DE102008028866B4

DE102008028866B4 - Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung für einen Helikopter

Info

Publication number: DE102008028866B4
Application number: DE200810028866
Authority: DE
Inventors: Markus Christmann; Boris Dr. Grohmann; Peter Dr. Jänker
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2008-06-19
Filing date: 2008-06-19
Publication date: 2011-04-07
Anticipated expiration: 2028-06-20
Also published as: DE102008028866A1; WO2009153236A3; WO2009153236A2

Abstract

Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung für einen Helikopter, umfassend:
einen Basisteil (10),
einen beweglichen Teil (20),
eine Aktuatoranordnung (30),
wobei der Basisteil mit einem Rumpf (4) eines Helikopters (2) verbindbar ist,
wobei der bewegliche Teil mit einer um eine Rotationsachse (41) drehbare Taumelscheibe (5) eines Helikopters verbindbar ist,
wobei der bewegliche Teil und der Basisteil durch die Aktuatoranordnung miteinander mechanisch bewegbar gekoppelt sind,
wobei der bewegliche Teil mit Bezug auf den Basisteil wenigstens einen ersten Freiheitsgrad (51), einen zweiten Freiheitsgrad (54) und einen dritten Freiheitsgrad (56) aufweist,
wobei der erste Freiheitsgrad ein translatorischer Freiheitsgrad in Richtung der Rotationsachse ist,
wobei der zweite Freiheitsgrad ein rotatorischer Freiheitsgrad um eine erste Kippachse (43) quer zur Rotationsachse ist,
wobei der dritte Freiheitsgrad ein rotatorischer Freiheitsgrad um eine zweite Kippachse (45) quer zu der ersten Kippachse und quer zu der Rotationsachse ist,
wobei die Aktuatoranordnung wenigstens vier...

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Betätigungsvorrichtung für eine Taumelscheibe eines Helikopters sowie einen Helikopter mit einer derartigen Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung und ein Verfahren zur Betätigung einer Taumelscheibe für einen Helikopter.
Hintergrund der Erfindung
Um bei einem Helikopter die unterschiedlichen Bewegungsrichtungen aufwärts/abwärts, rechts/links sowie vorwärts/rückwärts mittels eines einzigen Rotors vornehmen zu können, ist es notwendig, die Rotorblätter sowohl zyklisch als auch kollektiv zu verstellen. Um diese Verstellung der Rotorblätter vornehmen zu können, wird eine so genannte Taumelscheibe eingesetzt, die durch entsprechende axiale Verstellung bzw. Verkippung z. B. Hebel betätigt, die einzelne Rotorblätter zyklisch oder kollektiv verstellen. Die Verschiebung bzw. die Kippung der Taumelscheibe erfolgt über eine Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung. In bekannten Helikoptern wird zu diesem Zweck eine Aktuatoranordnung verwendet, die drei Aktuatoren aufweist, die in der Lage sind, die Taumelscheibe sowohl axial in Richtung der Rotationsachse zu verstellen, als auch die Taumelscheibe um zwei senkrechte zueinander verlaufende Kippachsen zu verkippen. Diese Aktuatoren sind in der Vergangenheit durch hydraulische Aktuatoren realisiert worden, die eine verhältnismäßig hohe Zuverlässigkeit aufweisen, jedoch Probleme hinsichtlich der Verwendung eines Hydrauliköls unter ökologischen Gesichtspunkten mit sich bringen sowie einen verhältnismäßig hohen Wartungsaufwand. Ferner ist bei derartigen Aktuatoren festgestellt worden, dass sie zwar insgesamt eine sehr hohe Zuverlässigkeit aufweisen, aber dennoch eine Leckage aufweisen können, die zwar nicht zum Totalausfall des Aktuators führt, jedoch Verschmutzungen und eine Verschlechterung der Performance des Aktuators zur Folge hat.
In neuester Zeit hat es Bestrebungen gegeben, alternative Aktuatoren einzusetzen, und zwar derartige, die auf einem elektromechanischen Prinzip beruhen. Derartige Aktuatoren weisen aufgrund ihrer elektrischen Betätigung in der Regel kein Verschmutzungspotential auf und können verhältnismäßig einfach realisiert werden. Dabei hat sich jedoch gezeigt, dass derartige Aktuatoren bei bestimmten Konfigurationen keine mit Hydraulikaktuatoren vergleichbare hohe Zuverlässigkeit erreichen.
Aus DE 29 41 258 A1 ist beispielsweise eine Taumelscheiben-Steuerung für einen Hubschrauberrotor bekannt mit einer Mehrzahl von Aktuatoren, wobei ein Sensorabgriff vorgesehen ist, um eine Betätigung einer Betätigungsvorrichtung in Steuerungsimpulse für die Aktuatoren umzusetzen.
Zusammenfassung der Erfindung:
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine mit einfacheren Aktuatoren betätigte zuverlässigere Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung, einen damit versehenen Helikopter, sowie ein zugehöriges Verfahren anzugeben, wodurch eine ordnungsgemäße Funktion auch bei Ausfall eines Aktuators aufrecht erhalten wird.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Im Zusammenhang mit dieser Erfindung werden die folgenden Begrifflichkeiten mit ihrer zugehörigen Bedeutung verwendet.
Mit „quer” zu einer Achse ist über die dem Fachmann geläufige Bedeutung hinaus eine Richtung gemeint, die eine betreffende Achse schneidet, jedoch nicht zwingend im rechten Winkel.
Mit „elektromechanische Betätigung” ist über die dem Fachmann geläufige Bedeutung hinaus eine elektrische Betätigung gemeint, die eine mechanische Wirkung erzeugt, wie z. B. ein Elektromotor. Die mechanische Betätigung kann durch Getriebe auch unter- oder übersetzt werden, ebenso wie richtungsmäßig umgelenkt werden.
Mit „freilaufender Aktuator” ist über die dem Fachmann geläufige Bedeutung hinaus ein Aktuator gemeint, der im Wesentlichen keine aktive Kraft ausübt und sich bei Kraftausübung in Betätigungsrichtung selbst nachgiebig verhält, auch „free wheel” genannt. Ungeachtet des Freilaufes kann dabei eine gewisse Reibung oder Dämpfung im Aktuator vorliegen.
Mit „feststehender Aktuator” ist über die dem Fachmann geläufige Bedeutung hinaus ein Aktuator gemeint, der im Wesentlichen keine Bewegung bzw. Positionsänderung ausführt und Zug- bzw. Druckkräfte in Betätigungsrichtung aufnimmt, auch „jam” genannt. Ungeachtet des Feststehens kann dabei ein geringes Spiel oder eine Bewegung nur unter hoher Kraftaufwendung im Aktuator vorliegen.
Mit „statischer Fehler” ist über die dem Fachmann geläufige Bedeutung hinaus ein Zustand eines Aktuators gemeint, der als ungewollt freilaufender Aktuator oder als ungewollt feststehender Aktuator im Sinne der vorgenannten Definitionen aufzufassen ist.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung für einen Helikopter bereitgestellt, umfassend einen Basisteil, einen beweglichen Teil und eine Aktuatoranordnung, wobei der Basisteil mit einem Rumpf eines Helikopters verbindbar ist, wobei der bewegliche Teil mit einer um eine Rotationsachse drehbaren Taumelscheibe eines Helikopters verbindbar ist, wobei der bewegliche Teil und der Basisteil durch die Aktuatoranordnung miteinander mechanisch bewegbar gekoppelt sind, wobei der bewegliche Teil mit Bezug auf den Basisteil wenigstens einen ersten Freiheitsgrad, einen zweiten Freiheitsgrad und einen dritten Freiheitsgrad aufweist, wobei der erste Freiheitsgrad ein translatorischer Freiheitsgrad in Richtung der Rotationsachse ist, wobei der zweite Freiheitsgrad ein rotatorischer Freiheitsgrad um eine erste Kippachse quer zur Rotationsachse ist, wobei der dritte Freiheitsgrad ein rotatorischer Freiheitsgrad um eine zweite Kippachse quer zu der ersten Kippachse und quer zu der Rotationsachse ist, wobei die Aktuatoranordnung wenigstens vier elektromechanischen Aktuatoren aufweist, wobei die Lage der Aktuatoren so angeordnet ist, dass wenigstens ein Aktuator einen statischen Fehler aufweisen kann ohne Einbuße des ersten, zweiten und dritten Freiheitsgrades.
