DE2029287A1 - Servostellantrieb mit hydraulischer Waage - Google Patents
Servostellantrieb mit hydraulischer WaageInfo
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Description
69-B III-035 Bremen, den 12. Juni 197ο
■ Lu B - Sm/ka
Vereinigte Flugtechnische Werke-Fokker
Gesellschaft mit "beschränkter Haftung
Servostellantrieb mit hydraulischer Waage
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Überwachung und Anpassung von
mehreren auf einen gemeinsamen Ausgang wirkenden elektrohydraulischen
Stellantrieben mit durch Servoventil© gesteuerten Arbeitszylindern, deren Kolben fest miteinander verbunden sind.
Zur Steuerung von beweglichen Objekten, insbesondere von modernen Hochleistungsflugzeugen,
werden Stellantriebe mit großer Stellgenauigkeit benötigt. Hierfür sind Ausführungsformen einfacher und mehrfacher hydraulischer
Stellantriebe bekannt, bei denen durch Servoventile gesteuerte Arbeitszylinder auf einen gemeinsamen Ausgang wirken. Die Mehrfachantriebe
bilden hierbei eine Kombination aus mindestens zwei Einfachantrieben, deren Ausgänge über mechanische Kupplungen mit dem gemeinsamen
Ausgang verbunden sind. Die Überwachung der Stellgenauigkeit jedes Einfachantriebes
kann durch ein nachgebildetes Vergleichsmodell, ein sog.
Analogon, und durch eine lastunabhängige elektrische oder hydraulische Vergleichseinrichtung erfolgen.
Hiermit lassen sich aber den Stellmotor beeinflussende Größen nicht
vollständig nachbilden. Daher muß für die Fehlererkennung und -abschaltung
eine relativ große Abweichung als Erkennungsmarke gewählt und überschritten werden, so daß am Stellmotorausgang ein großer Fehlerweg entsteht.
Darüberhinaus bleibt der Abschaltschwellwert für 'jeden Einfachantrieb eines Mehrfachantriebes gleich.
-2-
109852/0794
Weiterhin kann bei den Mehrfachantrieben durch Bautoleranzen der Servoventile und, besonders bei elektrischer Ansteuerung, durch Signalunterschiede
im Zusammenhang mit der mechanischen Kupplung unter Umständen ein, Gegoneinanderwirken der einzelnen Arbeitszylinder entstehen.
Dadurch wird aber die Stellgenauigkeit des Gesamtantriebes weiter verschlechtert, die durch eine hohe Verstärkung des Rückführsignals nicht wieder verbessert werden kann, da der Stellantrieb
sonst instabil wird«,
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrund®, die Stellgenauigkeit von
Einfach- und Hehrfachantrieben bei relativ weiten Toleranzen der einzelnen Baugruppen und Bauteilen unter Vermeidung eines sich am
Antriebsausgang auswirkenden Fehlers zu erhöhen und eine Vorrichtung vorzusehen, die nach der. Abschaltung eines fehlerhaften Arbeitszylinders
die verbleibenden weiterhin überwachte
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Drücke aller
Arbeitszylinder auf eine hydraulische Waage wirken^ die bei Druckunter-SGhieden
den eingeschalteten Arbeitszylindern ein Ausgleichssignal
zum Ausregeln zuführt, das bei nicht ausregelbaren Druckunterschieden zur Abschaltung des fehlerhaften Arbeitszylinders dient ο
Bei der erfindungsgemäßen hydraulischen Waage dient jeder Arbeitszylinder
als Analogon zu einem beliebigen anderen Arbeitszylinder des Stellantriebes, so daß jeder Arbeitszylinder durch die anderen überwacht wird«
Die Überwaotangsfunktion bleibt auch dann erhalten, wenn ein falschgehender
Arbeitszylinder abgeschaltet werden muß., Die hydraulische Waage
besteht dabei aus so vielen Zylindern mit eingesetzten Kolben, wie zu
überwachende Arbeitszylinder vorgesehen sind» Der hydraulische Druck
der Arbeitszylinder drückt dabei auf die Oberseiten der zugeordneten
Kolben, während die Unterseiten ein das jeweilige Ausgleichssignal lieferndes hydraulisches Sekundär syst em steuern,,
Die Zylinder der hydraulischen Waage können dabei auf einem gemeinsamen, das hydraulische Sekundärsystem bildendenOelpolstsr ruhen, oder in
systemgetrennten und untereinander druclorerbundenen Kammern angeordnet
sein.
