DE102016204133A1

DE102016204133A1 - Linearer Stellantrieb

Info

Publication number: DE102016204133A1
Application number: DE102016204133.9A
Authority: DE
Inventors: Daniel Wolf
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: Airbus Helicopters Technik GmbH
Priority date: 2016-03-14
Filing date: 2016-03-14
Publication date: 2017-09-14
Also published as: CN107191562A; CN107191562B

Abstract

Die Erfindung betrifft einen linearer Stellantrieb (1). Der lineare Stellantrieb (1) umfasst einen ersten Gewindetrieb (2) mit einer selbsthemmenden ersten Spindel (4) und einer ersten Mutter (5), wobei ein Gewinde der ersten Spindel (4) eine erste Steigung aufweist, einen zweiten Gewindetrieb (3) mit einer nicht selbsthemmenden zweiten Spindel (6) und einer zweiten Mutter (7), wobei ein Gewinde der zweiten Spindel (6) eine zweite Steigung aufweist, und ein Getriebe (11), welches dazu eingerichtet ist, eine Drehbewegung der ersten Spindel (4) und eine Drehbewegung der zweiten Spindel (6) mit einer Getriebeübersetzung miteinander zu koppeln und voneinander zu entkoppeln. Die erste Steigung des Gewindes der ersten Spindel (4) und die zweite Steigung des Gewindes der zweiten Spindel (6) sowie die Getriebeübersetzung sind derart aufeinander abgestimmt, dass bei einer Kopplung der Drehbewegung der ersten Spindel (4) und der Drehbewegung der zweiten Spindel (6) sich die erste Spindel (4) und die zweite Spindel (6) kinematisch parallel bewegen. Die zweite Spindel (6) ist bei einer Drehbewegung dazu eingerichtet, über die zweite Mutter (7) ein Abtriebselement (8) linear zu verstellen, und die erste Spindel (4) ist bei einer Drehbewegung dazu eingerichtet, über die erste Mutter (5) das Abtriebselement (8) linear zu verstellen.

Description

Die Erfindung betrifft einen linearen Stellantrieb, insbesondere für ein Flugzeug, z.B. ein Turboprop-Verkehrsflugzeug.
Lineare Stellantriebe dienen der Umsetzung von Drehbewegungen, insbesondere von Spindeln, in Längsbewegungen, insbesondere von Muttern, welche entlang der Spindeln axial verstellt werden können. Lineare Stellantriebe werden insbesondere in der Luft- und Raumfahrt im Bereich der Flügel- und Leitwerkstechnik eingesetzt, um entsprechende Elemente aus- oder einzufahren, wobei die Elemente im Flug hohen und wechselnden Kräften ausgesetzt sind. Da die genannten Elemente insbesondere im Flugbetrieb besonders sicherheitskritisch sind, besteht zum einen das Bedürfnis, ein unbeabsichtigtes Rückstellen der Elemente zu verhindern, und zum anderen eine erhöhte Redundanz des linearen Stellantriebs zu ermöglichen.
Aus der DE 2009 028 568 A1 ist eine Vorrichtung zum Blockieren eines linearen Stellantriebs bekannt, welcher eine von einem Motor angetriebene, nicht selbsthemmende Bewegungsschraube umfasst, deren Spindel den Hauptantrieb bildet. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine selbsthemmende Bewegungsschraube, deren Spindel oder Mutter über ein Getriebe mit dem Motor dauerhaft oder über eine schaltbare, im stromlosen Zustand offene Kupplung lösbar in Wirkverbindung steht. Insbesondere die Mutter kann einen Anschlag für die den Hauptantrieb des linearen Stellantriebs bildende Spindel bilden, wobei die Mutter entsprechend einer gezielten axialen Verschiebung der den Hauptantrieb des linearen Stellantriebs bildenden Spindel bei gleichzeitiger Selbsthemmung synchron axial verstellt wird. Die DE 2009 028 568 A1 lehrt jedoch noch nicht, wie im Falle eines Ausfalls des Hauptantriebs die Spindel der nicht selbsthemmenden Spindel weiter angetrieben werden kann.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen linearen Stellantrieb mit einer Vorrichtung zu dessen Blockieren bereitzustellen, wobei der lineare Stellantrieb eine erhöhte Redundanz aufweist.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der folgenden Beschreibung sowie der Figuren.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen linearen Stellantrieb, insbesondere für den Einsatz in einem Flugzeug, z.B. in einem Turboprop-Verkehrsflugzeug zur Verstellung von dessen Landeklappe. Der lineare Stellantrieb umfasst einen ersten Gewindetrieb mit einer selbsthemmenden ersten Spindel und einer ersten Mutter, wobei ein Gewinde der ersten Spindel eine erste Steigung aufweist. Der erste Gewindetrieb erfüllt – wie im Folgenden erläutert wird – mit seiner selbsthemmenden ersten Spindel und seiner Gewindemutter die Funktion, ein Abtriebselement in seiner durch einen zweiten Gewindetrieb axial verstellten Position zu blockieren oder – als Redundanz, sofern der zweite Gewindetrieb ausfallen und nicht zur axialen Verstellung des Abtriebselements zur Verfügung stehen sollte – das Abtriebselement axial zu verstellen.
Der lineare Stellantrieb umfasst weiterhin einen zweiten Gewindetrieb mit einer nicht selbsthemmenden zweiten Spindel und einer zweiten Mutter, wobei ein Gewinde der zweiten Spindel eine zweite Steigung aufweist. Der zweite Gewindetrieb dient zur Umwandlung einer Drehbewegung der zweiten Spindel in eine lineare Verstellbewegung der zweiten Mutter entlang der Längsachse der zweiten Spindel.
Der lineare Stellantrieb kann angetrieben werden, indem entweder die selbsthemmende erste Spindel oder die zweite Spindel angetrieben werden, z.B. mittels eines elektrischen Motors und ggfs. beispielsweise über ein Übersetzungsgetriebe oder einen Riementrieb. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass sowohl die selbsthemmende erste Spindel und die zweite Spindel angetrieben werden, wobei es jedoch aufgrund der Kopplungsmöglichkeit mittels des im Folgenden beschriebenen Getriebes ausreicht, wenn lediglich eine der beiden Spindeln angetrieben wird.
Ein Getriebe des linearen Stellantriebs ist dazu eingerichtet, eine Drehbewegung der ersten Spindel und eine Drehbewegung der zweiten Spindel mit einer Getriebeübersetzung, insbesondere einer linearen Getriebeübersetzung, miteinander zu koppeln und voneinander zu entkoppeln. Bei dem Getriebe kann es sich insbesondere um ein FBSA-Getriebe eines Flugzeugs handeln. FBSA bedeutet ein Abzweiggetriebe von einer Hauptantriebswelle für einen Flaps Ball Screw Actuator. Für die Kopplung und die Entkopplung der Drehbewegungen kann das Getriebe ein Koppelelement, z.B. ein mechanisch schaltbares Koppelelement aufweisen, welches dazu eingerichtet ist, die Drehbewegungen der ersten Spindel und der zweiten Spindel miteinander zu koppeln und voneinander zu entkoppeln. Die Kopplung und Entkopplung kann weiterhin auch mittels eines elektrisch schaltbaren Koppelements erfolgen, z.B. mittels eines Stellmotors, welcher relativ klein dimensioniert sein kann. Das elektrische Koppelement kann insbesondere derart ausgeführt sein, dass es im stromlosen Zustand geöffnet ist („normally open“). Zur Erzeugung der Getriebeübersetzung kann das Getriebe beispielsweise eine Zahnradstufe aufweisen.
Die Kopplung bzw. Entkopplung kann lokal insbesondere zwischen der Getriebeübersetzung und der zweiten Spindel erfolgen, wobei insbesondere ein schaltbares Koppelelement oder ein leistungsverzweigtes Getriebe zwischen einem Zahnradsatz und der zweiten Spindel angeordnet sein kann. Bei Vorsehen dieser Anordnung kann eine kraftschlüssige Kupplung mittels des schaltbaren Koppelelements auch als Kraftbegrenzung bzw. Lastmomentsperre (Überlastsicherung) dienen. In diesem Zusammenhang kann insbesondere vorgesehen sein, eine Lastmomentsperre wie in der DE 10 2007 045 371 A1 als schaltbares Koppelelement einzusetzen.