Eine Taumelscheibenbetätigung weist insgesamt wenigstens drei Freiheitsgrade auf, einen translatorischen Freiheitsgrad bezüglich der Rotationsachse und jeweils einen rotatorischen Freiheitsgrad bezüglich der beiden Kippachsen. Die sich bezüglich der Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung drehende Taumelscheibe selbst weist ferner noch einen rotatorischen Freiheitsgrad um die Rotationsachse auf. Die Kippachsen stehen oft senkrecht in Bezug auf die Rotationsachse und auch senkrecht zueinander, dies ist jedoch nicht zwingend so. Die Achsen dürfen lediglich nicht parallel zueinander liegen, da sie dann nicht mehr die notwendige Anzahl von unterschiedlichen Freiheitsgraden erlauben. Der bewegliche Teil, ebenso wie der Basisteil, dreht sich in der Regel nicht mit dem Rotor. Die Taumelscheibe kann drehbar an dem beweglichen Teil befestigt sein, was jedoch für das Wesen der Erfindung nicht erheblich ist. Der bewegliche Teil kann selbst bezüglich des Rumpfes eines Helikopters in Abhängigkeit der notwendigen Freiheitsgrade durch gesonderte Halterungen und Lager beweglich gelagert sein, kann jedoch auch nur durch die Aktuatoren gelagert bzw. gehalten sein. Der bewegliche Teil kann insbesondere mittels eines Lagers quer zur Rotationsachse derart abgestützt sein, dass bezüglich der translatorischen Freiheitsgrade quer zur Rotationsachse eine Festlegung erfolgt, jedoch eine Verschiebung entlang des translatorischen Freiheitsgrades entlang der Rotationsachse ermöglicht wird.
Im Vergleich zu bislang verwendeten hydraulischen Aktuatoren sind elektromechanische Aktuatoren wesentlich weniger aufwendig, da sie keine ökologisch problematischen Leckageprobleme aufweisen und darüber hinaus keine aufwendigen Sekundäraggregate wie Ölpumpen etc benötigen. Ferner ist die Energieübertragung von elektrischer Energie wesentlich einfacher als die der Öldruckenergie. Jedoch können derartige elektromechanische Aktuatoren eine geringere Zuverlässigkeit bzw. höhere Ausfallwahrscheinlichkeit aufweisen als hydraulische Aktuatoren. Aus diesem Grund ist es aus Gründer der Sicherheit notwendig die geringere Zuverlässigkeit durch ein intelligentes Redundanzkonzept aufzufangen. Zu diesem Zweck werden anstelle der bislang erforderlichen drei hydraulischen Aktuatoren nun wenigstens vier elektromechanische Aktuatoren eingesetzt. Die Anordnung der Aktuatoren ist so gewählt, dass bei einem Ausfall eines Aktuators die verbleibenden Aktuatoren dessen Funktion übernehmen können. Der Ausfall eines Aktuators kann ein Blockieren, so genannter „jam”, oder ein Freilaufen ohne Antrieb, so genannter „free wheel” sein. Es können jedoch auch andere Fehlerfälle auftreten. Als Beispiel für weitere denkbare Fehlerfälle ist es möglich, dass ein Aktuator aufgrund von Störungen unkontrollierte Bewegungen ausführt und/oder Kräfte erzeugt, so genannter „powered runaway”. Die Anordnung der Aktuatoren kann unter anderem davon abhängig sein, welcher Ausfall vorliegt oder als wahrscheinlicher erachtet wird. Auf diese Weise kann ein redundantes System für eine Betätigung einer Taumelscheibe für einen Helikopter bereitgestellt werden, bei dem gegenüber hydraulischen Aktuatoren wesentlich günstigere elektromechanische Aktuatoren eingesetzt werden können.
Die Aktuatoren können dabei elongierende Aktuatoren sein, beispielsweise mit einer durch einen Elektromotor hervorgerufenen Drehbewegung, die durch ein Schneckengetriebe in eine Linearbewegung umgesetzt wird. Selbstverständlich sind auch andere Linearantriebe wie z. B. Planetenrollengewindetriebe, Kugelgewindetriebe (Kugelgewindespindel), Rollengewindetriebe denkbar. Auch ist ein Drehaktuator denkbar, der beispielsweise mit Hilfe eines Exzenters oder Hebels eine Verstellbewegung ausführt, ein so genannter „rotary actuator”.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist der bewegliche Teil in Bezug auf den Basisteil in Bezug auf einen rotatorischen Freiheitsgrad um die Rotationsachse festgebremst, derart, dass ein statischer Fehler eines Aktuators in Form eines freilaufenden Aktuators durch die verbleibenden Aktuatoren kompensierbar ist.
Auf diese Weise wird die Anzahl der Freiheitsgrade eingeschränkt und eine Bewegung des beweglichen Teils der Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung eingeschränkt. Die Ansteuerung der Aktuatoren außerhalb des Fehlerfalls erfolgt derart synchronisiert, dass das eigentlich durch vier Aktuatoren überbestimmte System mit drei Freiheitsgraden einwandfrei funktioniert. Im Fall eines ausgefallenen freilaufenden Aktuators ist das System nicht mehr überbestimmt und die verbleibenden drei Aktuatoren bestimmen das System mit drei Freiheitsgraden jetzt eindeutig. Voraussetzung dafür ist jedoch, dass der bewegliche Teil keine weiteren Freiheitsgrade aufweist, er also insbesondere bezüglich der Rotationsachse festgebremst ist.
Für diesen Fall kann der Basisteil eine der Anzahl der Aktuatoren entsprechende Anzahl von Aktuatoraufnahmen aufweisen, die entlang einer konzentrisch zur Rotationsachse verlaufenden Kreislinie angeordnet sind, wobei der bewegliche Teil eine der Anzahl der Aktuatoren entsprechende Anzahl von Aktuatoraufnahmen aufweist, wobei der Winkelabstand jeweils zweier benachbarter Aktuatorenaufnahmen an dem Basisteil dem Winkelabstand zugehöriger Aktuatoraufnahmen an dem beweglichen Teil entspricht.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung weist der bewegliche Teil in Bezug auf den Basisteil einen rotatorischen Freiheitsgrad um die Rotationsachse auf, sodass ein statischer Fehler eines Aktuators in Form eines feststehenden Aktuators durch die verbleibenden Aktuatoren kompensierbar ist.
Auf diese Weise wird ein System bereitgestellt, dass einen Ausfall eines Aktuators auch dann kompensieren kann, wenn der Aktuator feststeht, also bezüglich seiner eigentlichen Betätigungs- und Bewegungsrichtung nunmehr starr ist. Der feststehende Aktuator nähme dem um die Rotationsachse festgebremsten System jetzt zwar den ursprünglichen translatorischen Freiheitsgrad bezüglich der Rotationsachse, jedoch wird dieser kompensiert durch den jetzt zusätzlich vorhandenen rotatorischen Freiheitsgrad um die Rotationsachse, wodurch sich der bewegliche Teil jetzt wieder in Richtung der Rotationsachse bewegen kann, und zwar auf einer Schraubenlinie, die durch den starren Aktuator vorgegeben wird.
