Stellantrieb nach den Fig 2 und 3, wo die dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechenden
Bauelemente durch ein um 100 erhöhtes Bezugszeichen gekennzeichnet sind, unterscheidet
sich von diesem hauptsächlich dadurch, daß er sich mit einer weitgehend beliebigen,
gewünschtenfalls auch nicht-linearen Übersetzungscharakteristik ausführen läßt. Zu
diesem Zweck ist der Ventilschieber 120 in der Aufnahmebohrung 118 der Kolbenstange
116 und zusätzlich an einer Lagerabstützung 48 drehbar angeordnet, während der Stellkolben
112 zusammen mit der Kolbenstange 116 über ein Gestänge 50 linear verschieblich, aber
drehfest am Hydraulikzylinder 106 geführt ist. Das Eingangsglied 146 besteht aus einem
Kipphebel, über den der Ventilschieber 120 nach Maßgabe der Steuerkommandoeingaben
bezüglich der Kolbenstange 116 drehpositioniert wird.
[0018] In der Steuerfläche 130 des Ventilschiebers 120 ist anstelle einer Umfangsnut (Fig.
1) ein in Axialrichtung des Ventilschiebers 120 schräg verlaufender Steuerschlitz
52 mit seitlichen Ventilsteuerkanten 54 und 56 ausgebildet. Die kolbenstangenseitige
Steuerfläche 128 enthält zwei nierenförmig in den Stellkolben 112 hineinreichende
Hydraulikkammern 58, 60 geringer Axialbreite, die jeweils über eine Hydrauliköffnung
132 bzw. 134 im Stellkolben 112 mit der Arbeitskammer 108 bzw. 110 in Verbindung stehen
und voneinander durch einen Mittelsteg 62 an der Steuerfläche 128 getrennt sind, welcher
in der in Fig. 3 gezeigten Neutralstellung des Servoventils 104 den Steuerschlitz
52 überdeckt und dadurch beide Arbeitskammern 108 und 110 vom Rücklauf R trennt. Wird
jedoch der Ventilschieber 120 infolge einer Steuerkommandoeingabe verdreht, so wird
- je nach Drehrichtung - die eine oder andere Steuerkante 54 oder 56 aufgesteuert
und die entsprechende Arbeitskammer 108 oder 110 mit dem Rücklauf R verbunden, während
die jeweils andere Arbeitskammer zum Rücklauf R gesperrt bleibt und über das nunmehr
in gleicher Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel umschaltende Steuerventil 144
mit einem ungehinderten Druckmittelzustrom beaufschlagt wird. Die daraufhin einsetzende
Linearbewegung des Stellkolbens 112 wirkt unmittelbar auf das Servoventil 104 zurück,
bis sich der Kolbenstangenabschnitt 116 relativ zum Ventilschieber 120 soweit axial
verschoben hat, daß der Steuersteg 62 den Steuerschlitz 52 überwandert und erneut
beide Steuerkanten 54 und 56 von den Hydraulikkammern 58, 60 getrennt werden, woraufhin
der Hydraulikaktuator 102 in der neuen Position zum Stillstand kommt.
[0019] Das Übersetzungsverhältnis ist abhängig von der Neigung des Steuerschlitzes 52 bezüglich
der Servoventilachse. Ist der Steuerschlitz 52 flach geneigt, so ergibt eine relativ
kleine Winkelverstellung des Eingangshebels 146 eine vergleichsweise große Ausgangsbewegung
des Aktuators 102, und umgekehrt. Auf diese Weise läßt sich der Stellantrieb mit einer
irgend erwünschten Übersetzungscharakteristik ausbilden, einschließlich einer nicht-linearen,
derart daß der Steuerschlitz 52 nicht mit einem gleichbleibenden Neigungswinkel, sondern
gebogen mit einem sich in Schlitzlängsrichtung ändernden Neigungswinkel ausgebildet
wird. Soll der Stellantrieb z.B. in Verbindung mit einer Rotorblattwinkelsteuerung
in der Mittelstellung des Stellkolbens 112 sehr feinfühlig auf die Steuerkommandoeingaben
reagieren, das Übersetzungsverhältnis zu den Hubenden hin aber steil ansteigen, so
muß der Steuerschlitz 52 gegenüber der Ventil-Längsachse in der Schlitzmitte relativ
stark geneigt, zu den Schlitzenden hin aber zunehmend flacher verlaufen.