Die erste Steigung des Gewindes der ersten Spindel und die zweite Steigung des Gewindes der zweiten Spindel sowie die Getriebeübersetzung sind derart aufeinander abgestimmt, dass bei einer Kopplung der Drehbewegung der ersten Spindel und der Drehbewegung der zweiten Spindel sich die erste Spindel und die zweite Spindel kinematisch parallel bewegen. Mit anderen Worten kann die Getriebeübersetzung die unterschiedlichen Gewindesteigungen der ersten Spindel und der zweiten Spindel ausgleichen und umgekehrt. Unter einer kinematisch parallelen Bewegung kann insbesondere verstanden werden, dass sich parallele Punkte auf der ersten Spindel und der zweiten Spindel mit der gleichen Geschwindigkeit in axialer Richtung bewegen.
Die zweite Spindel ist bei einer Drehbewegung dazu eingerichtet, über die zweite Mutter ein Abtriebselement linear zu verstellen. Das Abtriebselement kann unmittelbar in Kontakt mit der zweiten Mutter stehen, so dass das Abtriebselement bei einer linearen Verstellung der zweiten Mutter entlang der zweiten Spindel ebenfalls linear entlang der zweiten Spindel verstellt wird. In einer besonders einfachen Ausführungsform können die zweite Mutter und das Abtriebselement eine bauliche Einheit bilden oder die zweite Mutter kann das Abtriebselement ausbilden. Das Abtriebselement kann ein einteiliges oder zumindest zweiteiliges Rahmengestell bilden, welches die zweite Mutter und die erste Mutter umspannt. Insbesondere kann das Abtriebselement, z.B. das Rahmengestell, unmittelbar mit der zweiten Mutter in Kontakt stehen und von der ersten Mutter um einen Spalt bzw. einen Leerweg getrennt sein oder mit der ersten Mutter über eine Elastizität, z. B. wenigstens ein Federelement, verbunden sein.
Die erste Spindel ist bei einer Drehbewegung dazu eingerichtet, über die erste Mutter das Abtriebselement linear zu verstellen. Durch die auf einander abgestimmten Steigungen von erster Spindel und zweiter Spindel sowie durch die Getriebeübersetzung kann die erste Spindel die erste Mutter axial entlang der ersten Spindel derart verschieben, dass sich die erste Mutter parallel zu der zweiten Mutter und dem Abtriebselement bewegt.
Die erste Mutter kann durch einen Spalt bzw. Leerweg von dem Abtriebselement getrennt bzw. beabstandet sein oder über eine Elastizität, z.B. über wenigstens ein Federelement, mit dem Abtriebselement verbunden sein. Insbesondere kann die erste Mutter in axialer Richtung der ersten Spindel um einen Leerweg von dem Abtriebselement beabstandet sein. Durch den Spalt bzw. Leerweg oder die Elastizität können die Hauptlast und die Hauptleistung mit hohem Wirkungsgrad über den zweiten Gewindetrieb gehen. Mit anderen Worten kann der zweite Gewindetrieb für die lineare Verstellung des Abtriebselements sorgen, während die erste Spindel die erste Mutter parallel und mit Abstand zu dem Abtriebselement verschiebt. Sollte der zweite Gewindetrieb nicht länger die Funktion übernehmen können, die zweite Mutter und das Abtriebselement linear zu verstellen, z.B. im Falle eines mechanischen Schadens oder Bruchs des zweiten Gewindetriebs, so kann der erste Gewindetrieb das Abtriebselement linear verstellen. Der erste Gewindetrieb kann somit die Funktion einer Rückfalllösung bzw. einer Redundanz für den zweiten Gewindetrieb erfüllen, was insbesondere in Luft- und Raumfahrtanwendungen vorteilhaft ist.
Die elastische oder spielbehaftete Verbindung der ersten Mutter kann einen Wegsensor oder einen Berührungssensoren aufweisen, die erkennen, falls eine unerwünschte Verschiebung relativ zu dem Abtriebselement stattfindet. Die erste Mutter kann mehrteilig ausgeführt sein. Die erste Mutter kann ferner mit dem linear zu verschiebenden Abtriebselement drehfest verbunden sein oder gegenüber dem zu verschiebenden Abtriebselement mit einem definierten Verdrehspiel oder einer Elastizität ausgestattet sein.
Die lineare Verstellung des Abtriebselements mittels des ersten Gewindetriebs kann derart erfolgen, dass die erste Spindel bei einer Drehbewegung zunächst die erste Mutter linear um den Leerweg in Richtung des nicht durch den zweiten Gewindetrieb linear verstellten Abtriebselements verstellt, bis kein Spalt mehr zwischen erster Mutter und Abtriebselement besteht und beide aneinander liegen. Ein weiteres Verstellen der ersten Mutter durch die erste Spindel führt dann auch zu einem entsprechenden linearen Verstellen des Abtriebselements. Sofern die erste Mutter mit dem Abtriebselement über eine Elastizität verbunden ist, kann ein Verstellen der ersten Mutter durch die erste Spindel über die Elastizitäten zu einem entsprechenden linearen Verstellen des Abtriebselements führen.
Sofern die Drehbewegung der ersten Spindel und die Drehbewegung der zweiten Spindel nicht gekoppelt sind, können die selbsthemmende erste Spindel und die erste Mutter ein Verstellen des Abtriebselements über den zweiten Gewindetrieb blockieren und somit ein unerwünschtes Verstellen verhindern. Die selbsthemmende erste Spindel und die erste Mutter erfüllen dabei die Funktion einer Vorrichtung zum Blockieren des linearen Stellantriebs bzw. dessen Abtriebselements.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Getriebe zur Kopplung und Entkopplung der Drehbewegung der ersten Spindel und der zweiten Spindel eine kraftschlüssige Kupplung aufweist, welche in einer geschlossenen Stellung vorgespannt ist und einen Sperrmagneten aufweist, welcher dazu eingerichtet ist, die Kupplung entgegen der Vorspannung in eine geöffnete Stellung zu bringen. Die kraftschlüssige Kupplung ist bevorzugt zwischen der ersten, selbsthemmenden Bewegungsschraube und einer Zahnradstufe des Getriebes zur Erzeugung der Getriebeübersetzung und fest gekoppeltem Antrieb der zweiten Spindel angeordnet. Eine umgekehrte Anordnung funktioniert analog. Die kraftschlüssige Kupplung kann im Normalfall, z.B. mittels einer Federkraft oder einer Magnetkraft, geschlossen sein und kann durch den Sperrmagneten, welcher z.B. einen Hubmagnet mit einem Sperrbolzen als Anker umfasst, besonders vorteilhaft abtriebsseitig blockiert werden. Der Sperrmagnet kann im stromlosen Zustand geschlossen sein. Im bestromten Zustand kann der Sperrmagnet geöffnet sein und die kraftschlüssige Kupplung kann Drehzahl und Drehmoment übertragen, so dass sich beide Spindeln kinematisch gleich bewegen. Wird der Sperrmagnet stromlos geschaltet, sperrt dieser die Abtriebswelle in Form der ersten Spindel oder das kraftübertragende Element. Der Antrieb rutscht durch, während der Abtrieb steht. Dadurch bewegen sich die Muttern auf der ersten und der zweiten Spindel nicht mehr synchron und das linear bewegte Abtriebselement wird blockiert.
Alternativ oder zusätzlich kann das Getriebe zur Kopplung und Entkopplung der Drehbewegung der ersten Spindel und der zweiten Spindel ein leistungsverzweigtes Getriebe aufweisen. Das leistungsverzweigte Getriebe, z.B. eine Stufe eines Planetengetriebes, ist ebenfalls bevorzugt zwischen einer Zahnradstufe des Getriebes zur Erzeugung der Getriebeübersetzung und der zweiten Spindel angeordnet und ermöglicht eine Drehmomentwaage zwischen der ersten Spindel und der zweiten Spindel. Gemäß der Drehmomentwaage kann sich beispielsweise entsprechend einer Elastizität der ersten Mutter auf der ersten Spindel und der Übersetzung des leistungsverzweigten Getriebes eine derartige Verteilung der Drehmomente und Drehzahlen ergeben, dass der wesentliche Anteil, d.h. mehr als die Hälfte, der Antriebsleistung für das zu verstellende Abtriebselement über die zweite Spindel und die zweite Mutter erfolgt.