Für diesen Fall kann der Basisteil eine der Anzahl der Aktuatoren entsprechende Anzahl von Aktuatoraufnahmen aufweisen, die entlang einer konzentrisch zur Rotationsachse verlaufenden Kreislinie angeordnet sind, wobei der bewegliche Teil eine der Anzahl der Aktuatoren entsprechende Anzahl von Aktuatoraufnahmen aufweist, wobei der Winkelabstand jeweils zweier benachbarter Aktuatoraufnahmen an dem Basisteil verschieden ist von dem Winkelabstand zugehöriger Aktuatoraufnahmen an dem beweglichen Teil. Auf diese Weise wird eine Verschränkung der Aktuatoren bzw. eine Verkippung bzw. Neigung der Aktuatoren gegeneinander erreicht, die eine Drehung des beweglichen Teils gegenüber dem Basisteil bezüglich der Rotationsachse erlaubt.
Der bewegliche Teil kann bei dieser Ausführungsform in Bezug auf den Basisteil in Bezug auf einen rotatorischen Freiheitsgrad um die Rotationsachse jedoch auch festbremsbar ausgestaltet werden, sodass ein statischer Fehler eines Aktuators in Form eines freilaufenden Aktuators durch die verbleibenden Aktuatoren kompensierbar ist. Somit erfolgt eine Reduzierung der Freiheitsgrade, um eine eindeutige Bestimmtheit des Systems wieder herzustellen, wenn ein freilaufender Aktuator vorliegt, sodass die verbleibenden drei Aktuatoren das System dann wieder eindeutig bestimmen. Die Aktuatoren können in Bezug auf eine zu der Rotationsachse konzentrische Kreislinie paarweise zueinander geneigt sein.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Aktuatoranordnung wenigstens fünf Aktuatoren auf.
Auf diese Weise kann auch ohne Notwendigkeit der Festbremsung des beweglichen Teils um die Rotationsachse sowohl ein freilaufender Aktuator als auch ein feststehender Aktuator durch die verbleibenden Aktuatoren kompensiert werden. Die geeignete Anordnung der fünf Aktuatoren macht das System zu einem überbestimmten System, dass im normalen Betriebsfall durch eine synchronisierte Ansteuerung der Aktuatoren betrieben werden kann, jedoch sowohl auf den freilaufenden, als auch auf den feststehenden Aktuator reagieren kann. Die durch den feststehende Aktuator hervorgerufene Blockierung kann dann gemäß obigen Ausführungen durch eine Rotation um die Rotationsachse kompensiert werden. Die Anordnung mit fünf Aktuatoren kann bei geeigneter Anordnung der Aktuatoren auch zwei zur gleichen Zeit freilaufende Aktuatoren kompensieren, dann mit festbremsen um die Rotationsachse, ebenso wie zur gleichen Zeit einen freilaufenden Aktuator und einen feststehenden Aktuator.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Aktuatoranordnung sechs Aktuatoren auf.
Auf diese Weise kann ebenso ohne Notwendigkeit der Festbremsung des beweglichen Teils um die Rotationsachse sowohl ein freilaufender Aktuator als auch ein feststehender Aktuator durch die verbleibenden Aktuatoren kompensiert werden. Die geeignete Anordnung der sechs Aktuatoren macht das System zu einem überbestimmten System, dass im normalen Betriebsfall durch eine synchronisierte Ansteuerung der Aktuatoren betrieben werden kann, jedoch sowohl auf den freilaufenden, als auch auf den feststehenden Aktuator reagieren kann. Die durch den feststehende Aktuator hervorgerufene Blockierung kann dann gemäß obigen Ausführungen durch eine Rotation um die Rotationsachse kompensiert werden. Die Anordnung mir sechs Aktuatoren kann bei geeigneter Anordnung der Aktuatoren auch zwei beliebige zur gleichen Zeit freilaufende beliebige Aktuatoren kompensieren, ebenso wie zur gleichen Zeit einen freilaufenden beliebigen Aktuator und einen feststehenden beliebigen Aktuator. Ferner können bei Ausfall bestimmter Aktuatoren auch drei ausgefallene Aktuatoren kompensiert werden, solange die drei notwendigen Freiheitsgrade aufrecht erhalten werden können.
Ferner kann eine Aktuatoraufnahme für einen ersten Aktuator und eine Aktuatoraufnahme für einen einerseits zum ersten Aktuator benachbarten zweiten Aktuator einen gemeinsamen Befestigungspunkt an dem Basisteil aufweisen und eine Aktuatoraufnahme für den ersten Aktuator und eine Aktuatoraufnahme für einen andererseits zum ersten Aktuator benachbarten zweiten Aktuator einen gemeinsamen Befestigungspunkt an dem beweglichen Teil aufweisen. Auf diese Weise kann die Anzahl der Festigungspunkte gering gehalten werden und ein stabiles veränderliches Aktuatortragwerk bereitgestellt werden.
Ferner kann eine Aktuatoraufnahme für einen ersten Aktuator und eine Aktuatoraufnahme für einen einerseits zum ersten Aktuator benachbarten zweiten Aktuator einen gemeinsamen Befestigungsbereich an dem Basisteil aufweisen und eine Aktuatoraufnahme für den ersten Aktuator und eine Aktuatoraufnahme für einen andererseits zum ersten Aktuator benachbarten zweiten Aktuator einen gemeinsamen Befestigungsbereich an dem beweglichen Teil aufweisen, wobei die an einem Befestigungsbereich angeordneten Aktuatoraufnahmen voneinander beabstandet sind. Auf diese Weise wird bei einem Ausfall eines Aktuators eine verbesserte Kraftverteilung der verbleibenden Aktuatoren erreicht und ferner eine Bestimmtheit des Systems bei z. B. freilaufendem Ausfall von drei Aktuatoren an einem Hexapoden.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung eine Erfassungsvorrichtung zur Erfassung eines statischen Fehlerzustandes eines Aktuators auf.
Auf diese Weise kann an ausgewählten oder allen Aktuatoren eine Erfassung des Betriebszustandes vorgenommen werden, um einen Fehlerzustand zu erkennen, um daraufhin eine Ansteuerung vornehmen zu können, die das System in einen eindeutig bestimmten Zustand zurückführt. Dies kann entweder durch erneute Umsynchronisierung der verbleibenden Aktuatoren bei Überbestimmtheit erfolgen oder durch Freigabe oder Sperrung weiterer Freiheitsgrade, insbesondere des rotatorischen Freiheitsgrades bezüglich der Rotationsachse. Jedoch ist auch die Freigabe der translatorischen Freiheitsgrade bezüglich der Kippachsen möglich, dann ist jedoch gegebenenfalls eine Umkonfigurierung der Taumelscheibenlagerung bezüglich des beweglichen Teils erforderlich.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung eine Freigabevorrichtung auf zur Freigabe eines feststehenden Aktuators zur Umwandlung in einen freilaufenden Aktuator bei Erfassung eines statischen Fehlerzustandes eines Aktuators.
Auf diese Weise kann eine Umwandlung von einem freilaufenden Aktuator in einen feststehenden Aktuator erfolgen, etwa wenn die Konfiguration der Aktuatoranordnung dies erfordert. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn der bewegliche Teil bezüglich des rotatorischen Freiheitsgrades bezüglich der Rotationsachse festgebremst ist und dann ein Aktuator fehlerbedingt zum feststehenden Aktuator wird. Der dann blockierte translatorische Freiheitsgrad bezüglich der Rotationsachse kann durch die Freigabe dann aufgelöst werden. Dies kann beispielsweise durch eine Kupplung zwischen Antrieb und Abtrieb des Aktuators erfolgen. Die Kupplung kann elektrisch betrieben werden, jedoch auch mechanisch oder anderweitig, sie kann reversibel oder irreversibel sein, durch z. B. Bruch einer Sollbruchstelle.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung eine Verriegelungsvorrichtung auf zur Verriegelung eines freilaufenden Aktuators zur Umwandlung in einen feststehenden Aktuator bei Erfassung eines statischen Fehlerzustandes eines Aktuators.
