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Die Erfindung betrifft Kontroll-
und Steuerungssysteme. Insbesondere betrifft die Erfindung eine
betriebssichere redundante Gestänge-
und Sensoreinheit zum Erfassen von Kräften, die auf das Gestänge ausgeübt werden,
während
die Funktionalität des
Gestänges
aufrechterhalten wird.
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In Verbindung mit Fragestellungen,
die in dem Artikel "Safety
Board Debates 737 Rudder Fixes",
Aviation Week & Space
Technology, 23. März, 1999,
Seite 26 bis 27 erörtert
sind, werden eingehend die Möglichkeit
und die wahrscheinliche Ursache eines Ausfalls eines Rudersteuersystems
einer 737 diskutiert. Um die Ursachen von potentiellen Problemen,
die zukünftig
auftreten können,
besser zu erforschen, wird es als wünschenswert erachtet, die auf ein
bestimmtes Steuergestänge
ausgeübten
Kräfte zu überwachen.
Es ist jedoch auch wichtig, dass die mechanische Festigkeit des
Gestänges
nicht beeinträchtigt
wird.
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Eine Art, dies zu verwirklichen,
besteht darin, herkömmliche
Dehnungsmessstreifen an dem Gestänge
anzubringen. Jedoch scheint die Belastung, die durch die beteiligten
Kräfte
in Gestängen
erzeugt wird (im Bereich von Null bis mehreren Tausend Newton (mehreren
Hundert Pfund)), die unter strukturellen Gesichtspunkten adäquat scheint,
sehr gering. Das Erfassen von Kräften
mit solchen herkömmlichen
Dehnungsmessstreifen wird aufgrund von Problemen des Erzeugens eines
ausreichend großen
Signal-/Rauschverhältnisses
mit herkömmlichen
Dehnungsmessstreifen sowie Problemen der Delaminierung und Abdrift
derartiger Messstreifen mit der Zeit erschwert. Schon aus diesen
Gründen
ist eine Alternative für
das Erfassen von Kräften
mittels herkömmlicher
Dehnungsmessstreifen wünschenswert.
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Die FR-A-2599793 offenbart ein Verbindungsgestängesystem,
das dafür
ausgelegt ist, zwischen zwei Punkten einer Struktur eingesetzt zu
werden, und longitudinale Kräfte
aushalten kann. Das System umfasst Folgendes: eine erste Pleuelstange, die
dafür ausgelegt
ist, die Kräfte
zu tragen, wobei die erste Pleuelstange mit longditudinalem Spiel
mit mindestens einem der beiden Punkte der Struktur verbunden ist;
eine zweite Pleuelstange, die parallel zu ersten Pleuelstange angeordnet
ist und eine größere longitudinale
Elastizität
als die erste Pleuelstange aufweist, wobei die zweite Pleuelstange
an ihren beiden Enden starr mit den beiden Punkten der Struktur verbunden
ist; und Mittel, die an der zweiten Pleuelstange angeordnet sind,
um deren longitudinale Deformation zu messen. Das Messmittel ist
ein Dehnungsmessstreifen, der an der äußeren Oberfläche der
zweiten Pleuelstange angebracht ist, oder ein piezo-elektrischer
Sensor, der zwischen der ersten und der zweiten Pleuelstange mit
diesen verbunden ist.
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Die CH-A-336618 offenbart ein elastisches Zwischenglied
zum Messen der Spannungs- und Kompressionskraft in einem Gestänge. Die
Verbindung weist zwei Teile auf, die relativ zueinander beweglich
sind. Ein Teil trägt
Spulen, die zu dem Messarm einer Brückenschaltung gehören. Der
andere Teil trägt
einen Tauchspulenkern, der sich durch die Spulen erstreckt. Der
Kern und die Spulen sind relativ zueinander beweglich, ohne den
angelegten axialen Kräften
ausgesetzt zu sein.
