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Schraubfederkupplungsanordnung Die Erfindung betrifft eine Schraubfederkupplungsanordnung,
die mit einem gehäusefesten Bauteil zusammenwirken kann, für eine Antriebsverbindung
zwischen zwei Wellenteilen.
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Bei den älteren Flugzeugtypen und auch bei den heutigen kleinen Flugzeugen
reicht die menschliche Kraft des Piloten im allgemeinen noch aus, um die einzelnen
Teile des Leitwerks, wie Querruder, Seitenruder, Höhenruder oder Landeklappen, zu
betätigen. Insbesondere bei Flugzeugen, die sehr hohe Geschwindigkeiten erreichen
' müssen jedoch gewaltige Kräfte zur Bedienung der aerodynamischen Leitwerke
aufgebracht werden, so daß man immer häufiger gezwungen ist, Kraftverstärkungssysteme,
z. B. Servomotoren, zu Hilfe zu nehmen.
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Bekannt sind Kraftverstärkungssysteme für die Verstärkung hydraulischer,
pneumatischer oder elektromechanischer Kräfte. Beim Flugzeugbau ist man jedoch aus
Gründen der Einfachheit und Sicherheit bestrebt, rein mechanische Kraftverstärkungssysteme
bzw. Servomotoren zu entwickeln, die zur Steuerung der Leitwerke und damit des Flugzeugs
verwendet werden können.
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Derartige Servomotoren sind Motoren, deren Antriebswelle mit konstanter
Drehzahl umläuft und in einer neutralen Stellung vom anzutreibenden Bauteil mechanisch
entkoppelt ist. Wird von einer Bedienungsperson, beispielsweise vom Piloten eines
Flugzeugs, eine bestimmte Bewegung des Bauteils gewünscht, dann wird mit verhältnismäßig
geringem Kraftaufwand eine Kupplung betätigt, die die Antriebswelle des Servomotors
mit dem getriebenen Bauteil koppelt, so daß dieser allein durch die Kraft des Motors
bzw. das übertragene Drehmoment in Bewegung gesetzt wird. Problematisch bei der
Herstellung von geeigneten Servornotoren für mechanische Steuerungssysteme ist die
Herstellung geeigneter Kupplungen zwischen dem Servomotor und dem getriebenen Bauteil,
da der getriebene Bauteil in den meisten Fällen entweder in eine von zwei möglichen
Richtungen bewegt werden oder sich in einem arretierten Zustand befinden soll.
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Zum Kuppeln verwendet man bei bekannten Konstruktionen Schraubfederkupplungsanordnungen.
Sie besitzen den Nachteil, daß eine Schraubenfeder im allgemeinen nur in der einen
Richtung zum Antrieb oder Abbremsen eines Bauteils verwendet werden kann, während
sie in der anderen Richtung unwirksam ist.
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Bei einer bekannten Ausführungsform ist beispielsweise eine Schraubenfeder
normalerweise um ein Wellenteil schwach kontrahiert. Wird der Wellenteil in der
einen Richtung gedreht, dann wird die Schraubenfeder noch weiter kontrahiert und
damit der Wellenteil abgebremst, während in der entgegengesetzten Drehrichtung die
Schraubenfeder keinen Einfluß auf den Wellenteil hat. Bei einer anderen bei Waschmaschinen
gebräuchlichen Ausführungsforin wird eine Schraubfederkupplung dazu benutzt, einen
Wellenteil mit einem treibenden Wellenteil zu verbinden und mitzuführen, wenn sich
die Schraubenfeder im kontrahierten Zustand befindet. Soll die Drehbewegung des
getriebenen Wellenteils aufhören, dann muß dieser vom Antriebswellenteil entkoppelt
werden. In diesem Zustand ist dann der getriebene Bauteil ungebremst und frei in
beliebiger Richtung drehbar. Für Steuerungszwecke sind die bekannten Anordnungen
nur sehr wenig brauchbar.
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Der Erfindung liegt deswegen die Aufgabe zugrunde, eine Schraubfederkupplungsanordnung
vorzuschlagen, die besser als die bekannten Schraubfederkupplungsanordnungen für
Steuerungszwecke, beispielsweise für Servomotoren für Flugzeugsteuerungen, geeignet
ist. Sie soll drei Stellungen aufweisen, nämlich eine erste Betriebsstellung, in
der eine Antriebsverbindung zwischen einem treibenden und
einem
getriebenen Wellenteil besteht, ferner eine zweite Betriebsstellung, in der der
getriebene Bauteil in entgegengesetzter Richtung frei drehbar ist, und eine neutrale
Stellung, in der der getriebene Bauteil in der Richtung, in der er in der ersten
Betriebsstellung gedreht wird, arretiert ist.