Auf diese Weise kann eine Umwandlung von einem freilaufenden in einen feststehenden Aktuator erfolgen, etwa wenn die Konfiguration der Aktuatoranordnung dies erfordert. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn der bewegliche Teil bezüglich des rotatorischen Freiheitsgrades bezüglich der Rotationsachse nicht festgebremst ist und dann ein Aktuator fehlerbedingt zum freilaufenden Aktuator wird. Die in diesem Fall vier Freiheitsgrade machen das System bei verbleibenden drei Aktuatoren zu einem mechanisch unterbestimmten System. Die Verriegelung oder Blockierung reduziert dann die Freiheitsgrade, sodass dann wieder ein mechanisch bestimmtes System vorliegt. Dies kann beispielsweise durch eine Kupplung zwischen Antrieb und Abtrieb des Aktuators erfolgen. Die Kupplung kann elektrisch betrieben werden, jedoch auch mechanisch, und reversibel oder mechanisch irreversibel sein.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Helikopter mit einer erfindungsgemäßen Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung bereit gestellt.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Betätigung einer Taumelscheibe für einen Helikopter bereitgestellt, wobei das Verfahren umfasst, ein Erfassen von Parametern einer Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung mit einem Basisteil, einem beweglichen Teil und einer Aktuatoranordnung, wobei der Basisteil mit einem Rumpf eines Helikopters verbindbar ist, wobei der bewegliche Teil mit einer um eine Rotationsachse drehbare Taumelscheibe eines Helikopters verbindbar ist, wobei der bewegliche Teil und der Basisteil durch die Aktuatoranordnung miteinander mechanisch bewegbar gekoppelt sind, wobei der bewegliche Teil mit Bezug auf den Basisteil wenigstens einen ersten Freiheitsgrad, einen zweiten Freiheitsgrad und einen dritten Freiheitsgrad aufweist, wobei der erste Freiheitsgrad ein translatorischer Freiheitsgrad in Richtung der Rotationsachse ist, wobei der zweite Freiheitsgrad ein rotatorischer Freiheitsgrad um eine erste Kippachse quer zur Rotationsachse ist, wobei der dritte Freiheitsgrad ein rotatorischer Freiheitsgrad um eine zweite Kippachse quer zu der ersten Kippachse und quer zu der Rotationsachse ist, wobei die Aktuatoranordnung wenigstens vier elektromechanischen Aktuatoren aufweist, wobei die Aktuatoren abgestimmt auf die Anzahl und der Art der Freiheitsgrade angesteuert werden, ein Ermitteln eines Bestimmtheitszustandes der Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung auf der Grundlage des Erfassens der Parameter, ein Vergleichen des ermittelten Bestimmtheitszustandes der Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung mit einem Soll-Bestimmtheitszustand, ein Anpassen des Bestimmtheitszustands der Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung an einen Soll-Bestimmtheitszustand.
Für das Verfahren gelten sinngemäß die zu der Vorrichtung gemachten Ausführungen und Beschreibungen.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung sind die ermittelten Parameter aus einer Gruppe, bestehend aus den Parametern Kräfte, Bewegungen, Temperaturen, elektrische Spannungen und elektrische Ströme, die jeweils mittels Kraftsensoren, Bewegungssensoren, Temperatursensoren, elektrischen Spannungsmessern bzw. elektrischen Strommessern ermittelbar sind.
Auf diese Weise kann an den Aktuatoren festgestellt werden, ob ein Ausfall vorliegt, oder bei vorliegen entsprechender Information und Messwerten, ein Ausfall kurz bevor steht. Dabei kann z. B. durch Kraftmesser der Widerstand des Aktuators gegen den beweglichen Teil ermittelt werden, um bei Überschreitung eines Sollwertes zu dem Schluss zu kommen, dass einer der Aktuatoren fehlerhaft freiläuft oder feststeht bzw. unkontrollierte Bewegungen ausführt und/oder Kräfte erzeugt. Die Bewegungsmessung kann beispielsweise durch Näherungssensoren oder Positionssensoren erfolgen, die eine Anomalie in der Stellung detektieren, etwa bei einem mechanisch unterbestimmten System. Die Temperaturmessung kann beispielsweise durch Temperatursensoren erfolgen, die ein Heißlaufen eines Aktuators oder auch eine Abkühlung bei Passivität ermitteln. Passivität kann jedoch auch zu einer Überhitzung führen. Spannungs- und Stromverläufe können sowohl auf veränderte Lasten bzw. Kräfte, als auch z. B. auf defekte Elektromotoren hinweisen. Ebenso können Spannungs- und Strommessungen auf veränderte Temperaturen hinweisen unter Ausnutzung von Temperaturbeiwerten von Leitern. Dabei kann durch eine Mustererkennung bzw. Korrelation der Messwerte verschiedener Aktuatoren eine Diagnose gestellt werden, die einen Schluss darauf zulässt, welche Aktuatoren in welcher Art und Weise fehlerhaft arbeiten oder welche Aktuatoren gegebenenfalls in nächster Zeit ausfallen könnten.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung sind die ermittelten Parameter statische Fehlerzustände eines Aktuators.
Auf diese Weise können die Fehlerzustände erfasst werden und die zu verarbeitende Datenmenge reduziert werden, da pro Aktuator nur drei Zustände, nämlich Normalfall, Freilauf und Feststehen erfasst und verarbeitet werden müssen. Ein weiterer mögliche Fehlerfall unkontrollierter Bewegungen und Kräfte kann gegebenenfalls auch erkannt und abgefangen werden.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst das Anpassen ein Freigeben eines feststehenden Aktuators zur Umwandlung in einen freilaufenden Aktuator.
Auf diese Weise bleibt gemäß den obigen Ausführungen zu der analogen Vorrichtung die Steuerbarkeit des Systems in bestimmten Zuständen erhalten.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst das Anpassen ein Verriegeln eines freilaufenden Aktuators zur Umwandlung in einen feststehenden Aktuator.
Auf diese Weise bleibt gemäß den obigen Ausführungen zu der analogen Vorrichtung die Steuerbarkeit des Systems in bestimmten Zuständen erhalten.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst das Anpassen ein Festbremsen oder Freigeben des beweglichen Teil in Bezug auf den Basisteil in Bezug auf einen rotatorischen Freiheitsgrad um die Rotationsachse, sodass ein statischer Fehler eines Aktuators durch eine geeignet koordinierte Bewegung der verbleibenden Aktuatoren kompensierbar ist.
Auf diese Weise bleibt gemäß den obigen Ausführungen zu der analogen Vorrichtung die Steuerbarkeit des Systems in bestimmten Zuständen erhalten. Die Verriegelung und die Freigabe muss dabei nicht zwingend an dem Aktuator erfolgen, der einen statischen Fehler aufweist. Vielmehr kann zur Kompensierung eines statischen Fehlers in Form eines feststehenden Aktuators oder auch eines freilaufenden Aktuators eine Verriegelung oder eine Freigabe an einem davon verschiedenen Aktuator erfolgen.
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden durch die Bezugnahme auf die hiernach beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen erläutert und verdeutlicht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Beispielhafte Ausführungsformen werden im Folgenden mit Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt eine allgemeine Ansicht einer erfindungsgemäßen Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung zur Erläuterung der einzelnen Elemente und Komponenten, die im Zusammenhang mit dieser Erfindung verwendet werden.
2 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung mit Sensoren und Unteraktuatoren an den eigentlichen Aktuatoren.
3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform, bei der es zu einem Ausfall eines Aktuators in Form eines feststehenden Aktuators kommt.
4 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform, bei der es zu einem Ausfall von zwei Aktuatoren kommt.
5 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform, bei der es zum Ausfall von zwei Aktuatoren kommt, wobei die mechanische Integrität erhalten bleibt.
6 zeigt zwei unterschiedliche beispielhafte Ausgestaltungen einer Betätigungsvorrichtung mit vier Aktuatoren.
7 zeigt zwei unterschiedliche beispielhafte Ausgestaltungen einer Betätigungsvorrichtung mit fünf Aktuatoren.
8 zeigt zwei unterschiedliche beispielhafte Ausgestaltungen einer Betätigungsvorrichtung mit sechs Aktuatoren.