-3-
109852/079A
Die Steuervorrichtung, der das Ausgleichssignal zum Ausregeln von
Druckunterschieden der Arbeitszylinder zugeführt ist, kann beliebig
sein. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist jedoch für jeden Arbeitszylinder ein Hilfszylinder vorgesehen, dessen Kolben
über eine Kolbenstange ein zugeordnetes Potentiometer zur Steuerung des zugeordneten Servoventils verstellt. Die Kolben der Hilfszylinder
liegen dabei mit einer Seite am hydraulischen Druck des jeweiligen
ArbeitsZylinders, während die anderen Seiten am hydraulischen Druck
des Sekundärsystems der hydraulischen Waage liegen. Dadurch stellt
sich bei Druckunterschieden zwischen den Arbeitszylindern automatisch
das Ausgleichssignal ein, das über die Kolben der Hilfszylinder die
Potentiometer zur Steuerung der zugeordneten Servoventile verstellt.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der beiliegenden
Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines
Quadruplex-Stellantriebes
Fing. 2 ein Stellantrieb nach Fig. 1 mit einer anderen Steuereinrichtung und
Fig. 3 einen Stellantrieb nach Fig. 1 mit
einer systemgetrennten hydraulischen Waage.
Fig. 1 zeigt einen Quadruplexstellantrieb mit vier nebeneinander angeordneten
Arbeitszylindern 1a-1d, deren Kolbenstangen 2a - 2d an ihren
oberen Enden durch ein Querjoch 3 fest miteinander verbunden sind.
Jedem Arbeitszylinder ist ein Servoventil 4a - 4d zugeordnet, die elektrisch mit den Ausgängen von elektrischen Vergleichsschaltungen 5a - 5d
verbunden sind. Die hydraulische Druckversorgung der Servoventile 4a - 4d
erfolgt über Abschaltventile 6a - 6d.
Die Kolbenstangen 4a - 4d der Arbeitszylinder 1a - 1d sind mit je einem
Potentiometer 7a - 7d verbunden, die über die Ausgänge der Vergleichsschaltungen 5a - 5d den Servoventilen 4a - 4d zugeordnet sind".
-4-1098 5 2/079Λ
Die Widerstandsbahnen der Potentiometer 7a - 7d sind axial beweglich
und an einem Ende mit Kolbenstangen 9a - 9d von Hilfszylindern 8a - 8d
befestigt. Diese Hilfszylinder 8a - 8d sind über Leitungen, die je ein
hydraulisches Dämpfungsglied 1o enthalten, auf der einen Seite mit den
Arbeitszylindern 1a - 1d und auf der anderen Seite mit einem Sekundärsystem
einer hydraulischen Waage 2o verbunden. Die anderen Enden der Kolbenstangen 9a - 9& sind mit je einem Schubglied 11a - 11d zur Betätigung
elektrischer Schalter 12a - 12d versehen, die zur Verstellung der Abschaltventile 6a - 6d vorgesehen sind. Weiterhin sind an diesen
Enden der Kolbenstangen 9a - 9^- Stabilisierungsfedern 13a - 13d angebracht
·
Die hydraulische Waage 2o besteht aus vier mit Kolben 18 versehenen
Zylindern 14a - 14d. Auf die Oberseite dieser Kolben 18a - I8d drückt
der Hydraulikdruck der Arbeitszylinder 1a - 1d, während die Unterseiten auf einem geschlossenen, das Sekundärsystera bildenden Ölpolster ruhen.
Dieses Ölpolster ist mit den Kolbenunterseiten der Hilfszylinder 8a und 8d verbunden.