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Die eingangs beschriebene Schraubfederkupplungsanordnung ist dazu
erfindungsgemäß so angeordnet, daß sie in einer neutralen Stellung den getriebenen
Wellenteil mit dem gehäusefesten Bauteil fest verbindet, in einer zweiten Betriebsstellung
in entgegengesetzter Drehrichtung jedoch auf dem gehäusefesten Bauteil schleift.
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Zur Betätigung der Kupplungsschraubenfeder ist vorzugsweise eine Hilfssehraubenfeder
vorgesehen. Für eine entgegengesetzte Drehrichtung des getriebenen Wellenteils ist
eine zweite gleichartige Kupplungsanordnung vorgesehen, wobei die beiden Kupplungsanordnungen
alternativ über einen mit der Hilfsschraubenfeder verbundenen Hebelmechanismus betätigt
werden.
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Die Erfindung wird nun in Verbindung mit den Figuren an einem Ausführungsbeispiel
erläutert.
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F i g. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Servomotors,
in dem eine Schraubfederkupplungsanordnung nach der Erfindung eingebaut ist; F i
g. 2 zeigt einen Schnitt durch den Servomotor nach der F i g.
1.
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Die Figuren zeigen einen Servomotor mit einer Eingangswelle
76 und einer Ausgangswelle 88, die beide in einem Gehäuse
70 gelagert sind. Der Servomotor enthält einen treibenden Wellenteil
72, der über ein Zahnrad 74 auf der Eingangswelle 76 in einer Richtung,
und einen zweiten treibenden Wellenteil 78, der über ein Zahnrad
80 auf der Welle 76 und ein Zwischenzahnrad 82 in entgegengesetzter
Richtung angetrieben wird. Zwischen den beiden Wellenteilen 72 und
78 ist ein getriebener Wellenteil 84 angeordnet, der seinerseits ein auf
der Ausgangswelle 88
befestigtes Zahnrad 86 antreibt. Die beiden Wellenteile
72 und 78 sind mit gehäusefesten Bauteilen 90
und
92 koaxial angeordnet. Die übertragung des Drehmoments vom Wellenteil
72 bzw. 78 auf den Wellenteil 84 wird durch zwei genau tolerierte
Schraubenfedern 94 und 96 bewirkt. Das innere oder rechte Ende der Schraubenfeder
94 ist am Wellenteil 84 bei 98 und das innere oder linke Ende der Schraubenfeder
96 am Wellentell 84 bei 100 angekeilt.
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Der gehäusefeste Bauteil 90 besitzt eine zylindrische äußere
Oberfläche 102 und ein Teil der Nahe des Wellenteils 84 eine ähnliche zylindrische
äußere Oberfläche 104. Beide Oberflächen sind durch die innere Oberfläche der kontrahierten
Schraubenfeder 94 normal belegt. Weiterhin weist die Nahe des treibenden Wellenteils
72 eine zylindrische innere Oberfläche 106
und die Nahe des getriebenen
Wellenteils 84 eine ähnliche zylindrische innere Oberfläche 108 auf. Die
beiden Oberflächen 106 und 108 haben ein leichtes Berührungsspiel
mit der äußeren Oberfläche der Schraubenfeder 94, solange sich diese im kontrahierten
Zustand befindet.
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Das linke Ende der Schraubenfeder 94 kann von dem gehäusefesten Bauteil
90 gelöst werden, bis es gegen die Oberfläche 106 anliegt. Dadurch
wird die Schraubenfeder allmählich immer mehr ausgedehnt und auf ihrer gesamten
Länge gegen die Oberflächen 106 und 108 gelegt, so daß sie in dieser
Betriebsstellung eine Antriebsverbindung zwischen den beiden Wellenteilen
72 und 84 darste)Jt. Wenn das Uke Ende der Schraubenfeder 94 losegelassen
wird, dann löst sich die Schraubenfeder von der Oberfläche 106
immer mehr,
bis sie wieder in ihrer gesamten Länge von den Oberflächen abgesetzt und um die
Oberflächen 102 und 104 kontrahiert ist. In dieser neutralen Stellung sperrt die
Schraubenfeder den getriebenen Wellenteil 84 für Bewegungen in der Richtung, die
durch den treibenden Wellenteil 72 vorgegeben ist.