9 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Sensorauswertung und Unteraktuatoransteuerung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
10 zeigt einen Helikopter mit einer erfindungsgemäßen Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung.
11 zeigt einen schematischen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Detaillierte Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen
1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung. Die in 1 gezeigte Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung 1 besteht aus einem Basisteil 10, der beispielsweise mit einem hier nicht gezeigten Rumpf 4 eines Helikopters verbunden ist. Ferner weist die Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung 1 einen beweglichen Teil 20 auf, der mit einer ebenfalls nicht gezeigten Taumelscheibe 5 eines Helikopters 2 verbunden ist. Dabei sei angemerkt, dass sich die hier gezeigte gesamte Betätigungsvorrichtung nicht zusammen mit dem hier nicht gezeigten Rotor dreht, der um eine Rotationsachse 41 rotiert. Vielmehr wird die eigentliche Taumelscheibe 5, an der sich die Hebel zur Verstellung der Rotorblätter befinden, drehbar an dem beweglichen Teil 20 gelagert, so dass die Taumelscheibe sich bezüglich der Rotationsachse 41 dreht, der bewegliche Teil 20 jedoch im Wesentlichen keine umlaufende Rotation um die Rotationsachse 41 vollzieht. Die Ankopplung der Taumelscheibe an den beweglichen Teil 20 kann dabei beispielsweise mittels eines Wälz- bzw. Gleitlagers erfolgen.
Der Basisteil 10 ist mit dem beweglichen Teil 20 über eine Aktuatoranordnung 30 verbunden, die in der hier gezeigten Ausführungsform insgesamt sechs Aktuatoren 31, 32, 33, 34, 35, 36 aufweist. Es sind grundsätzlich jedoch auch mehr oder auch weniger Aktuatoren denkbar. Die Aktuatoren sind einerseits an dem Basisteil 10 befestigt über die Aktuatoraufnahmen 11, 12, 13, 14, 15, 16 sowie andererseits an dem beweglichen Teil 20 über die Aktuatoraufnahmen 21, 22, 23, 24, 25, 26. In der hier gezeigten Ausführungsform fallen jeweils zwei Aktuatoraufnahmen an dem Basisteil sowie zwei Aktuatoraufnahmen an dem beweglichen Teil zusammen, so dass in der hier gezeigten Ausführungsform eine Hexapodenanordnung bereitgestellt wird.
Ein mechanisches System kann im Wesentlichen drei translatorische Freiheitsgrade 51, 53, 55 sowie drei rotatorische Freiheitsgrade 52, 54, 56 aufweisen. Dabei werden mit Bezug auf diese Erfindung der translatorische Freiheitsgrad 51 und der rotatorische Freiheitsgrad 52 bezüglich der Rotationsachse 41, der translatorische Freiheitsgrad 53 sowie der rotatorische Freiheitsgrad 54 um die erste Kippachse 43 sowie der dritte translatorische Freiheitsgrad 55 und der dritte rotatorische Freiheitsgrad 56 um die zweite Kippachse 45 festgelegt. Die beiden Kippachsen 43, 45 sind dabei quer zueinander angeordnet. In der hier gezeigten Ausführungsform sind die beiden Kippachsen 43, 45 orthogonal zueinander und auch orthogonal zur Rotationsachse 41 angeordnet, dies ist jedoch für die Erfindung nicht zwingend notwendig. Vielmehr können die beiden Kippachsen auch in einem anderen Winkel zueinander und auch zur Rotationsachse angeordnet sein und müssen sich für die prinzipielle Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch nicht zwingend schneiden.
Die 2 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform der Erfindung, anhand der die prinzipielle Funktion der erfindungsgemäßen Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung erläutert wird. Die Taumelscheibe weist ungeachtet der synchronen Rotation mit dem Helikopterrotor drei Freiheitsgrade auf, und zwar einen translatorischen Freiheitsgrad 51 entlang der Rotationsachse 41 sowie einen rotatorischen Freiheitsgrad 54 und einen rotatorischen Freiheitsgrad 56 jeweils bezüglich der Kippachsen 43 und 45. Mittels des translatorischen Freiheitsgrades 51 entlang der Rotationsachse 41 wird eine gleichzeitige Verstellung sämtlicher Rotorblätter vorgenommen, die für eine Aufwärts- bzw. Abwärtsbewegung des Helikopters ursächlich ist, eine so genannte kollektive Blattverstellung. Darüber hinaus das Verkippen der Helikopterrotorblätter um eine Kippachse 43 ursächlich für eine seitliche Bewegung sowie durch ein Verkippen um eine Kippachse 45 ursächlich für eine Vorwärts- und Rückwärtsbewegung sein, eine so genannte zyklische Blattverstellung. Grundsätzlich ist es für eine Anordnung mit drei notwendigen Freiheitsgraden ausreichend, drei entsprechend angeordnete Aktuatoren vorzusehen, so wie es im Stand der Technik der Fall ist. Um jedoch den Ausfall eines der Aktuatoren 31 bis 36 kompensieren zu können, ist es notwendig, weitere Aktuatoren vorzusehen, um die eindeutige Bestimmtheit des Systems bezüglich der drei notwendigen Freiheitsgrade aufrechterhalten zu können. Dies wird später noch im Detail erläutert. Der bewegliche Teil 20 kann mittels eines Lagers quer zur Rotationsachse 41 bezüglich der translatorischen Freiheitsgrade 53 und 55, aber verschieblich entlang des translatorischen Freiheitsgrades 51 gelagert sein.
Die Aktuatoren können darüber hinaus mit Sensoren versehen sein, die in der hier gezeigten prinzipiellen Darstellung an den Aktuatoren angebracht sind. Diese Sensoren 71, 72, 73, 74, 75, 76 können dazu dienen, den Betriebszustand des Aktuators zu bestimmen. Dies kann beispielsweise mittels einer Kraftmessung durch Kraftmessdosen oder Dehnmessstreifen erfolgen, durch eine Bewegungsmessung mittels Näherungs- bzw. Positionssensoren, mittels Temperatursensoren, die eine Überhitzung oder Abkühlung unterhalb der Betriebstemperatur erfassen können, ebenso wie durch die Messung von Betriebsspannungen bzw. Betriebsströmen, die Aufschluss über das Betriebsverhalten eines Aktuators geben können, insbesondere bezüglich der Leistungsaufnahme. Diese Sensoren müssen nicht zwingend direkt am Aktuator angeordnet sein, sondern können bei geeigneter Wahl des Sensors auch beabstandet vom Aktuator angeordnet sein, was insbesondere bei den Strom- und Spannungssensoren der Fall vorteilhaft ist.
Darüber hinaus ist in der hier gezeigten Ausführungsform der 2 an jedem Aktuator eine Freigabevorrichtung 81, 82, 83, 84, 85, 86 sowie eine Verriegelungsvorrichtung 91, 92, 93, 94, 95, 96 vorgesehen. Diese Freigabe- bzw. Verriegelungsvorrichtungen müssen nicht zwingend zusammen und auch nicht an jedem Aktuator vorgesehen sein. Diese Freigabe- bzw. Verriegelungsvorrichtungen dienen dazu, beispielsweise einen fehlerbedingt feststehenden Aktuator derart zu entriegeln, dass dieser zu einem freilaufenden Aktuator wird und den Bewegungsspielraum der Anordnung nicht weiter einschränkt. Ferner kann es notwendig sein, einen freilaufenden Aktuator mittels einer Verriegelungsvorrichtung zu verriegeln, um ein beispielsweise statisch unterbestimmtes System wieder in eine statische Bestimmtheit zu überführen. Der Begriff statische Bestimmtheit schließt an dieser Stelle eine Bewegung der Aktuatoren im Sinne einer Betätigung einer Taumelscheibe nicht aus. Derartige Freigabe- bzw. Verriegelungsvorrichtungen können beispielsweise mittels einer Kupplung oder Bremse realisiert werden, die beispielsweise gesteuert eingreift oder freigibt, ebenso wie beispielsweise durch eine Sollbruchstelle, die bei einer mechanischen Überlastung über einen Sollwert hinaus entsprechenden bricht und damit einen Aktuator entweder freigibt oder blockiert, je nachdem wie das mechanische System ausgelegt ist.