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Bei dem in der FR-A-2599793 sowie
der CH-A-336618 offenbarten Systemen sind die elastisch deformierbaren
Teile innerhalb der Gestängestruktur
angeordnet.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden
Erfindung wird eine redundante Gestänge- und Sensoreinheit zur
Kontrolle einer Axialkraft, die auf das Gestänge ausgeübt wird, angegeben, welche Folgendes
aufweist: ein erstes Pleuellager; ein zweites Pleuellager; einen
ersten Weg zum Übertragen einer
mechanischen Kraft, welcher zwischen dem ersten und dem zweiten
Pleuellager angeordnet ist und ein elastisch deformierbares Element
aufweist, um eine Relativbewegung zwischen dem ersten und dem zweiten
Pleuellager zueinander hin und voneinander weg zuzulassen, wobei
das elastisch deformierbare Element an einem Außenumfang der Einheit angeordnet
ist und eine bekannte Beziehung zwischen elastischer Deformation
und angelegter Kraft aufweist; einen zweiten weg zum Übertragen
einer mechanischen Kraft, der dafür angeordnet ist, eine mechanische
Kraft zwischen dem ersten und dem zweiten Pleuellager zu übertragen,
wenn der erste Weg für
mechanische Kraftübertragung
ausfällt;
eine Sperreinheit zum Begrenzen der Relativbewegung des ersten und
des zweiten Pleuellagers zueinander hin und voneinander weg auf
einen ersten Bereich der axialen Relativbewegung; und einen Positionssensor,
der dafür
angeordnet ist, die Veränderung
des Abstandes zwischen dem ersten und dem zweiten Pleuellager zu
erfassen, wobei der Positionssensor ein erstes Element aufweist,
das dafür
angeordnet ist, sich mit dem ersten Pleuellager zu bewegen, und
ein zweites Element, welches von dem ersten Element getrennt und
dafür angeordnet
ist, sich mit dem zweiten Pleuellager zu bewegen, so dass das erste
und das zweite Element relativ zueinander beweglich sind, ohne dass
sie den angelegten Axialkräften
ausgesetzt sind, welche durch den ersten Übertragungsweg für mechanische
Kraft wirken; wodurch die angelegten Axialkräfte, die durch den ersten Übertragungsweg
für mechanische
Kraft wirken, innerhalb des ersten Bereichs der relativen Axialbewegung
kontollierbar sind, wobei die Abstände zwischen dem ersten und
dem zweiten Pleuellager, die von dem Positionssensor erfasst werden,
und die bekannte Beziehung der Deformation des elastisch deformierbaren
Elementes zu der angelegten Kraft verwendet werden.
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Eine solche redundante Gestänge- und
Sensoreinheit kann einen Sensor schaffen, der die Anzeige der Größe und Richtung
der auf das Gestänge
angelegten Kräfte
ermöglicht,
wobei die vollständige mechanische
Stärke
des Gestänges
aufrecht erhalten wird und eine stabile und genaue Kraftable sung über der
Zeit möglich
ist, da ein Verfahren des Erfassens der an das Gestänge angelegten
Kraft eingesetzt wird, das nicht herkömmlich ist.
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In einer bevorzugten beispielhaften
Ausführungsform
der Erfindung umfasst das Gestänge
eine erste und eine zweite längliche
Metallröhre,
wobei sich die erste dieser Röhren
in die zweite Röhre
hinein erstreckt, welche einen Innendurchmesser aufweist, der geringfügig größer ist
als der Außendurchmesser
der ersten Röhre.
Ein elastisch deformierbares Element, das in der veranschaulichten
Ausführungsform
eine sehr starke zylindrische Feder umfasst, weist ein Ende auf,
das an einer Mittelposition der ersten Röhre befestigt ist, wobei das
andere Ende desselben an einem Ende der zweiten Röhre mit
größerem Durchmesser
befestigt ist. Die kleinerer Röhre
erstreckt sich teleskopartig innerhalb der größeren Röhre. Das Ende der ersten Röhre, das
sich innerhalb der zweiten Röhre
befindet, ist durch eine Positionssensoreinheit an die zweite Röhre gekoppelt.
wenn sich die auf das Gestänge
ausgeübte
Kraft ändert,
expandiert oder kontrahiert die Feder, und die Enden der beiden
Röhren
an der Stelle der Sensoreinheit werden gegeneinander versetzt. Der
Positionssensor erfasst diese relative Positionsverschiebung zwischen
der ersten und der zweiten Röhre
und gibt ein verändertes
elektrisches Ausgangssignal an, das die Richtung und Größe der Positionsveränderung
angibt. Dies liegt daran, dass die relative Position der Enden der
Röhren
an der Positionssensoreinheit mit auf das Gestänge ausgeübten Kraft über das Verhältnis der
Deformation der Feder zur ausgeübten Kraft
verknüpft
ist, wobei die ausgeübte
Kraft durch das Ausgangssignal angezeigt wird.
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Gemäß einer Ausführungsform
ist die erste Röhre
redundant über
die Sensoreinheit mit der zweiten Röhre verbunden, und die Sensoreinheit
weist eine Struktur auf, die eine redundante entsprechende Sperreinheit
aufweist. Die entsprechen de Sperreinheit ermöglicht die geringe relative
Bewegung, die für die
Funktion der Sensoreinheit über
dem gewünschten
Bereich der ausgeübten
Kraft notwendig ist, schafft jedoch eine redundante mechanische
Interferenz, so dass selbst dann, wenn die Feder ausfällt oder
sich gegenüber
einer der Röhren
lockert, die Gestängeinheit
noch funktionsfähig
ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird
bei dem Sensor für
die Relativposition ein linearer variabler Differentialtransformator
(LVDT) eingesetzt. Ein beweglicher Anker (Kern) ist an einer der Röhren gesichert,
und die primären
und sekundären Transformatorspulen
sind an der äußeren Röhre befestigt.
Eine relative Axialbewegung der Röhren führt zu einer relativen Bewegung
des Ankers in Bezug auf die Spulen. Dies ändert den Ausgang durch die
Sekundärwicklungen
der LVDT. Ein einmaliges Kalibrierungsverfahren kann dazu verwendet
werden, die Genauigkeit der Kraftanzeige zu verbessern, wobei ein
Widerstand über
der Sekundärwicklung
installiert wird, um die Ausgangsspannung der LVDT bei einer bekannten,
ausgewählten
angelegten Kraft auf einen ausgewählten Wert zu optimieren.