Das leistungsverzweigte Getriebe kann einen Sperrstift aufweisen, mittels welchem die kinematisch parallele Bewegung der ersten Spindel und der zweiten Spindel unterbunden werden kann. Der Sperrstift dient zum Halten des Abtriebselements in einer bestimmten Position. Dazu kann das leistungsverzweigte Getriebe Mittel aufweisen, welche dazu eingerichtet sind, den Sperrstift zwischen einer Sperrstellung und einer Freigabestellung zu bewegen. In der Sperrstellung kann der Sperrstift beispielsweise derart in ein Zahnradelement des leistungsverzweigten Getriebes eingreifen, dass sich die erste Spindel und die zweite Spindel nicht kinematisch parallel bewegen, wodurch sich die erste Spindel und die zweite Spindel blockieren und das zu verstellende Abtriebselement gehalten wird. Sofern eine Stufe eines Planetengetriebes vorgesehen ist, kann der Sperrstift in seiner Sperrstellung ein Hohlrad gegen fest koppeln, wodurch sich abweichende Drehzahlen für die erste Spindel und die zweite Spindel ergeben und sich die Spindeln gegenseitig blockieren. Gegebenenfalls kann eine aktive Sperre wie der vorstehend beschriebene Sperrstift auch komplett entfallen, wenn antreibende und rücktreibende Wirkungsgrade genügend unterschiedlich sind, so dass die Drehmomentwaage durch äußere Lasten und ein zusätzliches Schleppmoment am Hohlrad nicht in ein Gleichgewicht mit einer kinematisch parallelen Bewegung zu bringen sind.
Die erste Spindel kann einen polygonalen Querschnitt aufweisen und dazu eingerichtet sein, die Drehbewegung der ersten Spindel auf eine Schiebemuffe mit korrespondierender polygonaler Innenkontur zu übertragen. Alternativ oder zusätzlich kann die erste Spindel eine axiale Nut aufweisen und dazu eingerichtet sein, die Drehbewegung der ersten Spindel auf eine Schiebemuffe zu übertragen, welche ein mit der Nut korrespondierendes Innenprofil aufweist. Beiden Alternativen gemeinsam ist, dass eine in Umfangsrichtung formschlüssige, Drehbewegungen und Drehmomente übertragende Kopplung zwischen der ersten Spindel und der Schiebemuffe hergestellt werden kann. Die Schiebemuffe kann axial entlang der ersten Spindel verschieblich sein. Die Innenkontur der Schiebemuffe kann glatt ausgeführt sein, so dass die Schiebemuffe über den Kopfkreis der Gewindesteigungen der ersten Spindel gleitet und dabei in axialer Richtung nicht bewegt wird. Bevorzugt kann die Kopplung zwischen erster Spindel und Schiebemuffe wahlweise hergestellt oder getrennt werden. Die Schiebemuffe kann z.B. in oder an dem zu verstellenden Abtrieb mit der Drehzahl der ersten Spindel rotieren und dort für weitere Antriebs- oder Sperraufgaben sowie Schalt- und Betätigungsaufgaben genutzt werden. Beispielsweise kann die Schiebemuffe ein Getriebe beliebiger Bauform, z.B. ein Getriebe mit einer Zahnradstufe, antreiben, um die Drehbewegung für weitere Stellaufgaben im linear bewegten System nutzen zu können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der erste Gewindetrieb ein Trapez-/ oder Spitzgewindetrieb und der zweite Gewindetrieb ein Kugelgewindetrieb sein, wobei die selbsthemmende erste Spindel eine selbsthemmende Trapezgewindespindel mit einem Gewinde mit einer ersten Steigung und die erste Mutter eine Trapezgewindemutter ist, und wobei die zweite nicht selbsthemmende Spindel eine nicht selbsthemmende Kugelumlaufspindel mit einem Gewinde mit einer zweiten Steigung und die zweite Mutter eine Kugelumlaufmutter ist.
Der Trapez-/ oder Spitzgewindetrieb hat insbesondere den Vorteil, dass durch die vergleichsweise dicken oder vielen Gewindegänge besonders hohe Axialkräfte aufgenommen werden können. Dadurch wird ein besonders sicheres Blockieren des Abtriebselements möglich. Die Kugelumlaufspindel des Kugelgewindetriebs kann z.B. von der Kugelumlaufmutter umschlossen sein, wobei sich in Gewindegängen zwischen der Kugelumlaufspindel und der Kugelumlaufmutter Kugeln befinden. Die Kugeln können beispielsweise in einer endlosen Kugelkette angeordnet sein und über einen Kugelrücklaufkanal der Kugelumlaufmutter aus den Gewindegängen übernommen und wieder dorthin zurückgeführt werden. Alternativ zu einem Kugelrücklaufkanal können beispielsweise auch Lösungen mit einem Umlauf oder mehreren Kugelreihen vorgesehen sein. Der Kugelgewindetrieb weist bezüglich der linearen Verstellung einen besonders hohen Wirkungsgrad auf. Weiterhin ist er kostengünstig, weist einen relativ kleinen Durchmesser auf und kann insbesondere über unabhängige, redundante Kugelreihen verfügen.
Gegenüber dem Kugelgewindetrieb weist der Trapezgewindetrieb aufgrund der Gleitreibung zwischen Trapezgewindemutter und Trapezgewindespindel einen niedrigeren Wirkungsgrad und eine geringere Stelldynamik auf, so dass im Normalfall vorteilhafterweise die lineare Verstellung des Abtriebselements alleinig oder zum größten Teil über den Kugelgewindetrieb erfolgt. Die Selbsthemmung der Trapezgewindespindel kann bei einer Entkopplung der Trapezgewindespindel und der Kugelumlaufspindel zum Blockieren des Abtriebselements genutzt werden. Bei Ausfall der Kugelumlaufspindel kann ein axiales Verstellen des Abtriebselements mittels der Trapezgewindespindel sichergestellt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Trapezgewindemutter durch einen Leerweg von dem Abtriebselement beabstandet ist und bei angetriebener Trapezgewindespindel dazu eingerichtet ist, sich entlang der Trapezgewindespindel in Richtung des Abtriebselements zu bewegen und dadurch ein Sperrelement für die Kugelumlaufspindel zu betätigen. Mit anderen Worten kann, sofern ein Leerweg zwischen der Trapezgewindemutter und dem Abtriebselement vorgesehen ist, dieser Leerweg zum Schalten z.B. eines form- oder kraftschlüssigen Sperrelements genutzt werden, welches die Kugelumlaufspindel festsetzen kann.
Für die Nutzung des Sperrelements ist es notwendig, dass die Trapezgewindespindel angetrieben wird, z.B. indem sie mit einem Hauptantrieb festgekoppelt ist. Sofern eine Kopplung bzw. Entkopplung von Trapezgewindespindel und Kugelumlaufspindel lokal zwischen der Getriebeübersetzung und der Kugelumlaufspindel vorgesehen ist, ist es sinnvoll, dass die Kopplung nur bzw. erst dann erfolgt, wenn das Sperrelement die Kugelumlaufspindel nicht sperrt. Alternativ kann auch ein leistungsverzweigendes Getriebe zwischen dem Kugelgewindetrieb und dem Trapezgewindetrieb vorgesehen sein. Sobald, das Sperrelement die Kugelumlaufspindel nicht mehr sperrt, kann der Kugelgewindetrieb zugeschaltet werden und sich mit drehen.
Insbesondere kann die Trapezgewindemutter in axialer Richtung der Trapezgewindespindel beidseitig um einen Leerweg von dem Abtriebselement beabstandet sein, so dass bei einer äquidistanten Stellung der Trapezgewindemutter zwischen dem Abtriebselement der Leerweg in beiden Richtungen gleich ist. Das Sperrelement kann ferner insbesondere ein Aktivierungselement und ein Blockierelement umfassen, wobei die Bewegungen des Aktivierungselements und des Blockierelements mit der Bewegung der Trapezgewindemutter entlang der Trapezgewindespindel gekoppelt sind. Sofern sich die Trapezgewindemutter in ihrer äquidistanten Stellung befindet, kann sich das Blockierelement in einer Blockierstellung befinden, in welcher es die Kugelumlaufspindel festsetzt. Sofern sich die Trapezgewindemutter aus ihrer äquidistanten Stellung heraus auf das Abtriebselement zu bewegt, kann die Trapezgewindemutter das Aktivierungselement derart verstellen, dass es das Blockierelement aus seiner Blockierstellung in eine Freigabestellung bewegt, in welcher die Festsetzung der Kugelumlaufspindel durch das Blockierelement aufgehoben ist.