Die Überwachung des Stellantriebes arbeitet wie folgt:
Über die Abschaltventile 6a - 6d wird das Druckmittel den Arbeitszylindern
1a - 1d zugeleitet. Im Ruhezustand sind die Servoventile 4a - 4d in
Mittelstellung. Eine diesen Ventilen zugeführte elektrische Größe (Sollwert)} die den Ausgängen der elektrischen Vergleichsschaltungen 5a ~ 5<1
entnehmbar ist, öffnet die Ventile. Das Druckmittel strömt in die Arbeitszylinder
1a - 1d und bewegt ihre Kolben. Die Kolbenbewegung wird auf die Schleifkontakte der Potentiometer la. - 7d übertragen, die daher
eine der Kolbenstellung proportionale elektrische Große (Istwert) an
die Eingänge der Vergleichsschaltungen 5& - 5d abgeben. In diesen findet
ein Vergleich der Istwerte mit den Sollwerten statt. Jedes Servoventil 4a - 4d bleibt solange geöffnet, bis der Istwert den Sollwert erreicht
hat. Infolge von Bautoleranzen, z.B. Unterschieden in der Druck-Signal-Punktion,
können Druckunterschiede zwischen den Arbeitszylindern entstehen, was die Antriebsleistung vermindert, die Stellgenauigkeit verschlechtert
und bei zusätzlichen Fehlern den Antrieb weich und damit unbrauchbar machen kann. Diese Druckunterschiede werden aber mit Hilfe
-5-
109852/0794
der Erfindung vermieden.
Tritt nun in einem der Arbeitszylinder 1a - 1d zu den anderen Arbeitszylindern unterschiedlicher Druck auf, so verschiebt sich einmal der
Kolben seines Hilfszylinders 8 und gleichzeitig der zugeordnete Kolben 18 der hydraulischen Waage 2o. Die Verschiebungen des Hilfszylinderkolbens
und die des zugeordneten Kolbens 18 der hydraulischen Waage 2o
ergeben im Zusammenhang mit dem unterschiedlichen Druck Verschiebungen
der anderen Kolben 18 in der hydraulischen Waage 2o. Dadurch werden aber
die.Kolben der Hilfszylinder 8, und zwar in entgegengesetzter Richtung
als die Kolben des fehlerhaften Arbeitszylinders, verstellt. Die Verschiebungen der Kolben der Hilfszylinder 8 bewirken über die mit
den Kolbenstangen 9 verbundenen Widerstandsbahnen der Potentiometer 7
ein elektrisches Signal, das über die zugeordnete Vergleichsschaltung auf die Servoventile 4 gelangt. Die Steuerung der Arbeitszylinder 1 erfolgt
solange, bis die Drücke in den Arbeitszylindern 1 aneinander angepaßt
-sind und die Waage 2o sowie"die Kolben der Hilfszylinder 8 wieder
im Gleichgewicht stehen. Treten mehrere Fehler gleichzeitig auf, so ist die Punktionsweise die gleiche, denn die Hilfszylinder 8 steuern
die Potentiometer 7 solange und soweit aus, bis alle Drücke gleich sind.
ι -
Sollte in einem der Zylinder 1 ein derartiger Fehler auftreten, daß
das an der Kolbenstange 9 der Hilfszylinder 8 angebrachte Schubglied 11
des fehlerhaften Arbeitszylinders 1 den Schalter 12 betätigt, so wird
über das Abschaltventil 6 die hydraulische Versorgung des fehlerhaften ArbeitsZylinders ab- und die beiden Seiten des Arbeitszylinders auf
by-pass geschaltet.
Die von dem Versorgungsdruck der noch intakten Arbeitszylinder 1 belasteten
Kolben 18 der hydraulischen Waage 2o schieben nun den druckentlasteten Kolben des Hilfszylinders 8 und den der hydraulischen Waage
in ihre obere Endlage. Dadurch nehmen aber die Kolben der hydraulischen
Waage 2o eine neue Lage ein. Die Waage bleibt aber zur weiteren Druck-,
überwachung der noch intakten Zylinder voll funktionsfähig und hält
den Kolben der übrigen Hilfszylinder 8 weiter das Gleichgewicht.