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Gemäß einer Ausführungsform
ist eine Primärspule
der LVDT zwischen zwei Sekundärspulen angeordnet,
wobei der Anker so positioniert ist, dass, wenn keine Spannung oder
Kompressionskraft an das Gestänge
angelegt wird, der Anker zentriert ist und der Spannungsausgang
durch die Sekundärspulen
gleich ist. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Spulen
in entgegengesetzte Richtungen gewickelt, so dass sie eine Phasendifferenz
von 180° aufweisen,
und sind in Serie geschaltet. Bei dieser Ausführungsform ist der Netto-Spannungsausgang durch
die Sekundärwicklung
gleich Null, wenn der Anker zentriert ist, und wenn das Gestänge komprimiert
ist, wird die Größe der Kraft
als positiver Spannungswert angezeigt, und wenn eine Zugspannung ausgeübt wird,
als negativer Spannngswert.
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Gemäß einer weiteren bevorzugen
Ausführungsform
werden Temperatureffekte auf die Sensoren minimiert, indem die Feder
und die LVDT so ausgewählt
werden, dass die Änderung
der Steifheit der Feder mit dem Betriebstemperaturbereich etwa der Änderung
des Ausgangs (Verstärkungszunahme oder
Verstärkungsabfall)
aus der LVDT aufgrund von Temperaturänderungen über demselben Betriebstemperaturbereich
entspricht, bezüglich
der Richtung entgegengesetzt ist, um die beiden Fehlerquellen soweit
wie möglich
zu eliminieren.
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Wie ersichtlich ist, ersetzt die
ausfallsichere redundante Gestänge-
und Sensoreinheit ein Strukturelement in einem Steuersystem durch
ein kombiniertes Sensor- und Strukturelement. Aus diesem Grund sind
alle Verbindungen und Elemente in der Einheit redundant, so dass,
wenn eines ausfällt,
eine Auffangstruktur besteht, um die strukturellen Erfordernisse
der ausgefallenen Verbindung oder des ausgefallenen Elements zu
erfüllen.
Darüber
hinaus muss der Sensor robust sein und für Stablilität und eine lange Lebensdauer
ausgelegt sein. Der lineare variable Differentialtransformator,
welcher eine AC-Vorrichtung ist, weist inhärent eine größere Stabilität auf als
DC-Bindungsmessstreifen und dergleichen, und seine Abtrift mit der
Zeit ist minimal.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der
vorliegenden Erfindung wird ein Luftfahrzeugruder-Steuerungssystem
angegeben, das die redundante Gestänge- und Sensoreinheit gemäß dem ersten
Aspekt der Erfindung beinhaltet.
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Gemäß einem dritten Aspekt der
Erfindung wird ein Luftfahrzeug angegeben, das die redundante Gestänge- und
Sensoreinheit gemäß dem ersten Aspekt
der Erfindung umfasst.
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Gemäß einem vierten Aspekt der
Erfindung wird ein Verfahren des Überwachens einer Axialkraft angegeben,
die auf ein Gestänge
ausgeübt
wird, aufweisend: Anordnung eines elastisch deformierbaren Elementes
an einem äußeren Umfang
des Gestänges,
wobei das Element eine bekannte Beziehung zwischen der elastischen
Deformation und der angelegten Kraft aufweist, um einen Teil eines
Weges zur Übertragung
einer mechanischen Kraft zwischen einem ersten und einem zweiten
Pleuellager des Gestänges
so zu schaffen, dass sich die Pleuellager innerhalb eines begrenzten
Bereiches einer relativen Axialbewegung aufeinander zu und voneinander
weg bewegen können;
Anordnung eines ersten Elements eines Positionssensors, so dass
es sich mit dem ersten Pleuellager des Gestänges bewegt, und Anordnung
eines zweiten Elements des Positionssensors, das von dem ersten
Element getrennt ist, so dass es sich mit dem zweiten Pleuellager
des Gestänges
bewegt, so dass die ersten und zweiten Elemente sich relativ zueinander
bewegen, ohne dass sie den angelegten Axialkräften ausgesetzt sind, welche
durch den Übertragungsweg
für mechanische
Kraft wirken; Detektieren der Relativbewegung des ersten und des zweiten
Elements; und Bestimmen der an das Gestänge angelegten Axialkraft basierend
auf der detektierten Relativbewegung und der bekannten Beziehung.