Das Blockierelement kann einen Sperrstift zum Festsetzen der Kugeln des Gewindetriebs umfassen. Der Sperrstift kann mittels des Aktivierungselements in eine Verschlussstellung und in eine Öffnungsstellung gebracht werden. In seiner Verschlussstellung kann der Sperrstift derart in einen Kugelrücklauf innerhalb der Kugelumlaufmutter eingeführt sein, dass ein Weg für die Kugeln innerhalb des Kugelrücklaufs verschlossen ist. Indem der Sperrstift in seine Verschlussstellung gebracht wird, kann somit eine Bewegung der Kugeln und damit auch der Kugelumlaufspindel unterbunden werden. In seiner Öffnungsstellung kann der Sperrstift derart aus dem Kugelrücklauf herausgeführt sein, dass der Weg für die Kugeln innerhalb des Kugelrücklaufs freigegeben ist. Indem der Sperrstift in seine Öffnungsstellung gebracht wird, können sich die Kugeln und damit auch die Kugelumlaufspindel (wieder) bewegen.
Der Sperrstift kann beispielsweise in seiner Öffnungsstellung vorgespannt sein, beispielsweise durch ein Federelement. Die Trapezgewindemutter kann in ihrer äquidistanten Stellung über das Aktivierungselement den Sperrstift entgegen seiner Vorspannung in seiner Verschlussstellung halten. Sofern sich die Trapezgewindemutter aus ihrer äquidistanten Stellung heraus auf das Abtriebselement zubewegt und somit der Leerweg einseitig verkürzt wird, kann sich der vorgespannte Sperrstift mittels der Trapezgewindemutter über das Aktivierungselement in seine Öffnungsstellung bewegen. Das Aktivierungselement kann beispielsweise ein lineares Kurvenprofil an der Trapezgewindemutter, eine Zahnstange, ein Zahnkreissegment, ein Hebel- oder ein Kurvenscheibengetriebe umfassen.
Durch beispielsweise Vibrationen, äußere Lasten oder Mikroschlupf kann sich die exakte kinematische Kopplung zwischen den Spindeln verstellen. Somit kann der Bedarf nach einer Nachjustierung der Kopplung bestehen. Zu diesem Zweck kann die erste Mutter gemäß einer weiteren Ausführungsform durch einen Leerweg von dem Abtriebselement beabstandet sein und der lineare Stellantrieb kann Sensoren aufweisen, welche dazu eingerichtet sind, zu erkennen ob bei einer Kopplung der Drehbewegung der ersten Spindel und der Drehbewegung der zweiten Spindel sich die erste Spindel und die zweite Spindel kinematisch parallel bewegen, wobei das Getriebe dazu eingerichtet ist, bei erkannter nicht kinematisch paralleler Bewegung der Spindeln eine nachfolgende Kopplung der Spindeln in einer entgegengesetzten Bewegungsrichtung der Spindeln zeitlich zu verzögern.
Die erste Mutter kann in axialer Richtung der ersten Spindel insbesondere beidseitig um einen Leerweg von dem Abtriebselement beabstandet sein, so dass bei einer äquidistanten Stellung der ersten Mutter zwischen dem Abtriebselement der Leerweg in beiden Richtungen gleich ist.
Als Sensoren können z.B. Drehzahlsensoren vorgesehen sein, insbesondere in der Kupplung innerhalb des Getriebes, welche die Drehzahlen der ersten Spindel und der zweiten Spindel erfassen. Alternativ oder zusätzlich kann wenigstens ein Positionssensor an der ersten Mutter vorgesehen sein, wobei der Positionssensor dazu eingerichtet ist, die relative axiale Position der ersten Mutter bezüglich des Abtriebselements zu erfassen und insbesondere festzustellen, ob sich die erste Mutter in ihrer äquidistanten Stellung befindet. Weiterhin können Lastmomentsensoren innerhalb eines Antriebselements, z.B. eines E-Motors, des linearen Stellantriebs vorgesehen sein. Ferner können in einer elastisch ausgeführten Kupplung des Getriebes oder in Lagern des Getriebes Lastsensoren angeordnet sein.
Die vorstehend beispielhaft genannten Sensoren können insbesondere dazu eingerichtet sein, zu erkennen ob die erste Mutter und das zu verstellende Abtriebselement nicht mehr mittig zueinander stehen, das heißt, dass sich die erste Mutter nicht länger in ihrer äquidistanten Stellung befindet bzw. eine erhöhte Last über die selbsthemmende erste Spindel geführt wird. Sofern ein solcher Zustand durch die Sensoren festgestellt wird, kann die Kupplung bei einem gegensinnigen Bewegungszyklus später geschlossen werden, um die erste Mutter auf der ersten Spindel wieder in ihre nicht mittragende äquidistante Stellung zurückzuführen. Durch eine solche Nachjustierung der Kupplung wird ermöglicht, dass das Verstellen des Abtriebselements dauerhaft mit hohem Wirkungsgrad über die zweite Spindel und die zweite Mutter erfolgen kann.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst ein linearer Stellantrieb ein Antriebselement, eine Sperre, z.B. wie durch die DE 10 2009 028 151 A1 oder DE 10 2009 028 152 A1 gezeigt, oder eine Bremse, eine von dem Antriebselement antreibbare Antriebswelle und mehrere Getriebe, welche jeweils ein mit der Antriebswelle verbundenes Eingangselement und ein mit der Antriebswelle verbindbares Ausgangselement sowie eine Kupplung mit Lastmomentsperre, z.B. wie durch die DE 10 2007 045 371 A1 gezeigt, mit definiertem Leerweg zur Verhinderung einer Drehmomentübertragung von dem Ausgangselement auf das Eingangselement aufweisen, wobei die Sperre oder die Bremse in einem geschlossenen Zustand vorgespannt ist, in welchem sie einen Antrieb der Antriebswelle durch das Antriebselement verhindert, und wobei die Sperre oder Bremse entgegen ihrer Vorspannung in eine geöffnete Stellung gebracht werden kann. Die Ausgangselemente können jeweils mit einem Spindelantrieb verbunden sein. Die Lastmomentsperre dient der Kupplung von Eingangselement und Ausgangselement.
Die Sperre oder Bremse ist „normally closed“, das heißt im nicht betätigten, z.B. stromlosen Zustand geschlossen. Die Sperre oder Bremse kann bevorzugt durch das Antriebselement, z.B. durch einen E-Motor, betätigt werden. Bei den Getrieben kann es sich insbesondere um FBSA-Getriebe eines Flugzeugs handeln. Falls in den Getrieben ein definierter Leerweg vorgesehen ist, kann die durch das Antriebselement geschaltete Sperre oder Bremse (analog Schaltfreilauf) eine besonders einfache Lösung darstellen.
Der lineare Stellantrieb kann eine zentrale Betätigungsanordnung zum gemeinsamen Öffnen der Sperre bzw. der Bremse oder zum Schalten der Kupplung mit Lastmomentsperre aufweisen. Die Betätigungsanordnung kann beispielsweise eine Schaltstange, eine Schaltmatrize oder eine Schaltwalze umfassen, wobei durch Verdrehen oder axiale Verschieben der beispielhaft genannten Elemente der Betätigungsanordnung ein zeitgleiches und gemeinsames Öffnen der Sperre bzw. der Bremse oder ein Schalten der Kupplung ermöglicht wird.
In einer Initialisierungsroutine eines einzelnen linearen Stellantriebs gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann bei geschlossener Kupplung ein Antriebselement, z.B. ein E-Motor, in beide Richtungen gedreht werden, bis die Blockierung (erkennbar am Anstieg des Strombedarfs des E-Motors und Abfall der Drehzahl) greift. Die Drehzahlen zwischen den Eingriffspunkten kann gezählt und aus einer der Endlagen um die Hälfte zurückgestellt werden. In dieser Position wird die kinematische Kopplung hergestellt, weil davon auszugehen ist, dass sich die erste Mutter nun in der Mittelstellung, d.h. in ihrer äquidistanten Stellung befindet.