1098 52/079k
Die Überwachung der übrigen Arbeitszylinder 1 erfolgt danach weiter in
der zuvor beschriebenen Weise. Die hydraulische Waage 2 ο ist dabei weiter in der Lage, Fehler, die unterhalb der Abschaltschwelle bleiben,
auszugleichen und zwar solange drei oder mehr Arbeitszylinder 1 funktionsfähig sind. Tritt bei den verbleibenden Arbeitszylindern 1 ein
Fehler auf, der die Abschaltschwelle überschreitet, so wird der fehlerhafte
Arbeitszylinder, wie zuvor beschrieben, abgeschaltet. Sind nur noch zwei Arbeitszylinder eingeschaltet, dann hat die Überwachung
keine Entscheidungsmöglichkeit mehr, so daß bei einem Fehler, der die
AbschaltschwelIe überschreitet, beide Antriebe abgeschaltet werden.
Kleinere Fehler, die unterhalb der Abschaltschwelle bleiben, werden jedoch weiterhin ausgeglichen»
Der Quadruplex-Stellantrieb nach Fig. 2 weist im Gegensatz zu dem nach Fig. 1 Hilfszylinder 8a - 8d auf, deren Kolbenstangen 9a - °<d
statt mit den Widerstandsbahnen der Potentiometer Ta. - Td mit weiteren
Potentiometern 15a - 15d mechanisch verbunden sind. Diese Potentiometer
15a. - 15d- erzeugen eine der Kolbenstellung der Hilfszylinder
8a - 8d proportionale Größe, die den Vergleichsschaltungen 5a - 5^
zugeführt wird. Hierdurch wird eine Bewegung der Widerstandsbahnen der Potentiometer 7a — Id. vermieden und außerdem eine Möglichkeit
vorgesehen, die Rückführverstärkung der Steuerpotentiometer 15a -15c!·
anders als die der Wegpotentiometer 7a ~ 7<1 vorzunehmen. In der Funktionsweise bestehen keine Unterschiede zum Ausführungsbeispiel nach
Fig. 1.
Beim Quadruplex-Stellantrieb nach Fig. 3» der sich funktionsmäßig
ebenfalls nicht von dem nach Fig. 1 unterscheidet, ist eine hydraulische Waage 2o mit Systemtrennung vorgesehen. Hierbei ist für jeden
Arbeitszylinder 1 eine Kammer vorgesehen, in der die Zylinder 14 angeordnet sind. Die hydraulischen Drücke der Kammern übertragen sich
untereinander über die schwimmenden Kolben 16a - I6c.
Die Unterteilung der hydraulischen Waage 2o in Kammern hat den Vorteil einer vollständigen Trennung der einzelnen Überwachungskreise der
Arbeitszylinder 1. Im Falle eines Lecks in einer Kammer der hydraulischen Waage 2o oder in einer Zuleitung von den Hilfszylindern 8
zur hydraulischen Waage kann somit nicht der gesamte Antrieb ausfallen.
109852/0794 BAD ORIGINAL
Die schwimmenden Kolben I6a - I6c der hydraulischen Waage 2o sind mit
Druckstiften 17a - 17c versehen, die bei einem Ausfall der mittleren
Kammern der hydraulischen Waage 2o gegeneinander fahren und so eine
Druckübertragung zwischen den noch verbleibenden Kammern ermöglichen. Eine Systemtrennung und mechanische Druckübertragung ist auch mit
entsprechend ausgebildeten und bemessenen Membranen möglich.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Maßnahme ist es also möglich, Druckunterschiede,
die aue verschiedenen Gründen zwisenen den Einzelzylinaern
eines Mehrfachstellantriebes bestehen können, auszugleichen. Durch eine
Dämpfung und Integration der Druckdifferenz mit der anschließenden Aufschaltung des über die Druckdifferenz gewonnenen Steuersignals
läßt sich regelungstechnisch die Stabilitätsreserve des Stellantriebes
beträchtlich erhöhen. Die Erfindung läßt sich auf alle Mehrfach-, mindestens jedoch für Triplex-Servostellantriebe anwenden, die sowohl
parallel als auch tandemförmig angeordnet sein können.