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Nun wird beispielhaft auf die beigefügten Zeichnungen
Bezug genommen, in denen:
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1 eine
Seitenaufrissansicht einer ausfallsicheren redundanten Gestänge- und
Sensoreinheit ist, welche die vorliegende Erfindung verkörpert;
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2 eine
Querschnittsansicht eines Teiles der redundanten Gestänge- und
Sensoreinheit von 1 ist,
die in der Ebene von 1 gemacht
ist;
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3 eine
Seitenaufrissansicht, teilweise weggebrochen und teilweise im Querschnitt
ist, die detaillierter einen Abschnitt des redundanten Gestänges von 1 zeigt;
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4 ein
Querschnitt des in 3 gezeigten redundanten
Gestänges
entlang der Linie 4-4 von 3 ist; 5 eine Seitenaufrissansicht
einer Ankereinheit und positionseinstellbarer Stangenabschnitte
einer linearen variablen Transformatoreinheit des in 3 gezeigten Gestänges ist;
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6 eine
perspektivische Ansicht einer einstellbaren Sperre der Positionssensoreinheit
des redundanten Gestänges
von 3 ist;
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7 eine
schematische Darstellung des linearen variablen Transformators der
in 3 gezeigten Positionssensoreinheit
ist; und
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8 ein
elektronisches Schaltbild des linearen variablen Transformators
der in 3 gezeigten Positionssensoreinheit
ist.
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Mit Bezug auf 1 der Zeichnungen, welche dem Zweck der
Veranschaulichung und nicht dem Beschränken des Schutzbereichs der
Erfindung dienen, ist eine ausfallsichere redundante Gestänge- und
Sensoreinheit 10, welche die vorliegende Erfindung verkörpert, gezeigt.
Das Gestänge
umfasst eine erste Röhre 12 und
eine zweite Röhre 14,
wobei die erste Röhre
einen Außendurchmesser
aufweist, der geringfügig
kleiner ist als der Innendurchmesser der zweiten Röhre, und
sich die erste Röhre
teleskopartig in die zweite Röhre
erstreckt. Ein elastisch deformierbares Element, das in der veranschaulichten
Ausführungsform
eine zylindrische Feder 16 umfasst, ist durch einen ersten
Flansch 18, welcher an der ersten Röhre angebracht ist, und einen
zweiten Flansch 20, welcher an der zweiten Röhre 14 an
einem ersten Ende 22 der zweiten Röhre angebracht ist, an der
ersten Röhre
befestigt. Wenn axiale Zug- und Kompressionskräfte über die Pleuellager 24, 26 an
das Gestänge
angelegt werden, verlängert
oder verkürzt
sich die Feder um einen kleinen Betrag, und eine kleine Relativbewegung
zwischen der ersten und der zweiten Röhre wird ermöglicht.
Da die Eigenschaften der Feder in Bezug auf die Auslenkung pro Einheit
angelegter Kraft bekannt sind, wird die Verschiebung der Röhren durch
eine interne Positionssensoreinheit (2)
aufgezeichnet, und ein Ausgangssignal, das die ausgeübte Kraft
anzeigt, wird über
ein elektrisches Kabel 28 und einen Anschluss 30 ausgesendet.
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Die Pleuellager 24, 26 sind
Kugelgelenklager, die nur axiale Kräfte auf das redundante Gestänge 10 übertragen.
Ein erstes Pleuellager 24 ist an einem ersten Ende 34 der
ersten Röhre
an der ersten Röhre 12 angebracht,
und zwar über
ein erstes Anschlußstück 32.
Zwei Abscherstifte 36, 38 halten das Lager in
dem Anschlußstück, während eine
Schweißnaht
das Anschlußstück an der
ersten Röhre
sichert. Ein dritter Abscherstift 40 schafft einen redundanten Belastungsweg.
Andere Verbindungsmittel, bspw. Klebstoffe, Schweißnähte oder
Lötverbindungen können die
Abscherstifte ersetzen oder ergänzen. Am
anderen Ende des redundanten Gestänges ist das zweite Pleuellager 26 am
zweiten Ende 42 der zweiten Röhre 14 über ein
zweites End-Anschlußstück 44 durch
Abscherstifte 46, 48 angebracht. Das zweite Anschlußstück ist über eine
Schraubverbindung (nicht gezeigt) an einem Adapter 50 angebracht,
der in das zweite Ende der zweiten Röhre eingepasst ist. Das Endanschlußstück ist ebenfalls
mit dem Adapter punktverschweißt,
um eine Rotation um das Gewinde zu verhindern. Schweiß- und Lötverbindungen
und Klebstoffe sind ebenfalls ergänzende und/oder alternative
Anbringungsmittel für
die Elemente, die dieses zweite Pleuellager am Gestänge festhalten.
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Das elektrische Kabel 28 tritt
aus der zweiten Röhre 14 über ein
Loch 52 aus, das zu diesem Zweck ausgebildet ist. Das Kabel
ist zur Verringerung der Belastung durch einen Kabelbinder 54 aus
Nylon an das Gestänge
gebunden und ist mit dem Dichtungsmittel PR1750, hergestellt von
PRC-DeSoto International, Inc. aus Glendale, California, überzogen,
um es an seinem Platz zu halten. Die redundante Gestänge- und
Sensoreinheit ist in einem Zustand gezeigt, in dem die Pleuellager 24, 26 ausgerichtet
sind, wobei jedoch aus Gründen
der Deutlichkeit der Darstellung die Lager auf einem solchen Gestänge für eine Boeing
737 um 90° gegeneinander
verdreht sind.