Für einen linearen Stellantrieb gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung mit mehreren Spindel- bzw. Stellantrieben, die durch ein zentrales Antriebselement angetrieben werden, funktioniert diese Initialisierungsroutine auch, sofern sie selektiv für jeden einzelnen Stellantrieb durchgeführt wird: Im zu initialisierenden Stellantrieb kann die kinematische Kopplung aufgehoben werden, wobei alle anderen Stellantriebe gekoppelt sind. Die Endlagen können aus- bzw. angetastet werden (falls eine Lastmomentsperre installiert ist, sollte das Drehmoment unter dessen Auslöseschwelle liegen, um die Endlage nicht mit dem Auslösen des Lastmomentsperre zu verwechseln) und in der Mittelstellung wieder eingekoppelt werden.
Weiterhin ist vorteilhaft vorgesehen, dass über einen Leerweg selbstöffnende Sperren, z.B. analog wie durch DE 10 2007 045 371 A1 , DE 102 009 028 152 A1 oder DE 10 2009 028 151 A1 gezeigt, in das Antriebselement, ein Hauptgetriebe oder ein FBSA-Getriebe integriert sind.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt
1 eine Längsschnitt-Darstellung eines linearen Stellantriebs mit einem Trapezgewindetrieb und einem Kugelgewindetrieb, wobei ein schaltbares Kopplungselement vor dem Trapezgewindetrieb angeordnet ist,
2 eine Längsschnitt-Darstellung eines linearen Stellantriebs mit einem Trapezgewindetrieb und einem Kugelgewindetrieb, wobei ein schaltbares Kopplungselement vor dem Kugelgewindetrieb angeordnet ist und der Kugelgewindetrieb mittels eines weiteren Sperrelements blockierbar ist,
3 eine Teil-Längsschnitt-Darstellung eines linearen Stellantriebs mit einem Sperrelement, welches insbesondere in dem linearen Stellantrieb nach 2 eingesetzt werden kann,
4a eine Teil-Längsschnitt-Darstellung eines linearen Stellantriebs mit einem Trapezgewindetrieb und einem Kugelgewindetrieb, wobei eine Schiebemuffe mittels des Trapezgewindetriebs angetrieben wird,
4b eine Querschnitts-Darstellung des Stellantriebs nach 4a entlang der Schnittlinie A-A,
5 eine perspektivische Darstellung einer Trapezgewindespindel für die linearen Stellantriebe nach den 1 bis 4a und 4b, wobei die Trapezgewindespindel einen polygonalen Querschnitt aufweist und eine Schiebemuffe mit korrespondierender Innenkontur antreibt,
6 eine perspektivische Darstellung einer Schiebemuffe zum Einsatz auf der Trapezgewindespindel nach 5,
7 eine perspektivische Darstellung einer Trapezgewindespindel für die linearen Stellantriebe nach den 1 bis 4a und 4b, wobei die Trapezgewindespindel eine axiale Nut aufweist, in welche eine korrespondierende Außenkontur einer Schiebemuffe eingreifen kann,
8 eine Längsschnitt-Darstellung einer schaltbaren Kupplung für die linearen Stellantriebe nach den 1 bis 4a und 4b,
9 eine Längsschnitt-Darstellung eines linearen Stellantriebs mit einem Trapezgewindetrieb und einem Kugelgewindetrieb, wobei ein leistungsverzweigtes Getriebe vor dem Kugelgewindetrieb angeordnet ist, und
10 einen Schaltplan eines linearen Stellantriebs gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung mit zentraler Aktuatorik zum Schalten einer Kupplung.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines linearen Stellantriebs 1, welcher einen ersten Gewindetrieb in Form eines Trapezgewindetriebs 2 und einen zweiten Gewindetrieb in Form eines Kugelgewindetriebs 3 umfasst.
Der Trapezgewindetrieb 2 umfasst eine selbsthemmende erste Spindel in Form einer selbsthemmenden Trapezgewindespindel 4 und eine erste Mutter in Form einer Trapezgewindemutter 5, wobei das Gewinde der Trapezgewindespindel 4 eine erste Steigung aufweist. Der Kugelgewindetrieb 3 umfasst eine nicht selbsthemmende zweite Spindel in Form einer Kugelumlaufspindel 6 und eine zweite Mutter in Form einer Kugelumlaufmutter 7, wobei ein Gewinde der Kugelumlaufspindel 6 eine zweite Steigung aufweist.
Die Kugelumlaufspindel 6 ist – sofern sie angetrieben wird und sich dreht – dazu eingerichtet, die Kugelumlaufmutter 7 linear zu verstellen. In dem gezeigten Beispiel bildet die Kugelumlaufmutter 7 ein linear zu verstellendes Abtriebselement 8 aus. Das Abtriebselement 8 schließt die Trapezgewindemutter 5 ein, wobei das Abtriebselement 8 von der Trapezgewindemutter 5 in axialer Richtung beidseitig um einen Leerweg 9 getrennt ist und/oder mit der Trapezgewindemutter 5 über eine Elastizität, z. B. über zwei Federelemente 10, verbunden ist. Die Trapezgewindespindel 4 und die Kugelumlaufspindel 6 verlaufen parallel zueinander.
Ein Getriebe in Form eines FBSA-Getriebes 11 eines Flugzeugs ist dazu eingerichtet, eine Drehbewegung der Trapezgewindespindel 4 und eine Drehbewegung der Kugelumlaufspindel 6 mit einer linearen Getriebeübersetzung miteinander zu koppeln und voneinander zu entkoppeln. Dazu umfasst das Getriebe 11 eine Zahnradstufe 12 und ein schaltbares Koppelement 13, welches im nicht betätigten Zustand geöffnet ist. Die Trapezgewindespindel 4 und die Kugelumlaufspindel 6 sind axial fest und drehbar innerhalb des Getriebes 11 gelagert und können mittels des schaltbaren Koppelelements 13 sowie über zwei Zahnräder der Zahnradstufe 12 miteinander gekoppelt und voneinander entkoppelt werden. In dem durch 1 gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt die Kopplung bzw. Entkopplung zwischen der Zahnradstufe 12 und der Trapezgewindespindel 4.
Die Steigung des ersten Gewindes und des zweiten Gewindes sowie die Übersetzung durch die beiden Zahnräder der Zahnradstufe 12 innerhalb des Getriebes 11 sind derart aufeinander abgestimmt, dass sich die Trapezgewindespindel 4 und die Kugelumlaufspindel 6 kinematisch parallel zueinander bewegen können, sofern ihre Drehbewegungen miteinander gekoppelt sind. Sowohl die Trapezgewindespindel 4 als auch die Kugelumlaufspindel 6 können von einem nicht gezeigten Antriebselement, z.B. einem E-Motor, angetrieben werden. Durch die mechanische Kopplung zwischen der Trapezgewindespindel 4 und der Kugelumlaufspindel 6 kann die Trapezgewindespindel 4 oder die Kugelumlaufspindel 6 von dem Antriebselement angetrieben werden.
Die Trapezgewindemutter 5 ist axial verschieblich auf der Trapezgewindespindel 4 angeordnet und drehfest mit dem Abtriebselement 8 verbunden. Das Trapezgewinde der Trapezgewindespindel 4 kann sich bei einer Rotation axial durch die drehfest gehaltene Trapezgewindemutter 4 bewegen. Das Kugelumlaufgewinde der Kugelumlaufspindel 6 kann sich bei einer Rotation in ähnlicher Weise axial durch das drehfeste Abtriebselement 8 bewegen. Der Kugelgewindetrieb 3 dient dem Antrieb bzw. der axialen Verstellung des Abtriebselements 8, welches drehfest aber axial beweglich auf der Kugelumlaufspindel 6 gelagert ist. Wenn das schaltbare Koppelelement 13 die Trapezgewindespindel 4 und die Kugelumlaufspindel 6 über die Zahnradstufe 12 miteinander koppelt, überträgt die Kugelumlaufspindel 6 ihre Drehbewegung als translatorische Bewegung auf das Abtriebselement 8, welches sich dadurch axial entlang der Kugelumlaufspindel 6 bewegt.
Sofern die Drehbewegung der Trapezgewindespindel 6 und die Drehbewegung der Kugelumlaufspindel 6 nicht gekoppelt sind, können die selbsthemmende Trapezgewindespindel 4 und die die Trapezgewindemutter 5 ein Verstellen des Abtriebselements blockieren und somit ein unerwünschtes Verstellen verhindern. Die selbsthemmende Trapezgewindespindel 4 und die Trapezgewindemutter 5 erfüllen dabei die Funktion einer Vorrichtung zum Blockieren des linearen Stellantriebs 1 bzw. dessen Abtriebselements 8.