[0020] Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ferner beidseitig des Steuernventils 144 jeweils
ein sich zur Anschlußleitung 140 bzw. 142 öffnendes Rückschlagventil 64 bzw. 66 vorgesehen.
Hierdurch wird erreicht, daß der Stellkolben 112 hydraulisch verriegelt wird, wenn
am Ausgang 114 eine die maximale Stell- oder Haltekraft des Aktuators 102 übersteigende
Außenlast angreift. Im übrigen ist die Bau- und Funktionsweise des Stellantriebs gemäß
den Fig. 2 und 3 die gleiche wie beim ersten Ausführungsbeispiel.
1. Hydraulischer Stellantrieb, insbesondere für die Blattwinkelsteuerung eines Hubschraubers,
mit einem Hydraulikaktuator mit mindestens einer stellkolbenbegrenzten Arbeitskammer
und einem die Arbeitskammer selektiv mit der Hydraulikdruckquelle bzw. dem Rücklauf
verbindenden Servoventil mit einem steuerkommandobetätigten Ventilschieber und einer
die Ventilstellung entsprechend der Stellkolbenbewegung gegensinnig zur Steuerkommandoeingabe
beeinflussenden Ventil-Rücksteuerung,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Stellkolben (12, 112) des Hydraulikaktuators (2,102) einen zusammen mit dem Ventilschieber
(20, 120) das Servoventil (4, 104) einschließlich der Ventil-Rücksteuerung bildenden
Kolbenabschnitt (16, 116) enthält und dieser mit einem im Bereich des Stellkolbens
in die Arbeitskammer (8, 10, 108, 110) mündenden Ventilauslaß (32, 34) versehen ist.
2. Hydraulischer Stellantrieb nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Hydraulikdruckquelle (P) und der Rücklauf (R) über voneinander getrennte Hydraulikleitungen
(40, 42, 140, 142 bzw. 22, 24, 122, 124) an die Arbeitskammer (8, 10, 108, 110) angeschlossen
sind und im Zuge der einen Hydraulikleitung das durch den Kolbenabschnitt (16, 116)
gebildete Servoventil (4, 104) angeordnet, während in der anderen Hydraulikleitung
ein dem Servoventil nachlaufend in Abhängigkeit vom Druckniveau in der Arbeitskammer
gesteuertes, gegensinnig zum Servoventil umschaltendes Steuerventil (44, 144) vorgesehen
ist.
3. Hydraulischer Stellantrieb nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Kolbenabschnitt (116) verschieblich, aber drehfest geführt und der Ventilschieber
(120) als entsprechend den Steuerkommandoeingaben drehpositionierter Drehschieber
ausgebildet ist und zumindest eine der zwischen Kolbenabschnitt und Drehschieber wirkenden
Ventilsteuerflächen (128, 130) eine bezüglich der Kolbenachse schräg verlaufende Steuerkante
(54, 56) aufweist.
4. Hydraulischer Stellantrieb nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet daß
die drehschieberseitige Steuerfläche (130) einen in der Sperrlage des Servoventils
(104) durch die kolbenseitige Steuerfläche (128) verschlossenen, steuerkantenbildend
schräg zur Schieberlängsrichtung verlaufenden Steuerschlitz (52) aufweist.
5. Hydraulischer Stellantrieb nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Steuerkante (54, 56) bzw. der Steuerschlitz (52) bezüglich der Kolbenachse ungleichförmig
geneigt verläuft.
6. Hydraulischer Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem doppelt
wirkenden Hydraulikaktuator,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Servoventil (4, 104) als in die Kolbenstange (16, 116) integriertes Mehrwegeventil
zur Druckmittelsteuerung beider Arbeitskammern (8, 10, 108, 110) des Aktuators (2,
102) ausgebildet ist.
7. Hydraulischer Stellantrieb nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen den Arbeitskammern (8, 10, 108, 110) des Aktuators (2, 102) eine Hydraulikverbindung
mit einem zum Freigängigschalten des Aktuators von einer Schließ- in eine Öffnungslage
umsteuerbaren Bypaßventil (36, 136) vorgesehen ist.
8. Hydraulischer Stellantrieb nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Bypaßventil (36, 136) eine die Druckzufuhr (38, 138) zu den beiden Arbeitskammern
(8, 10, 108, 110) in der Freischaltstellung des Aktuators (2, 102) sperrende Ventilstufe
enthält.