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Mit Bezug auf 2, welche die Verbindung der ersten und
zweiten Röhren 12, 14 durch
die Feder 16 detaillierter zeigt, beinhaltet der Flansch 18 einen
mit Gewinde versehenen Muffenfortsatz 56, der in entsprechende
Gewinde auf der Innenseite der Feder eingreift. Die Feder wird ebenfalls
nach dem Zusammenbau mit dem Flansch verschweißt, um zu verhindern, dass
sich die Feder in Bezug auf den Flansch dreht. Das Flanschelement 18 umfasst
des Weiteren einen Muffenabschnitt 58, der mit dem Äußeren der
ersten Röhre
durch Verlötung
und/oder Verschweißen
verbunden ist.
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Das zweite Flanschelement 20 umfasst ebenfalls
einen mit Gewinde versehenen Muffenabschnitt 60, der in
Gewinde auf der Innenseite der Feder 16 eingreift und ebenfalls
mit der Feder am gegenüberliegenden
Ende derselben verschweißt
ist. Der mit Gewinde versehene Fortsatz unterscheidet sich jedoch
darin, dass er mit einem Gesenk versehen ist, um eine Buchse 62 aufzunehmen,
die aus mit Glas gefülltem
Nylon ausgebildet ist, das bei geringfügigen seitlichen Belastungen
nicht an der ersten Röhre 12 angreift,
jedoch eine signifikante seitliche Bewegung zwischen den Röhren am
ersten Ende 22 der zweiten Röhre 14 verhindert,
wenn eine signifikante seitliche Belastung ausgeübt wird, wohingegen zu jedem
Zeitpunkt eine axiale Relativbewegung ermöglicht wird. Das Flanschelement 20 weist
einen Muffenabschnitt 64 auf, der an der Innenseite der zweiten
Röhre angreift
und mit ihr durch Verschweißen
und/oder Verlötung
verbunden ist.
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Mit Bezug auf die 1 und 2 ist
ersichtlich, dass das Herstellen wechselnder Schlitze entlang einer
Länge einer
Verrohrung die Feder 16 bildet. Eine solche Feder zeigt
ein relativ geradliniges Ansprechverhalten bezüglich der Auslenkung pro Einheit
angelegter Axialkraft innerhalb des elastischen Bereiches des Materials.
Hierbei sind alle Komponenten aus Metall ausgebildet, vorzugsweise
einer korrosionsbestängigen
Stahllegierung oder aus Aluminium. Bei einer gegenwärtig bevorzugten
Ausführungsform sind
die erste und die zweite Röhre
aus niedrig gekohlter 304 L-1/4-Hartstahllegierung
hergestellt. Die Feder ist aus einer wärmebehandelten 15-5 PH 1025-Stahllegierung
hergestellt. Um das Gewicht zu reduzieren, können eine Feder aus Titanlegierung und
Verrohrungen und Anschlußstücke aus
hochfesterem Stahl verwendet werden.
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Mit Bezug auf 3 passt der Adapter 50 in die
zweite Röhre 14 hinein
und ist daran durch Verschweißung,
Verlötung
oder ein anderes herkömmliches
Mittel angebracht. Der Adapter beinhaltet eine Buchse 67,
die in ihm durch ein Gesenk aufgenommen ist. Die Buchse ist aus
mit Glas gefülltem
Nylon hergestellt und wirkt ähnlich
derjenigen, die vorstehend beschrieben wurde (Bezugszeichen 62 in 2). Die Positionssensoreinheit 66 umfasst,
zusätzlich
zu dem ersten Adapter 50, der am zweiten Ende 68 der
zweiten Röhre 14 angebracht
ist, einen weiteren oder zweiten Adapter 69, der am zweiten Ende 70 der
ersten Röhre 12 durch
Verschweißen oder
Verlöten
angebracht ist, und durch einen Stift 72, welcher einen
redundanten Belastungsweg schafft. Der Adapter ist verschiebbar
in der Buchse 67 des ersten Adapters aufgenommen.
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Der zweite Adapter 69 weist
zwei signifikante Funktionen auf. Zunächst beinhaltet er die LVDT 76. Zum
zweiten wirkt er mit dem ersten Adapter 50 und einer Sperrmutter 78 zusammen,
um eine redundante mechanische Interferenz zu schaffen, welche verhindert,
dass die erste und die zweite Röhre 12, 14 sich
relativ zueinander in axialer Richtung um mehr als etwa 1,96 mm
(77 Tausendstel Zoll) gegenüber einer
Position bei der Kraft Null bewegen. Somit ist, wenn eine übermäßige Axialkraft
angelegt wird, die Feder 16 vor Beschädigung durch Überbeanspruchung
und Deformation über
die elastische Grenze hinaus geschützt. Darüber hinaus ist das Gestänge 10 noch
in Funktion, selbst wenn die Feder 16 oder die Flanschelemente 18, 20 ausfallen
oder auch die Schweiß nähte, welche
dieselben mit der ersten und der zweiten Röhre verbinden.