Die Trapezgewindespindel 4 ist weiterhin bei einer Drehbewegung dazu eingerichtet, über die Trapezgewindemutter 5 das Abtriebselement 8 linear zu verstellen. Durch die auf einander abgestimmten Steigungen von Trapezgewindespindel 4 und Kugelumlaufspindel 6 kann die Trapezgewindespindel 4 die Trapezgewindemutter 5 axial entlang der Trapezgewindespindel 4 derart verschieben, dass sich die Trapezgewindemutter 5 parallel zu der Kugelumlaufmutter 7 und dem Abtriebselement 8 bewegt.
Durch den Leerweg 9 oder die Elastizität 10 können die Hauptlast und die Hauptleistung mit hohem Wirkungsgrad über den Kugelgewindetrieb 3 gehen. Der Kugelgewindetrieb 3 kann somit für die lineare Verstellung des Abtriebselements 8 sorgen, während die Trapezgewindespindel 4 die Trapezgewindemutter 5 parallel zu dem Abtriebselement 8 verschiebt. Sollte der Kugelgewindetrieb 3 nicht länger die Funktion übernehmen können, die Kugelumlaufmutter 7 und das Abtriebselement 8 linear zu verstellen, z.B. im Falle eines mechanischen Schadens oder Bruchs des Kugelgewindetriebs 8, so kann der Trapezgewindetrieb 2 das Abtriebselement linear verstellen. Der Trapezgewindetrieb 2 kann somit die Funktion einer Rückfalllösung bzw. einer Redundanz für den Kugelgewindetrieb 3 erfüllen.
Die lineare Verstellung des Abtriebselements 8 mittels des Trapezgewindetriebs 2 kann derart erfolgen, dass die Trapezgewindespindel 4 bei einer Drehbewegung zunächst die Trapezgewindemutter 5 linear um den Leerweg 9 in Richtung des nicht durch den Kugelgewindetrieb 3 linear verstellten Abtriebselements 8 verstellt, bis kein Spalt mehr zwischen Trapezgewindemutter 5 und Abtriebselement 8 besteht und beide aneinander liegen. Ein weiteres Verstellen der Trapezgewindemutter 5 durch die Trapezgewindespindel 4 führt dann auch zu einem entsprechenden linearen Verstellen des Abtriebselements 8. Sofern die Trapezgewindemutter 5 mit dem Abtriebselement 8 über Elastizitäten 10 verbunden ist, kann ein Verstellen der Trapezgewindemutter 5 durch die Trapezgewindespindel 4 über die Elastizitäten 10 zu einem entsprechenden linearen Verstellen des Abtriebselements 8 führen.
Für den Betrieb des linearen Stellantriebs 1 sind Initialisierungsroutinen und Routinen mittels nicht gezeigter Sensoren zum Nachjustieren der Kopplung zwischen den Spindeln 4 und 6 vorgesehen. Durch Vibrationen, äußere Lasten oder Mikroschlupf kann sich die exakte kinematische Kopplung verstellen. Wird anhand von Drehzahlsensoren in dem schaltbaren Koppelelement 13 (jeweils einer auf beiden Wellen), Positionssensoren an der Trapezgewindemutter 5, anhand dem Motormoment oder Lastsensoren in der elastischen Kopplung oder Lagern erkannt, dass die Trapezgewindemutter 5 und Kugelumlaufmutter 7 bzw. das zu verstellende Abtriebselement 8 nicht mehr mittig zueinander stehen, bzw. erhöhte Last über die Trapezgewindespindel 4 geführt wird, so wird das Koppelelement 13 bei einem gegensinnigen Bewegungszyklus später geschlossen, um die Trapezgewindemutter wieder in ihre mittige, äquidistante und nicht mittragende Position zurückzuführen.
In dem durch 2 gezeigten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen linearen Stellantriebs erfolgt die Kopplung bzw. Entkopplung zwischen der Zahnradstufe 12 und der Kugelumlaufspindel 6. Durch diese Anordnung kann eine kraftschlüssige Kupplung mittels des schaltbaren Koppelelements 13 auch als Kraftbegrenzung bzw. Lastmomentsperre (Überlastsicherung) dienen. In diesem Zusammenhang kann insbesondere vorgesehen sein, eine in der DE 10 2007 045 371 A1 gezeigte Lastmomentsperre als schaltbares Koppelelement 13 einzusetzen.
Weiterhin unterscheidet sich das durch 2 gezeigte Ausführungsbeispiel von dem nach 1 durch größere Leerwege 9 zwischen der Trapezgewindemutter 5 und dem Antriebselement 8. Wie aus 3 ersichtlich, kann sich bei sich drehender Trapezgewindespindel 4 die mittels einer Verdrehsicherung 14 drehfest mit dem Antriebselement 8 verbundene Trapezgewindemutter 5 entlang der Trapezgewindespindel 4 in Richtung des Abtriebselements 8 bewegen und dadurch ein Sperrelement 15 für die Kugelumlaufspindel 6 betätigen.
3 zeigt, dass die Kugelumlaufspindel 6 von der Kugelumlaufmutter 7 umschlossen ist, wobei sich in Gewindegängen 16 zwischen der Kugelumlaufspindel 6 und der Kugelumlaufmutter 7 Kugeln 17 befinden. Die Kugeln 17 sind in einer endlosen Kugelkette angeordnet und werden über einen Kugelrücklaufkanal 18 der Kugelumlaufmutter 7 aus den Gewindegängen 16 übernommen und wieder dorthin zurückgeführt. Diese Art von Kugelgewindetrieb 3 kann beispielsweise in dem linearen Stellantrieb nach 1, 2 und 9 eingesetzt werden. Die in axialer Richtung der Trapezgewindespindel 4 beidseitig um jeweils den Leerweg 9 von dem Abtriebselement 8 beabstandete Trapezgewindemutter 5, befindet sich gemäß 3 in einer äquidistanten Stellung, in welcher der Leerweg 9 zwischen der Trapezgewindemutter und dem Abtriebselement 8 in beiden Richtungen gleich ist.
Das Sperrelement 15 umfasst ein Aktivierungselement 19 und ein Blockierelement 20, wobei die Bewegungen des Aktivierungselements 19 und des Blockierelements 20 mit der Bewegung der Trapezgewindemutter 5 entlang der Trapezgewindespindel 4 gekoppelt sind. Sofern sich die Trapezgewindemutter 5 in ihrer äquidistanten Stellung befindet, befindet sich das Blockierelement 20 in einer Blockierstellung, in welcher es die Kugelumlaufspindel 6 festsetzt. Sofern sich die Trapezgewindemutter 5 aus ihrer äquidistanten Stellung heraus auf das Abtriebselement 8 zu bewegt, kann die Trapezgewindemutter 5 das Aktivierungselement 19 derart verstellen, dass es das Blockierelement 20 aus seiner Blockierstellung in eine Freigabestellung bewegt, in welcher die Festsetzung der Kugelumlaufspindel 6 durch das Blockierelement 20 aufgehoben ist.
Das Blockierelement 20 umfasst dazu einen Sperrstift 21 zum Festsetzen der Kugeln 17 des Gewindetriebs 3 umfassen. Der Sperrstift 21 kann mittels des Aktivierungselements 19 in eine Verschlussstellung und in eine Öffnungsstellung gebracht werden. In seiner Verschlussstellung kann der Sperrstift 21 derart in einen Kugelrücklauf 18 innerhalb der Kugelumlaufmutter 7 eingeführt sein, dass ein Weg für die Kugeln 17 innerhalb des Kugelrücklaufs 18 verschlossen ist. Indem der Sperrstift 21 in seine Verschlussstellung gebracht wird, kann somit eine Bewegung der Kugeln 17 und damit auch der Kugelumlaufspindel 6 unterbunden werden. In seiner Öffnungsstellung kann der Sperrstift 21 derart aus der dem Kugelrücklauf 18 herausgeführt sein, dass der Weg für die Kugeln 17 innerhalb des Kugelrücklaufs 18 freigegeben ist. Indem der Sperrstift 21 in seine Öffnungsstellung gebracht wird, können sich die Kugeln 17 und damit auch die Kugelumlaufspindel 6 (wieder) bewegen.