3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung, bei der einer der Aktuatoren 31, 31' fehlerbedingt feststehend geworden ist, somit also nicht mehr einer Bewegung des Systems in Längsrichtung folgt. Bei den zuvor beschriebenen drei Freiheitsgraden bedeutet ein feststehender Aktuator, dass die translatorischen und rotatorischen Freiheitsgrade nur noch gekoppelt d. h. nicht mehr beliebig unabhängig voneinander angesteuert werden können. Diese Blockierung des Freiheitsgrades 51 kann jedoch dadurch umgangen werden, dass für den beweglichen Teil 20 der rotatorische Freiheitsgrad 52 bezüglich der Rotationsachse 41 beispielsweise durch eine Entsperrung freigegeben wird, so dass sich der bewegliche Teil 20, 20' um die Rotationsachse 41 drehen kann und dabei bei einem feststehenden Aktuator 31, 31' wieder den translatorischen Freiheitsgrad 51 bezüglich der Rotationsachse 41 erhält. Dies ist in 3 durch die gepunkteten Linien dargestellt. In der Ausgangsposition 20' befindet sich der bewegliche Teil in einer oberen Position bei einem feststehenden Aktuator 31'. Um den beweglichen Teil 20' nun in eine untere Position 20 zu bringen, entlang des translatorischen Freiheitsgrades 51 bezüglich der Rotationsachse 41, wird nun der bewegliche Teil 20' gedreht und verschiebt sich somit entlang des Umfangs um einen Betrag 62. Aufgrund des feststehenden Aktuators 31' schwenkt dieser Aktuator nun um einen Winkelabstand 60 nach unten, wodurch sich der gesamte bewegliche Teil 20' um den Verschiebungsbetrag 61 nach unten in Position des beweglichen Teils 20 verschiebt. Selbstverständlich müssen die verbleibenden Aktuatoren diese Bewegung synchronisiert mittragen und werden mittels einer hier nicht gezeigten Steuerung entsprechend kompensiert angesteuert, so dass das System weiterhin eindeutig bestimmt bleibt. Dabei verschieben sich selbstverständlich auch die anderen Aktuatoren 32' bis 36' in die neue Position 32 bis 36, ebenso wie sich die Aktuatoraufnahmen 21' bis 26' an dem beweglichen Teil 20' in die neue Position 21 bis 26 bewegen, in der sich dann der bewegliche Teil 20 befindet. Auf diese Weise kann durch Freigabe eines weiteren Freiheitsgrades 52 um die Rotationsachse 41 ein feststehender Aktuator 31 durch die verbliebenen Aktuatoren bei entsprechend veränderter synchronisierter Ansteuerung kompensiert werden.
Die in 4 gezeigte Anordnung zeigt eine Betätigungsvorrichtung, bei der es in zwei Aktuatoren 31, 32 zu einem Fehlerfall gekommen ist. Im Fall, dass die hier fehlerhaft gezeigten Aktuatoren 31, 32 feststehende Aktuatoren werden, geht die Möglichkeit verloren, den translatorischen Freiheitsgrad 51 durch die Freigabe des rotatorischen Freiheitsgrades 52 wieder herzustellen. In diesem Fall ist es sinnvoll, wenigstens einen der feststehenden Aktuatoren 31, 32 mittels der Freigabevorrichtung 81, 82 in einen freilaufenden Aktuator umzuwandeln, wodurch die Kompensationsmöglichkeit durch Freigabe des rotatorischen Freiheitsgrades 52 um die Rotationsachse 41 wieder hergestellt wird. Die Funktion ist dann analog der in 3 gezeigten Anordnung.
Für den Fall, dass die beiden fehlerhaften Aktuatoren 31, 32 fehlerbedingt freilaufende Aktuatoren werden, ist das hier gezeigte System statisch bzw. mechanisch nicht mehr bestimmt, da einer der drei hier vorhandenen Befestigungspunkte in Form der Aktuatoraufnahmen, hier der mit 21, 22 bezeichnete Punkt, keine mechanische Stützung mehr erfährt. Daher würde das System in diesem Fall kollabieren. Für diesen Fall ist es sinnvoll, wenigstens einen der beiden freilaufenden Aktuatoren 31, 32 mit Hilfe der Verriegelungsvorrichtung 91, 92 derart zu verriegeln bzw. zu verblocken, dass ein starrer Aktuator bzw. ein feststehender Aktuator entsteht, der wiederum eine statische Bestimmtheit und Umgehung der Blockade durch die Freigabe des rotatorischen Freiheitsgrades 52 um die Drehachse 41 erlaubt.
Die statische Bestimmtheit eines Hexapodensystems kann jedoch auch dadurch wieder hergestellt werden, dass die Aufhängungspunkte bzw. Aufnahmepunkte 21 bis 26 der Aktuatoren 31 bis 36 nicht paarweise zusammengelegt werden und innerhalb eines Befestigungsbereiches voneinander beabstandet sind, so wie es in 5 gezeigt ist. Zwar kann das in 5 gezeigte System nicht mehr mit beiden blockierten, das heißt fehlerbedingt feststehenden Aktuatoren 31 und 32 umgehen, jedoch den Fall der fehlerbedingt freilaufenden Aktuatoren 31, 32 auffangen, da der bewegliche Teil 20 in der in 5 gezeigten Anordnung dann durch die Aktuatoraufnahmen 23, 24, 25, 26 eindeutig gestützt wird. Auf diese Weise können beispielsweise die Verriegelungsvorrichtungen entbehrlich werden und optional beispielweise nur Freigabevorrichtungen 81, 82 vorgesehen werden, um den kritischen Fall der fehlerbedingt feststehenden Aktuatoren 31, 32 zu überführen in einen Fall, in dem die fehlerbedingt feststehenden Aktuatoren 31, 32 in freilaufende Aktuatoren umgewandelt werden. Im Grunde genommen wäre es sogar denkbar, nur einen dieser beiden Aktuatoren mit einer Freigabevorrichtung zu versehen, da der dann auftretende Fall wiederum durch die Freigabe des rotatorischen Freiheitsgrades 52 kompensiert werden könnte, so wie mit Bezugnahme auf 3 beschrieben wurde. Es sei angemerkt, dass die Verriegelungs- und Freigabevorrichtungen in der 5 aus Übersichtlichkeitsgründen nicht gezeigt sind.
6 zeigt zwei beispielhafte Ausgestaltungen einer Ausführungsform mit vier Aktuatoren. Im Wesentlichen sind die vorangehend beschriebenen Bezugsziffern verwendet, ebenso wie in den 7 und 8.
Die 6, 7 und 8 zeigen die dreidimensionale Anordnung der Aktuatoren entsprechend der vorhergehenden Figuren von oben/unten in Blickrichtung entlang der Drehachse 41. Zur Veranschaulichung sind die Aktuatoraufnahmen 21 bis 26 und 11 bis 16 beispielhaft auf zwei konzentrischen Kreisen angeordnet, wobei die Kreise oben und unten unterschiedlichen Durchmesser aufweisen. Selbstverständlich können die Kreise auch andere Durchmesser aufweisen, insbesondere einen gleichen Durchmesser. Die die Kreise können auch nicht konzentrisch sein. Selbstverständlich können die Aktuatoraufnahmen insbesondere auf dem Basisteil 10 am Rumpf beliebig im Raum angeordnet sein, insbesondere asymmetrisch bezüglich der Drehachse 41 und auf unterschiedlicher Höhe entlang der Drehachse 41. Bei einer beispielhaften Ausgestaltung der geometrischen Anordnung der Aktuatoren können die mechanischen Belastungen von den Blättern, die insbesondere im Vorwärtsflug ungleichmässig über den Azimutwinkel verteilt sein können, optimal auf die Aktuatoren verteilt werden. Bei der geometrischen Anordnung der Aktuatoren ist auf ausreichende Freigängigkeit bei notwendigen vollen Verfahrwegen der Aktuatoren bei Normalbetrieb und in Fehlerfällen zu achten.