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Um die Schraubenfeder 94 mit Hilfe einer sehr kleinen Kraft zur Herstellung
der Abtriebsverbindung bzw. der ersten Betriebsstellung zu betätigen, wird eine
kleine Hilfsschraubenfeder 110 verwendet, die sich am linken Ende der Schraubenfeder
94 anschmiegt. Das linke Ende der Hilfsschraubenfeder 110
weist einen Mitnehmer
112 auf, der in eine Nut eines Zahnrades 114 eingreift, welches mittels eines Lagers
118 frei drehbar auf einer axial bewegbaren Scheibe 116 befestigt
ist. Ein Teil des Zahnrades 114 kann über eine Reibungskupplung 120 mit dem treibenden
Wellenteil 72 gekoppelt werden. Die Scheibe 116 ist auf einer Welle
122 befestigt, die über einen Hebelmechanismus, der über ein Zahnrad 124 betätigt
wird, nach rechts oder links verschoben werden kann. Bei einer Verschiebung nach
rechts legt sich die Reibungskupplung gegen den Wellenteil 72, so daß das
Zahnrad 114 angetrieben und das linke Ende der Hilfssehraubenfeder 110 losgewickelt
wird. Dadurch wird die Schraubenfeder 94 angehoben und immer mehr losgewickelt,
bis die beiden Wellenteile 72 und 84 antriebsmäßig verbunden sind.
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Der Wellenteil wird so lange im gleichen Drehsinn wie der treibende
Wellenteil 72 angetrieben, wie die Reibungskupplung betätigt ist. Wird die
Kupplung zwischen dem Zahnrad 114 und dem Wellenteil 72
aufgehoben, dann wird
auch der Wellenteil 72 vom Wellenteil 84 entkoppelt, und der Wellenteil 84
ist für eine Weiterdrehung blockiert.
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Im rechten Teil der F i g. 2, der die Schraubenfeder
96 enthält, sind im wesentlichen die gleichen Teile wie im linken Teil der
F i g. 2 vorhanden. Gleichartige Bauteile sind daher mit einem Bezugszeichen
mit einem Strich im Index versehen.
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Die Anordnung im rechten Teil der F i g. 2 ist derart getroffen,
daß der getriebene Wellenteil 84 in der einen Betriebsstellung durch eine Schraubfederkupplungsanordnung
zwischen den beiden Wellenteilen 78
und 84 in der entgegengesetzten Drehrichtung
wie vom Wellenteil 72 angetrieben bzw. in einer neutralen Stellung gegenüber
einer Bewegung in der vom getriebenen Wellenteil bewirkten Drehrichtung arretiert
wird, wobei keine Antriebsverbindung zu dem Wellenteil 78 besteht. Wenn daher
kein Steuerungssignal vorhanden ist, dann ist der getriebene Wellenteil in der einen
Drehrichtung von der Schraubenfeder 94 und in der entgegengesetzten Drehrichtung
von der Schraubenfeder 96 arretiert.
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Um eine gleichzeitige versehentliche Antriebsverbindung über beide
Schraubenfedem 94 und 96 zu vermeiden, sind die Zahnräder 114 und 114' durch
eine Welle 128, die an ihren Enden mit Zahnrädern 130 und
130' versehen ist, die mit den Zahnrädern 114 und 114' zusammenwirken, verbunden
und dadurch zu einer gleichartigen Bewegung gezwungen.
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Das Zahnrad 124 des Hebelmechanismus greift in eine Zahnscheibe
132 mit fester Schwenkachse 134 ein, an der ein Hebel 136 befestigt
ist, der bei 140 an
einem weiteren Hebel 138 angelenkt ist.
Das andere Ende des Hebels 138 ist bei 142 an der Welle 122 angelenkt.
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Die Ausgangswelle 88 des Servomotors kann zu einem Drehmomentbegrenzer
führen, der über eine Rückkupplungswelle 144 mit dem Hebelmechanismus verbunden
ist. Die Rückkupplungswelle greift in eine Hülse 146 mit Innengewinde ein, die bei
148 drehbar mit dem Hebel 138 verbunden ist.
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Beim Schwenken des Hebels 136 mittels des Zahnrades 124 um
die Schwenkachse 134 wird der Hebel 138 ebenfalls verschwenkt, bis die Welle
122 die gewünschte Stellung einnimmt. Dadurch wird der Ausgangswelle 88 eine
Drehbewegung erteilt, so daß über die Hülse 146 und den Hebel 138 die Welle
122 wieder in die Mittelstellung gebracht wird, wenn die Zahl der Umdrehungen des
Zahnrades 86 dem Winkel proportional ist, um den der Hebel 136 zu
Beginn dieses Vorgangs geschwenkt worden ist. Hierdurch ist die Drehung des Zahnrades
86 zu jedem Zeitpunkt eine Funktion des Schwenkwinkels des Hebels
136, der durch das Zahnrad 124 bewirkt wird. Durch eine relativ kleine, am
Zahnrad 124 angreifende Kraft können demnach relativ große Kräfte auf das Zahnrad
86
übertragen werden.
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Die beschriebene Schraubfederkupplungsanordnung eignet sich besonders
für Steuerungssysteme, da sie über die Welle 122 sehr schnell von einer Betriebsstellung
in die neutrale oder Mittelstellung gestellt werden kann. Die Schraubfederkupplungsanordnung
spricht auf kleine oder große Stellungswechsel in beiden Richtungen mit gleicher
Leichtigkeit an.