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Mit Bezug auf die 3, 4 und 6 gleitet die Sperrmutter 78 durch
eine exzentrische Öffnung 80, die
durch einen sich nach innen erstreckenden Flansch 82 des
ersten Adapters 50 während
des Zusammenbaus begrenzt wird. Danach wird die Sperrmutter so eingestellt,
dass ein ringförmiger
Schlitz 84 in der Sperrmutter mit dem sich nach innen streckenden
Flansch ausgerichtet ist, welcher an der Sperrmutter angreift und
eine Bewegung derselben verhindert und dadurch auch des zweiten
Adapters 69 über die
durch die Breite des Schlitzes 84 definierten Grenzen hinaus.
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Der zweite Adapter 69 weist
einen mit Gewinde versehenen Fortsatzabschnitt 86 eines
ersten Durchmessers auf, um die Sperrmutter 78 im Gewindeeingriff
aufzunehmen, und einen weiteren mit Gewinde versehenen Fortsatzabschnitt 88 mit
einem zweiten, kleineren Durchmesser, der sich über den ersten mit Gewinde
versehenen Fortsetzungabschnitt hinaus erstreckt. Der letztgenannte
mit Gewinde versehene Fortsetzungsabschnitt mit kleinerem Durchmesser
nimmt eine Sperrmutter 90 auf, welche Druck an die Sperrmutter 78 anlegt,
um sie so zu arretieren, dass eine Rotation der Sperrmutter vermieden
wird, welche bewirken könnte,
dass der zulässige
Verschiebungsbereich zwischen der Sperrmutter 78 und dem
sich nach innen erstreckenden Flansch 82 sich zu einem
Ungleichgewicht hin verschiebt. Eine Halteklemme 92 ist
vorhanden, um zu verhindern, dass die Sperrmutter 78 in
Bezug auf den zweiten Adapter 78 rotiert und dadurch ihre
Position in Axialrichtung verschiebt.
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Der Abstand zwischen dem sich nach
innen erstreckenden Flansch 82 und den Seiten des ringförmigen Schlitzes 84 beträgt etwa
1,96 mm (77 Tausendstel Zoll) auf jeder Seite des sich nach innen
erstreckenden Flansches. Dies gibt einen Bereich der Relativbewegung
zwischen der ersten und der zweiten Röhre von bis zu etwa 3,91 mm
(154 Tausendstel Zoll) an, was mehr ist als die Relativbewegung
der ersten und der zweiten Röhre
innerhalb des Bereichs der angelegten Axialkräfte, die für das Gestänge in einem Flugzeugruder-Steuersystem auftreten,
einer Anwendung für
die veranschaulichte Ausführungsform.
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Der zweite Adapter 74 weist
darüber
hinaus einen Fortsatz 94 und einen Flansch 96 auf,
der dafür ausgelegt
ist, das elektrische Kabel 28 aufzunehmen, der um ihn herum
gewickelt ist, um die Belastung auf das Kabel zu verringern. In
der Praxis wird während
des Zusammenbaus das elektrische Kabel durch das Loch 52 in
der zweiten Röhre 14 und
dem ersten Anschlußstück 50 geführt und
herausgezogen, wenn die erste Röhre 12 in
die zweite Röhre
eingeführt
wird. Ein Abschnitt des Flansches 96 ist an einer Stelle 98 entfernt,
so dass das Kabel 28 vorbeigeführt werden kann, wenn die erste
Röhre in
die zweite Röhre
eingeführt
wird. Nach dem Einschub werden die Röhren relativ zueinander verdreht,
um einen Abschnitt des Kabels 100, das um den Fortsatz 94 des
zweiten Adapters 74 herum gewickelt ist, mit verringerter
Belastung zu schaffen. Eine weitere Schutzhülse 102 ist über dem
Kabel an der Stelle angeordnet, wo es durch das Loch 52 verläuft.
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Das Elektrokabel 28 enthält drei
Leitungen, die mit dem primären
Anschluss, dem sekundären Anschluss
und dem geerdeten Anschluss der LVDT 76 verbunden sind.
Wie bereits erwähnt,
ist die LVDT innerhalb des zweiten Adapters positioniert, und in dem
zweiten Adapter ist zu diesem Zweck ein Loch 103 ausgespart.
Eine Abschirmung 104 (5)
ist um die primäre
und die sekundäre
Wicklung der LVDT angeordnet, um elektrische Interferenz zu eliminieren.
Geeignete LVDTs sind im Handel durch Kavlico Corporation, Moorpark,
California erhältlich.
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Mit Bezug auf die 3 und 5 liegt
ein Nickel-Eisen-Anker
106 innerhalb der LVDT innerhalb des
zweiten Adapters 74, ist jedoch frei, sich gleitend darin
zu bewegen. Eine Buchse 108 aus Teflon schützt den
Anker vor Kaltumformung, die durch Vibrationen hervorgerufen wird.
Eine Kaltumformung verringert die Permeabilität des Ankers. Die Teflonbuchse
erleichtert auch die Gleitbewegung, insbesondere durch Hemmen einer
durch Eis hervorgerufenen Störung.