In der oben in 6 gezeigten Ausführungsformen sind die Aktuatoren in einer Ebene mit der Rotationsachse 41 angebracht, beispielsweise mit einer bezüglich der Rotationsachse 41 parallelen und gegebenenfalls radialen Komponente, was insbesondere bei einem bezüglich des Freiheitsgrades 52 um die Rotationsachse 41 festgebremsten beweglichen Teil 20 erlaubt, einen fehlerbedingt freilaufenden Aktuator durch die verbleibenden Aktuatoren zu kompensieren, ohne die statische Bestimmtheit des Systems zu verlieren. Es sei angemerkt, dass in jeder der bezüglich der gesamten Erfindung beschriebenen Anordnungen eine statische bzw. mechanische Überbestimmtheit durch eine entsprechende synchronisierte Ansteuerung der Aktuatoren kompensiert werden kann.
Die oben in 6 gezeigte Anordnung erlaubt es bei einem um die Rotationsachse 41 festgebremsten beweglichen Teil 20 einen freilaufenden Aktuator zu kompensieren, erlaubt es jedoch nicht, einen fehlerbedingt feststehenden Aktuator zu kompensieren, da der translatorische Freiheitsgrad bezüglich der Rotationsachse 41 verloren geht. Es sei angemerkt, dass die hier nicht näher bezeichneten Kippachsen nicht zwingend auf einer Linie mit den Aktuatoren liegen müssen, sondern ebenso in beliebigen Zwischenpositionen angeordnet sein können, was sich insbesondere durch die Ansteuerung der Aktuatoren ergibt.
Die unten in 6 gezeigte Anordnung zeigt schräg stehende Aktuatoren 31 bis 34, die es erlauben, bei einem zusätzlichen rotatorischen Freiheitsgrad um die Rotationsachse 41 einen fehlerfallbedingt feststehenden Aktuator zu kompensieren, so wie es mit Bezugnahme auf 3 beschrieben wurde. Somit erlaubt es eine mit vier Aktuatoren ausgestaltete Betätigungsvorrichtung, auch Tetrapod genannt, entweder konstruktionsbedingt einen fehlerhaft freilaufenden oder einen fehlerhaft feststehenden Aktuator zu kompensieren. Die Kompensierbarkeit eines beliebigen Fehlerfalls, das heißt willkürlich eines freilaufenden bzw. feststehenden Aktuators kann lediglich dadurch erreicht werden, dass entweder eine Sperrung bzw. Freigabe des rotatorischen Freiheitsgrades bezüglich der Rotationsachse erfolgt oder eine entsprechende Umwandlung eines feststehenden in einen freilaufenden bzw. eines freilaufenden in einen feststehenden Aktuator erfolgt, beispielsweise mittels der in 6 nicht gezeigten Freigabevorrichtung 81 bis 84 bzw. Regelungsvorrichtung 91 bis 94.
7 zeigt eine ähnliche Anordnung analog der mit Bezugnahme auf 6 beschriebenen Anordnung, jedoch mit fünf Aktuatoren, einen so genannten Pentapod. Die oben in 7 gezeigte Anordnung mit Aktuatoren mit einer bezüglich der Rotationsachse 41 parallelen und gegebenenfalls radialen Komponente weist im Regelfall einen um die Rotationsachse 41 festgebremsten beweglichen Teil 20 auf. Die oben in 7 gezeigte Anordnung ist in der Lage, beispielsweise fehlerbedingt zwei freilaufende Aktuatoren zu kompensieren. Wenn jedoch einer der Aktuatoren fehlerbedingt zum feststehenden Aktuator wird, geht der translatorische Freiheitsgrad bezüglich der Rotationsachse 41 verloren. Dies kann beispielsweise in den meisten Fällen dadurch behoben werden, dass die Festbremsung des beweglichen Teils 20 bezüglich der Rotationsachse 41 aufgehoben wird, so dass eine Kompensierung erfolgen kann, so wie sie mit Bezugnahme auf 3 bereits beschrieben wurde. Einschränkungen können allenfalls dann auftreten, wenn der Aktuator z. B. in voll eingefahrenem Zustand klemmen bleibt und die Taumelscheibe nicht mehr ausgefahren werden kann, sodass es eine ungewollte kinematische Beschränkungen bei der Anordnung der Aktuatoren mit einer bezüglich der Rotationsachse 41 parallelen und gegebenenfalls radialen Komponente gibt. Durch eine entsprechende Freigabe bzw. Verriegelung der Aktuatoren kann in der unten in 7 gezeigten Anordnung eine Kompensierung von zwei fehlerbedingt ausfallenden Aktuatoren kompensiert werden.
8 zeigt analog der Aufsichten von 6 und 7 zwei Ausgestaltungen einer Betätigungsvorrichtung mit sechs Aktuatoren, auch Hexapod genannt. Dabei entspricht die in 8 oben gezeigte Anordnung der in 4 gezeigten perspektivischen Darstellung, während die in 8 unten gezeigte Anordnung der in 5 gezeigten perspektivischen Darstellung entspricht. Im Wesentlichen wird hiermit somit auch auf die Beschreibung der 4 bzw. der 5 verwiesen, die beispielhafte Fehlerfälle erläutern. Im Vergleich zu der in 8 oben gezeigten Anordnung weist die in 8 unten gezeigte Anordnung beabstandete Aktuatoraufnahmepunkte auf, die um entsprechende Anstände 64, 65 voneinander beabstandet sind. An dieser Stelle sei angemerkt, dass eine derartige Hexapodenanordnung aufgrund der Anzahl von Aktuatoren und der entsprechenden Anordnung theoretisch keine weitere Fixierung bezüglich des Helikopterrahmens benötigt, da eine derartige Hexapodenanordnung bezüglich aller drei translatorischen bzw. drei rotatorischen Freiheitsgrade eindeutig bestimmt ist. Die Aktuatoraufnahmen können dabei auch Kugelgelenke sein. Dies trifft jedoch nur für den Fall zu, in dem kein Fehlerfall eines Aktuators vorliegt.
9 zeigt eine schematische Anordnung einer Erfassungsvorrichtung 70 bis 76, Freigabevorrichtung 80 bis 86 und Verriegelungsvorrichtung 90 bis 96. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass nicht zwingend immer sechs Sensoren 71 bis 76, Freigabevorrichtungen bzw. Verriegelungsvorrichtungen vorgesehen sein müssen, sondern dass entsprechend den Anforderungen auch eine geringere oder aber auch höhere Anzahl von Erfassungsvorrichtungen, Freigabevorrichtungen und Verriegelungsvorrichtungen vorgesehen sein können. Die Erfassungsvorrichtungen in Form von bereits zuvor beschriebenen Sensoren verschiedener Ausgestaltungen können durch eine Erfassungsvorrichtung ausgewertet werden und an eine zentrale Steuerung 100 weitergegeben werden. In der zentralen Steuerung bzw. Regelung kann durch eine intelligente Fehlerauswertung und Systemanalyse festgestellt werden, welcher Aktuator in welcher Art und Weise beeinträchtigt ist, um auf diese Weise eine Freigabesteuerungsvorrichtung 80 bzw. eine Verriegelungssteuerungsvorrichtung 90 anzuweisen, entsprechende Aktuatoren mittels der Freigabevorrichtungen 81 bis 86 freizugeben bzw. mittels der Verriegelungsvorrichtungen 91 bis 96 zu verriegeln. Die Freigabevorrichtungen bzw. die Verriegelungsvorrichtungen können dabei sowohl logisch parallel als auch logisch seriell am Aktuator vorgesehen sein, so dass beispielsweise ein einmal irreversibel blockierter Aktuator durch eine seriell vorgesehene Freigabevorrichtung an anderer Stelle freigegeben werden kann bzw. bei einer parallelen Anordnung ein einmal freigegebener Aktuator durch eine Verriegelungsvorrichtung mechanisch parallel wieder verriegelt werden kann. Es sei Angemerkt, dass die Freigabesteuerung und die Verriegelungssteuerung keiner körperlichen Ausgestaltung bedürfen, sondern auch computerimplementiert sein können, ebenso wie die zentrale Erfassungsvorrichtung.