Der Sperrstift 21 ist in seiner Öffnungsstellung durch ein Federelement 22 vorgespannt. Die Trapezgewindemutter 5 hält in ihrer äquidistanten Stellung über das Aktivierungselement 19 den Sperrstift 21 entgegen seiner Vorspannung in seiner Verschlussstellung. Sofern sich die Trapezgewindemutter 5 aus ihrer äquidistanten Stellung heraus auf das Abtriebselement 8 zubewegt und somit der Leerweg 10 einseitig verkürzt wird, kann sich der vorgespannte Sperrstift 21 mittels der Trapezgewindemutter 5 über das Aktivierungselement 19 in seine Öffnungsstellung bewegen. Das Aktivierungselement umfasst in dem durch 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ein lineares Kurvenprofil 23 an der Trapezgewindemutter 5. Für die Nutzung des Sperrelements 15 ist es notwendig, dass die Trapezgewindespindel 6 angetrieben wird, z.B. indem sie mit dem nicht gezeigten Antriebselement gekoppelt ist. Die Kopplung erfolgt nur bzw. erst dann, wenn das Sperrelement 15 die Kugelumlaufspindel 6 nicht sperrt.
Das durch 4a und 4b teilweise gezeigte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen linearen Stellantriebs 1 weist ähnlich wie durch 1 gezeigt einen Trapezgewindetrieb 2 und einen Kugelgewindetrieb 3 sowie ein nicht dargestelltes Getriebe auf, welches z.B. wie durch 1, 2 oder 9 gezeigt ausgeführt sein kann. Die Trapezgewindespindel 4 weist einen polygonalen Querschnitt auf (4b) und ist dazu eingerichtet, die Drehbewegung der Trapezgewindespindel 4 auf eine Schiebemuffe 24 mit korrespondierender polygonaler Innenkontur (4b) zu übertragen. 5 und 6 zeigen eine Trapezgewindespindel 4 und eine korrespondierende Schiebemuffe 24 mit alternativem polygonalen Querschnitt (Trapezgewindespindel) bzw. alternativer Innenkontur (Schiebemuffe). Die Trapezgewindespindel 4 kann weiterhin wie durch 7 gezeigt eine axiale Nut 25 aufweisen und dazu eingerichtet sein, die Drehbewegung der Trapezgewindespindel 4 auf die Schiebemuffe 24 (nicht durch 7 gezeigt) zu übertragen, welche ein mit der Nut 25 korrespondierendes Innenprofil aufweist. Den gezeigten Alternativen ist gemeinsam, dass eine in Umfangsrichtung formschlüssige, Drehbewegungen und Drehmomente übertragende Kopplung zwischen der Trapezgewindespindel 4 und der Schiebemuffe 24 hergestellt werden kann. Die Schiebemuffe 24 kann axial entlang der Trapezgewindespindel 4 verschieblich sein. Die Innenkontur der Schiebemuffe 24 kann glatt ausgeführt sein, so dass die Schiebemuffe 24 über einen Kopfkreis der Gewindesteigungen der Trapezgewindespindel 4 gleitet und dabei in axialer Richtung nicht bewegt wird. Die Schiebemuffe 24 rotiert an dem zu verstellenden Abtrieb 8 mit der Drehzahl der Trapezgewindespindel und treibt ein weiteres Getriebe 26 mit einer weiteren Zahnradstufe 27 an, um die Drehbewegung für weitere Stellaufgaben im linear bewegten System nutzen zu können.
8 zeigt ein schaltbares Koppelelement in Form einer schaltbaren Kupplung 28 für ein im Folgenden beschriebenes mechanisch invertiertes Sperrenkonzept. Das z.B. durch 1 und 2 gezeigte Getriebe 11 zur Kopplung und Entkopplung der Drehbewegung der Trapezgewindespindel 4 und der Kugelumlaufspindel 6 kann die durch 8 gezeigte schaltbare kraftschlüssige Kupplung 28 aufweisen. Die schaltbare Kupplung 28 weist Lamellen 29 auf und ist in einer geschlossenen Stellung mittels einer Federscheibe 30 vorgespannt. Ferner umfasst die schaltbare Kupplung einen Sperrmagnet 31, welcher dazu eingerichtet ist, die Kupplung 28 entgegen der Vorspannung in eine geöffnete Stellung zu bringen. Die kraftschlüssige Kupplung 28 ist bevorzugt zwischen der Zahnradstufe 12 des Getriebes 11 zur Erzeugung der Getriebeübersetzung und der Kugelumlaufspindel 6 angeordnet, wobei die in 8 links dargestellte Welle 6‘ zu der Zahnradstufe 12 führt (vgl. 2). Die kraftschlüssige Kupplung 28 ist im Normalfall mittels der Federkraft der Federscheibe 30 geschlossen und kann durch den Sperrmagneten 31, welcher in dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen Hubmagnet 32 mit einem Sperrbolzen 33 als Anker umfasst, besonders vorteilhaft abtriebsseitig blockiert werden. Der Sperrmagnet 31 ist im stromlosen Zustand geschlossen. Im bestromten Zustand ist der Sperrmagnet 31 geöffnet und die kraftschlüssige Kupplung 28 überträgt Drehzahl und Drehmoment, so dass sich beide Spindeln 4 und 6 (vgl. 2) kinematisch gleich bewegen. Wird der Sperrmagnet 31 stromlos geschaltet, sperrt dieser die Abtriebswelle in Form der Kugelumlaufspindel 6 oder das kraftübertragende Element. Der Antrieb rutscht durch, während der Abtrieb steht. Dadurch bewegen sich die Muttern 5, 7 auf den Spindeln 4, 6 (vgl. 2) nicht mehr synchron und das linear bewegte Abtriebselement 8 (vgl. 2) wird blockiert.
Das durch 9 gezeigte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen linearen Stellantriebs 1 weist ähnlich wie durch 2 gezeigt einen Trapezgewindetrieb 2 und einen Kugelgewindetrieb 3 sowie ein Getriebe 11 mit einer Zahnradstufe 12 auf. Anstatt eines schaltbaren Koppelelements 13 (vgl. 2) weist das Getriebe 11 zur Kopplung und Entkopplung der Drehbewegung der Trapezgewindespindel 4 und der Kugelumlaufspindel 6 ein leistungsverzweigtes Getriebe 35 auf. Das leistungsverzweigte Getriebe 35, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Stufe eines Planetengetriebes, ist zwischen der Zahnradstufe 12 des Getriebes 11 angeordnet und ermöglicht eine Drehmomentwaage zwischen der Trapezgewindespindel 4 und der Kugelumlaufspindel 6. Gemäß der Drehmomentwaage ergibt sich entsprechend einer Elastizität der Trapezgewindemutter 5 auf der Trapezgewindespindel 4 und der Übersetzung des leistungsverzweigten Getriebes 34 eine derartige Verteilung der Drehmomente und Drehzahlen, dass der wesentliche Anteil, d.h. mehr als die Hälfte, der Antriebsleistung für das zu verstellende Abtriebselement 8 über die Kugelumlaufspindel 6 und die Kugelumlaufmutter 7 erfolgt.
Zum Halten des Abtriebselements 8 kann der Antrieb durch einen nicht gezeigten Sperrstift blockiert werden. Dabei wird ein Hohlrad 35 des Planetengetriebes 34 gegen fest gekoppelt, so dass sich andere Drehzahlen ergeben, wodurch die Spindelantriebe 2, 3 blockieren. Gegebenenfalls kann eine aktive Sperre wie der Sperrstift auch komplett entfallen, wenn antreibende und rücktreibende Wirkungsgrade genügend unterschiedlich sind, so dass die Drehmomentwaage durch äußere Lasten und ein zusätzliches Schleppmoment am Hohlrad 35 nicht in das Gleichgewicht zu bringen sind.
10 zeigt einen linearen Stellantrieb 36 mit einem Antriebselement 37, einer Sperre 38, z.B. wie durch die DE 10 2009 028 151 A1 oder DE 10 2009 028 152 A1 gezeigt, und mit einer von dem Antriebselement 37 über ein Hauptgetriebe 39 antreibbaren Antriebswelle 40. Mehrere FBSA-Getriebe 41 für ein Flugzeug umfassen jeweils ein mit der Antriebswelle 40 verbundenes Eingangselement und ein mit der Antriebswelle 40 verbindbares Ausgangselement sowie eine Kupplung mit Lastmomentsperre, z.B. wie durch die DE 10 2007 045 371 A1 gezeigt, mit definiertem Leerweg zur Verhinderung einer Drehmomentübertragung von dem Ausgangselement auf das Eingangselement. Die Ausgangselemente der FBSA-Getriebe 41 sind jeweils mit einem linearen Spindelantrieb 42 verbunden.