Ein Stab aus einer K-Monel-Legierung verbindet den Anker mit dem
ersten Adapter 50, so dass dieser sich mit dem zweiten
Stab relativ zum ersten Stab bewegt. Der Stab ist am Anker durch
Verlöten
oder einen Klebstoff angebracht. Der Stab ist auch über ein
Ende 112 mit Gewindefortsatz und eine Gewindeführung 114 am
ersten Adapter angebracht. Das Fortsatzende wird durch eine Sperrmutter 116 daran
gehindert, sich zu drehen und dadurch seine Position zu verschieben.
Das Fortsatzende kann gedreht werden, um die Position des Ankers
innerhalb der Wicklungen der LVDT mittels eines Allen-Schraubschlüssels 118 fein
einzustellen, um das Drehen des Fortsatzendes für die Feineinstellung der Ankerposition
zu ermöglichen.
Dies ermöglicht
eine Kalibrierung der Positionssensoreinheit 66.
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Wie ersichtlich ist, würden die
Sperrmutter 78 und der sich nach innen erstreckende Flansch 82, der
das exzentrische Loch 80 begrenzt, den ersten Adapter einfangen
und verhindern, dass er von der zweiten Röhre gleitet, wenn sich der
erste Adapter von der zweiten Röhre 14 trennen
sollte. Diese Redundanz ist typisch für die gesamte Konstruktion.
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Mit Bezug auf die 3 und 7 umfasst
die LVDT eine primäre
Spule 120, die um eine zentrale Röhre 122 gewickelt
ist, und Sekundärspulen 124, 126,
die ebenfalls um die zentrale Röhre
herum gewickelt sind. Abstandshalter 128, 130 trennen
die primäre
Spule von den beiden Sekundärwicklungen. Die
Abschirmung 104 weist eine röhrenförmige Auskleidung auf, die
aus einer Nickel-Eisen-Legierung hergestellt ist. Wenn die Feder
(1) bei Zug- und Kompressionsbeladung
expan diert und kontrahiert, bewegt sich der Anker in der Röhre 122 nach
vorne und zurück,
was durch die niedrige Reibung der Teflon-Auskleidung 108 erleichtert
wird. Wenn er dies ausführt,
variiert das elektrische Potential der beiden Sekundärwicklungen 124, 126 mit
der Position des Ankers. Es wird eine Wechselspannungsleistung bei Frequenzen
von etwa 400 Hz eingesetzt. Die Spannung beträgt etwa 28 Volt effektiv am
Eingang in die Primärwicklung
und der Ausgang durch die Sekundärwicklungen
hindurch beträgt
etwa –5
bis +5 Volt effektiv im Betriebsbereich von etwa 1,36 kN (307 Pfund)
Zugspannung bis 1,36 kN (307 Pfund) Kompressionsbelastung auf das
Gestänge.
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In Bezug auf 8 ist das Potential über der Primärwicklung 120 (E-F)
stärker
an eine erste Sekundärwicklung 124 gekoppelt,
wenn sich der Anker 106 gegen die erste Sekundärwicklung
bewegt, da die Gestänge-
und Sensoreinheit vergleichsweise belastet ist. Das Potential über der
ersten Sekundärwicklung
(A-B) nimmt zu. Dies geht zu Lasten der zweiten Sekundärwicklung 126,
da das Potential (C-D) in der zweiten Sekundärwicklung abfällt, wenn sich
der Anker von ihr wegbewegt. Bei der Zugbelastung tritt der entgegengesetzte
Effekt ein, da das Potential über
der zweiten Sekundärwicklung 126 (C-D) zunimmt
und dasjenige der ersten Sekundärwicklung (A-D)
abfällt.
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
sind die beiden Sekundärwicklungen
in Reihe geschaltet, jedoch entgegengesetzt gewickelt, so dass die
erste Sekundärwicklung
mit der Primärwicklung
in Phase ist und die zweite Sekundärwicklung um 180° phasenversetzt
ist. Eine gemeinsame Erdung (G) für die Primär- und die Sekundärwicklung ist
vorhanden.
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Wenn sich der Anker 106 gegen
eine zentrale neutrale Position bewegt, wird die Eingangsspannung
(E'-G) gleichmäßiger durch
die Sekundärwicklungen 124, 126 gekoppelt,
und der Ausgang aus der Sekundärwicklung
bewegt sich gegen Null. Dies ist richtig, da sich die Spannungen
mit entgegengesetzter Phasenbeziehung der beiden Sekundärwicklungen
an einem neutralen Punkt gerade aufheben. Diese Position wird während der
Herstellung durch Einstellung der Position des Ankers kalibriert,
wenn keine Last auf das Gestänge 10 angelegt
ist, bis der Nettoausgang gleich Null ist. Wenn das Gestänge komprimiert
wird, nimmt das Ausgangsspannungssignal (A'-G) linear zu, wenn sich der Anker gegen
die erste (in Phase befindliche) Sekundärwicklung 124 bewegt.
Wenn das Gestänge
unter Zugspannung gesetzt wird, bewegt sich der Anker gegen die
zweite Sekundärwicklung 126 (mit
entgegengesetzter Phase), und die Größe der sekundären Ausgangsspannung
(A'-G) nimmt gleichfalls
linear zu, jedoch in negativer Richtung. Dementsprechend zeigt der
Effektiv-Spannungswert des Ausgangssignals die Größe der Axialkraft
an und das Vorzeichen, positiv oder negativ, zeigt die Kompression
oder Zugspannung an.