-8-
109852/0794
Claims (1)
- PatentansprücheAnordnung zur Überwachung und Anpassung von mehreren auf einen gemeinsamen Ausgang wirkenden elektrohydr?,ulisehen Stellantrieben mit durch Servoventile gesteuerten Arbeitszylindern, deren Kolben fest miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Drücke aller Arbeitszylinder (1) auf eine hydraulische Waage (2o) wirken, die bei Druckunterschieden den eingeschalteten Arbeitezylindern (1) ein Außgleichssignal zum Ausregeln zuführt, das bei nicht ausregelbaren Druckunterschieden zur Abschaltung des fehlerhaften Arbeitszylinders (1) dient.Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hydraulische Waage (2o) so viele Zylinder (14) mit eingesetzten Kolben (18) aufweist, wie zu überwachende Arbeitszylinder vorgesehen sind und daß uer Hydraulikdruck der Arbeitszylinder (i) auf die Oberseiten der zugeordneten Kolben (18) der hydraulischen Waage (2o) wirkt, deren Unterseiten ein das jeweilige Ausgleichssignal lieferndes hydraulisches Sekundärsystem steuern»3» Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumina der in der hydraulischen Waage (2o) vorgesehenen Zylinder (14) derart bemessen sind, daß die hydraulische Waage (2o), deren Kolben (18) beim Ausfall der zugeordneten Arbeitszylinder (1) durch das hydraulische Sekundärsystem in eine obere Endstellung bewegt werden, unabhängig von der Zahl der ausgefallenen Arbeitszylinder (1) funktionsfähig bleibt.4· Anordnung nach einem der Ansprüche i bis 3ι dadurch gekennzeichnet, daß die Unterseiten der in den Zylindern (14) der hydraulischen Waage (2o) vorgesehenen Kolben (18) auf einem gemeinsamen, das · hydraulische Sekundärsystem bildenden Ölpolster ruhen.109852/07945· Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder (14) der hydraulischen Waage (2o) in systemgetrennten und untereinander druckverbunden Kammern angeordnet sind.6. Anordnung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Druckübertragung zwischen den Kammern durch schwimmende, mit Druckstiften (17) versehenen Kolben (16) erfolgt, die beim Ausfall von Arbeitszylindern (1) den Druck mechanisch übertragen.7. Anordnung nach Anspruch S1 daduroh gekennzeichnet, daß die Druckübertragung zwischen den Kammern durch geeignete Membranen erfolgt, die derart ausgebildet und bemessen sind, daß die Druckübertragung auch beim Ausfall von Arbeitszylindern gesichert ist.8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 71 dadurch gekennzeichnet, daß jeder Arbeitszylinder einen Hilfszylinder (8) aufweist, dessen Kolben über eine Kolbenstange (9) ein Potentiometer zur Steuerung der Servoventile (4) verstellt, und daß auf einer Seite des Kolbens im Hilfszylinder (8) der hydraulische Druck des Arbeitszylinders(i) und auf der anderen Seite der des Sekundärsystems der hydraulischen Waage (2o) wirkt.9·. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichssignal zur Ausregelung von Druckunterschieden durch Verschiebung eines in der hydraulischen Waage (2o) vorgesehenen Kolbens (18) und einen damit verbundenen Volumenausgleich im Sekundärsystem entsteht und über den Hilfszylinder (8) und das Potentiometer (7) dem zugeordneten Servoventil (4) zugeführt ist. .1o. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 'dadurch gekennzeichnet, daß bei der Abschaltung eines oder mehrerer Arbeitszylinder (1) die Kolben der zugeordneten Hilfszylinder (8) in eine Endstellung bewegt werden und dabei die Abschaltung auslösen und daß die sich hierbei ergebende Volumenänderung in der hydraulischen Waage (2o) durch Kolbenverschiebungen der noch druckbelasteten Kolben (18) der hydraulischen Waage (2o) derart ausgleichbar ist, daß sich die Kolben der Hilfszylinder (8) der noch eingeschalteten Arbeitszylinder O) automatisch in eine Neutralstellung einstellen. 109852/0 7 94Leerseite
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