Die Sperre 38 ist in einem geschlossenen Zustand vorgespannt, in welchem sie einen Antrieb der Antriebswelle 40 durch das Antriebselement 37 verhindert. Die Sperre 38 kann ferner entgegen ihrer Vorspannung in eine geöffnete Stellung gebracht werden. Die Sperre 38 ist „normally closed“, das heißt im nicht betätigten, z.B. stromlosen Zustand, geschlossen. Die Sperre 38 kann bevorzugt durch das Antriebselement 37, z.B. durch einen E-Motor, betätigt werden. Der lineare Stellantrieb 1 weist ferner eine zentrale Betätigungsanordnung zum gemeinsamen Schalten der Kupplungen innerhalb der FBSA-Getriebe 41 auf. Die Betätigungsanordnung umfasst in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Schaltstange 43, welche mittels eines Aktuators 44 verdreht oder axial verschoben werden kann, um ein Schalten der Kupplungen innerhalb der FBSA-Getriebe 41 zu bewirken.
Bezugszeichenliste

1: linearer Stellantrieb
2: Trapezgewindetrieb
3: Kugelgewindetrieb
4: Trapezgewindespindel
5: Trapezgewindemutter
6: Kugelumlaufspindel
7: Kugelumlaufmutter
8: Abtriebselement
9: Leerweg
10: Federelemente
11: FBSA-Getriebe
12: Zahnradstufe
13: schaltbares Kupplungselement
14: Verdrehsicherung
15: Sperrelement
16: Gewindegänge
17: Kugeln
18: Kugelrücklauf
19: Aktivierungselement
20: Blockierelement
21: Sperrstift
22: Federelement
23: Kurvenprofil
24: Schiebemuffe
25: axiale Nut
26: weiteres Getriebe
27: weitere Zahnradstufe
28: Kupplung
29: Lamellen
30: Federscheibe
31: Sperrmagnet
32: Hubmagnet
33: Sperrbolzen
34: leistungsverzweigtes Getriebe
35: Hohlrad
36: linearer Stellantrieb
37: Antriebselement
38: Sperre
39: Hauptgetriebe
40: Antriebswelle
41: FBSA-Getriebe
42: linearer Spindelantrieb
43: Schaltstange
44: Aktuator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2009028568 A1 [0003, 0003]
DE 102007045371 A1 [0010, 0034, 0039, 0063, 0073]
DE 102009028151 A1 [0034, 0039, 0073]
DE 102009028152 A1 [0034, 0039, 0073]

Claims

Linearer Stellantrieb (1) umfassend – einen ersten Gewindetrieb (2) mit einer selbsthemmenden ersten Spindel (4) und einer ersten Mutter (5), wobei ein Gewinde der ersten Spindel (4) eine erste Steigung aufweist, – einen zweiten Gewindetrieb (3) mit einer nicht selbsthemmenden zweiten Spindel (6) und einer zweiten Mutter (7), wobei ein Gewinde der zweiten Spindel (6) eine zweite Steigung aufweist, – ein Getriebe (11), welches dazu eingerichtet ist, eine Drehbewegung der ersten Spindel (4) und eine Drehbewegung der zweiten Spindel (6) mit einer Getriebeübersetzung miteinander zu koppeln und voneinander zu entkoppeln, wobei – die erste Steigung des Gewindes der ersten Spindel (4) und die zweite Steigung des Gewindes der zweiten Spindel (6) sowie die Getriebeübersetzung derart aufeinander abgestimmt sind, dass bei einer Kopplung der Drehbewegung der ersten Spindel (4) und der Drehbewegung der zweiten Spindel (6) sich die erste Spindel (4) und die zweite Spindel (6) kinematisch parallel bewegen, – die zweite Spindel (6) bei einer Drehbewegung dazu eingerichtet ist, über die zweite Mutter (7) ein Abtriebselement (8) linear zu verstellen, und – die erste Spindel (4) bei einer Drehbewegung dazu eingerichtet ist, über die erste Mutter (5) das Abtriebselement (8) linear zu verstellen.
Linearer Stellantrieb (1) nach Anspruch 1, wobei das Getriebe (11) zur Kopplung und Entkopplung der Drehbewegung der ersten Spindel (4) und der zweiten Spindel (6) eine kraftschlüssige Kupplung (28) aufweist, welche in einer geschlossenen Stellung vorgespannt ist und einen Sperrmagneten (31) aufweist, welcher dazu eingerichtet ist, die Kupplung (28) entgegen der Vorspannung in eine geöffnete Stellung zu bringen.
Linearer Stellantrieb (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Getriebe (11) zur Kopplung und Entkopplung der Drehbewegung der ersten Spindel (4) und der zweiten Spindel (6) ein leistungsverzweigtes Getriebe (34) aufweist.
Linearer Stellantrieb (1) nach Anspruch 3, wobei das leistungsverzweigte Getriebe (34) einen Sperrstift aufweist, mittels welchem die kinematisch parallele Bewegung der ersten Spindel (4) und der zweiten Spindel (6) unterbunden werden kann.
Linearer Stellantrieb (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Spindel (4) einen polygonalen Querschnitt aufweist und dazu eingerichtet ist, die Drehbewegung der ersten Spindel (4) auf eine Schiebemuffe (24) mit korrespondierender polygonaler Innenkontur zu übertragen.
Linearer Stellantrieb (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Spindel (4) eine axiale Nut (25) aufweist und dazu eingerichtet ist, die Drehbewegung der ersten Spindel (4) auf eine Schiebemuffe (24) zu übertragen, welche ein mit der Nut (25) korrespondierendes Innenprofil aufweist.
Linearer Stellantrieb (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Gewindetrieb (2) ein Trapezgewindetrieb und der zweite Gewindetrieb (3) ein Kugelgewindetrieb ist, wobei die selbsthemmende erste Spindel (4) eine selbsthemmende Trapezgewindespindel mit einem Gewinde mit einer ersten Steigung und die erste Mutter (5) eine Trapezgewindemutter ist, und wobei die nicht selbsthemmende zweite Spindel (6) eine nicht selbsthemmende Kugelumlaufspindel mit einem Gewinde mit einer zweiten Steigung und die zweite Mutter (7) eine Kugelumlaufmutter ist.
Linearer Stellantrieb (1) nach Anspruch 7, wobei die Trapezgewindemutter (5) durch einen Leerweg (9) von dem Abtriebselement (8) beabstandet ist und bei angetriebener Trapezgewindespindel (4) dazu eingerichtet ist, sich entlang der Trapezgewindespindel (4) in Richtung des Abtriebselements (8) zu bewegen und dadurch ein Sperrelement (15) für die Kugelumlaufspindel (6) zu betätigen.
Linearer Stellantrieb (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Mutter (5) durch einen Leerweg (9) von dem Abtriebselement (8) beabstandet ist und der lineare Stellantrieb (1) Sensoren aufweist, welche dazu eingerichtet sind, zu erkennen ob bei einer Kopplung der Drehbewegung der ersten Spindel (4) und der Drehbewegung der zweiten Spindel (6) sich die erste Spindel (4) und die zweite Spindel (6) kinematisch parallel bewegen, wobei das Getriebe (11) dazu eingerichtet ist, bei erkannter nicht kinematisch paralleler Bewegung der Spindeln (4, 6) eine nachfolgende Kopplung der Spindeln (4, 6) in einer entgegengesetzten Bewegungsrichtung der Spindeln (4, 6) zeitlich zu verzögern.
Linearer Stellantrieb (36) umfassend ein Antriebselement (37), eine Sperre (38) oder Bremse, eine von dem Antriebselement (37) antreibbare Antriebswelle (40) und mehrere Getriebe (41), welche jeweils ein mit der Antriebswelle (40) verbundenes Eingangselement und ein mit der Antriebswelle (40) verbindbares Ausgangselement sowie eine Kupplung mit Lastmomentsperre mit definiertem Leerweg zur Verhinderung einer Drehmomentübertragung von dem Ausgangselement auf das Eingangselement aufweisen, wobei die Sperre (38) oder Bremse in einem geschlossenen Zustand vorgespannt ist, in welchem sie einen Antrieb der Antriebswelle (40) durch das Antriebselement (37) verhindert, und wobei die Sperre (38) oder Bremse entgegen ihrer Vorspannung in eine geöffnete Stellung gebracht werden kann.