10 zeigt eine Gesamtansicht eines Helikopters in schematischer Art und Weise, anhand derer verdeutlicht wird, an welcher Stelle eine erfindungsgemäße Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung an einem Helikopter angeordnet ist. Dabei ist der Basisteil 10 der Betätigungsvorrichtung beispielsweise fest mit dem Rumpf 4 des Helikopters 2 verbunden, während der bewegliche Teil 20 mit der Taumelscheibe 5 verbunden ist. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Anstellungsmimik der Rotorblätter aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt ist.
11 zeigt einen schematischen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem in einem Schritt S10 ein Erfassen von Parametern einer Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung erfolgt, wobei im Schritt S20 auf der Grundlage der erfassten Parameter ein Bestimmtheitszustand der Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung ermittelt wird. In einem Schritt S30 wird dann der ermittelte Bestimmtheitszustand der Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung mit einem Sollbestimmtheitszustand verglichen und in einem Schritt S40 der Bestimmtheitszustand der Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung an einen Sollbestimmtheitszustand angepasst. Die ermittelten Parameter können dabei die durch die Sensoren 71 bis 76 erfassten Parameter sein. Im Rahmen des Anpassens S40 kann dabei beispielsweise ein Freigeben S41 von Aktuatoren, ein Verriegeln S42 von Aktuatoren erfolgen, ebenso wie ein Festbremsen S43 oder ein Freigeben S44 des beweglichen Teils 20 in Bezug auf den Basisteil 10 in Bezug auf einen rotatorischen Freiheitsgrad 52 um die Rotationsachse 41.

Claims

Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung für einen Helikopter, umfassend: einen Basisteil (10), einen beweglichen Teil (20), eine Aktuatoranordnung (30), wobei der Basisteil mit einem Rumpf (4) eines Helikopters (2) verbindbar ist, wobei der bewegliche Teil mit einer um eine Rotationsachse (41) drehbare Taumelscheibe (5) eines Helikopters verbindbar ist, wobei der bewegliche Teil und der Basisteil durch die Aktuatoranordnung miteinander mechanisch bewegbar gekoppelt sind, wobei der bewegliche Teil mit Bezug auf den Basisteil wenigstens einen ersten Freiheitsgrad (51), einen zweiten Freiheitsgrad (54) und einen dritten Freiheitsgrad (56) aufweist, wobei der erste Freiheitsgrad ein translatorischer Freiheitsgrad in Richtung der Rotationsachse ist, wobei der zweite Freiheitsgrad ein rotatorischer Freiheitsgrad um eine erste Kippachse (43) quer zur Rotationsachse ist, wobei der dritte Freiheitsgrad ein rotatorischer Freiheitsgrad um eine zweite Kippachse (45) quer zu der ersten Kippachse und quer zu der Rotationsachse ist, wobei die Aktuatoranordnung wenigstens vier elektromechanischen Aktuatoren (31, 32, 33, 34) aufweist, wobei die Lage der Aktuatoren so angeordnet ist, dass wenigstens ein Aktuator einen statischen Fehler aufweisen kann ohne Einbuße des ersten, zweiten und dritten Freiheitsgrades, wobei der bewegliche Teil (20) in Bezug auf den Basisteil (10) einen rotatorischen Freiheitsgrad (52) um die Rotationsachse (41) aufweist, sodass ein statischer Fehler eines Aktuators (31, 32, 33, 34) in Form eines feststehenden Aktuators durch die verbleibenden Aktuatoren kompensierbar ist.
Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Aktuatoranordnung (30) wenigstens fünf Aktuatoren (31, 32, 33, 34, 35) aufweist.
Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 und 2, wobei die Aktuatoranordnung sechs Aktuatoren (31, 32, 33, 34, 35, 36) aufweist.
Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner mit einer Erfassungsvorrichtung (70, 71, 72, 73, 74, 75, 76) zur Erfassung eines statischen Fehlerzustandes eines Aktuators (31, 32, 33, 34, 35, 36).
Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner mit einer Freigabevorrichtung (80, 81, 82, 83, 84, 85, 86) zur Freigabe eines feststehenden Aktuators zur Umwandlung in einen freilaufenden Aktuator bei Erfassung eines statischen Fehlerzustandes des feststehenden Aktuators.
Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner mit einer Verriegelungsvorrichtung (90, 91, 92, 93, 94, 95, 96) zur Verriegelung eines freilaufenden Aktuators zur Umwandlung in einen feststehenden Aktuator bei Erfassung eines statischen Fehlerzustandes des freilaufenden Aktuators.
Helikopter mit einer Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6.
Verfahren zur Betätigung einer Taumelscheibe für einen Helikopter, umfassend: Erfassen (S10) von Parametern einer Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung mit einem Basisteil, einem beweglichen Teil und einer Aktuatoranordnung, wobei der Basisteil mit einem Rumpf eines Helikopters verbindbar ist, wobei der bewegliche Teil mit einer um eine Rotationsachse drehbare Taumelscheibe eines Helikopters verbindbar ist, wobei der bewegliche Teil und der Basisteil durch die Aktuatoranordnung miteinander mechanisch bewegbar gekoppelt sind, wobei der bewegliche Teil mit Bezug auf den Basisteil wenigstens einen ersten Freiheitsgrad, einen zweiten Freiheitsgrad und einen dritten Freiheitsgrad aufweist, wobei der erste Freiheitsgrad ein translatorischer Freiheitsgrad in Richtung der Rotationsachse ist, wobei der zweite Freiheitsgrad ein rotatorischer Freiheitsgrad um eine erste Kippachse quer zur Rotationsachse ist, wobei der dritte Freiheitsgrad ein rotatorischer Freiheitsgrad um eine zweite Kippachse quer zu der ersten Kippachse und quer zu der Rotationsachse ist, wobei die Aktuatoranordnung wenigstens vier elektromechanischen Aktuatoren aufweist, wobei die Aktuatoren abgestimmt auf die Anzahl und Art der Freiheitsgrade angesteuert werden, Ermitteln (S20) eines Bestimmtheitszustandes der Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung auf der Grundlage des Erfassens der Parameter, Vergleichen (S30) des ermittelten Bestimmtheitszustandes der Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung mit einem Soll-Bestimmtheitszustand, Anpassen (S40) des Bestimmtheitszustands der Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung an einen Soll-Bestimmtheitszustand.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die ermittelten Parameter Parameter sind aus einer Gruppe, bestehend aus den Parametern Kräfte, Bewegungen, Temperaturen, elektrische Spannungen und elektrische Ströme, die jeweils mittels Kraftsensoren, Bewegungssensoren, Temperatursensoren, elektrischen Spannungsmessern bzw. elektrischen Strommessern (71, 72, 73, 74, 75, 76) ermittelbar sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 und 9, wobei die ermittelten Parameter statische Fehlerzustände eines Aktuators sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Anpassen ein Freigeben (S41) eines feststehenden Aktuators zur Umwandlung in einen freilaufenden Aktuator umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei das Anpassen ein Verriegeln (S42) eines freilaufenden Aktuators zur Umwandlung in einen feststehenden Aktuator umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei das Anpassen ein Festbremsen (S43) oder Freigeben (S44) des beweglichen Teil in Bezug auf den Basisteil in Bezug auf einen rotatorischen Freiheitsgrad (52) um die Rotationsachse umfasst, sodass ein statischer Fehler eines Aktuators durch eine geeignete koordinierte Bewegung der verbleibenden Aktuatoren kompensierbar ist.