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Bei der Herstellung des Gestänges wird
ein Kalibrierungsprozess ausgeführt.
Nachdem die Position des Ankers eingestellt wurde, um einen Nullausgang
bei einem Zustand ohne Belastung einzustellen, wird das Gestänge 10 bis
zu einem Sollpunkt des Kraftwertes bei Kompression belastet, gemäß einer Ausführungsform
1,36 kN (307 Pfund), und die Ausgangsspannung wird auf einen gewünschten
wert (etwa 4,95 VRMS) eingstellt, indem der Widerstand über dem
Ausgang bestimmt wird, der nötig
ist, um die gewünschte
Ausgangsspannung zu schaffen, wobei eine Vorrichtung mit variablem
Widerstand eingesetzt wird und ein Widerstand 132 über dem
Ausgang A'-G installiert
wird. Dieser Widerstand befindet sich tatsächlich am Ausgangsanschluss
(in 1 Bezugszeichen 30)
des Ausgangskabels (in 1 Bezugszeichen 28).
Die sekundären
Ausgangsleitungen A' und
G sind miteinander verdrillt, um eine abgeschirmte Ausgangsleitung
auszubilden, und der Primäreingang
E' verläuft parallel
zu dieser in dem Ausgangskabel.
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Der Sensor kann über dem gewünschten Betriebstemperaturbereich
stabiler gemacht werden, indem die Änderung des Ausgangs der LVDT
mit der Temperatur der Veränderung
der Steifigkeit der Feder mit der Temperatur angepasst wird. Eine
Abnahme der Verstärkung
mit zunehmender Temperatur ist bei LVDT-Vorrichtungen wohlbekannt
und wird für
gewöhnlich
durch den Hersteller für
Seriengeräte
angegeben und ist vorhersagbar oder für Handelsware leicht ermittelbar.
Die Veränderung
des Youngschen Moduls für
die Feder mit der Temperatur ist ebenfalls bekannt oder leicht ermittelbar
und hängt
von dem Material ab, aus dem sie gemacht ist. Wie ersichtlich ist,
wird die Feder bei höheren
Temperaturen geringfügig
mehr pro Einheit angelegter Kraft ausgelenkt, bei niedrigeren Temperaturen
geringfügig
weniger. Durch Auswahl der Eigenschaften der LVDT können diese
Temperatureffekte so eingestellt werden, dass sie einander im Wesentlichen
auslöschen,
so dass die Anzeige der angelegten Kraft genauer ist, ungeachtet
der Tatsache, dass das Ansprechverhalten der Feder sich mit der
Temperatur verändert.
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Es ist ersichtlich, dass die ausfallsichere
redundante Gestänge-
und Kraftsensoreinheit 10 der vorliegenden Erfindung ein
Ausgangssignal angibt, das die auf das Gestänge ausgeübte Kraft anzeigt. Dies kann
bspw. von einem Flugdatenschreiber eines Flugzeuges aufgezeichnet
werden und kann auch in Steuersystemen eingesetzt werden, die, falls gewünscht, ein
Kraft-Rückkopplungssignal
angeben. Der Sensor kann über
einen Temperatur- und Betriebsdauerbereich stabil gemacht werden,
und aufgrund der Empfindlichkeit und Stabilität von LVDT-Vorrichtungen werden
ein Sensor, der einen solchen Positionssensor beinhaltet, sowie
ein elastisch deformierbares Element gegenwärtig bevorzugt.
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Gemäß einer anderen Variation kann
die LVDT durch eine andere Art von Relativpositionssensor ersetzt
werden, der ein Signal erzeugen kann, das auf relativer Verschiebung
der Enden des Gestänges
basiert. Bspw. kann mit geeigneten Mo difikationen an der Positionssensoreinheit
eine Wandlervorrichtung mit variabler Kapazität eingesetzt werden. Derartige
Vorrichtungen sind durch die Kavlico Corporation, Moorpark, California,
im Handel erhältlich.
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Andere Variationen umfassen das Verwenden
eines hydraulisch gekoppelten Gestänges zwischen den axial verschiebbaren
Röhren
und das Vergrößern des
Ausschlags und dadurch der Verstärkung
der LVDT durch Einsatz einer Hydraulikkupplung, die bspw. verschieden
große
Zylinder beinhaltet, wobei die Variationen jedoch nicht darauf beschränkt sind.
Darüber
hinaus kann die LVDT im Zusammenhang mit dem Schaffen einer hydraulischen Kupplung
der Pleuellager des Gestänges
durch einen Druckwandler ersetzt werden. Die Hydraulikkupplung kann
durch Einsatz einer Zylinder- und Kolbenanordnung verwirklicht werden,
eine rollende Membran oder eine Kammer, die mindestens eine Membranwand
aufweist, um nur ein paar Beispiele zu nennen. In diesem Fall erfasst
der Druckwandler vorzugsweise sowohl positive als auch negative
Drücke,
entsprechend den angelegten kompressiven Kräften und Zugkräften.
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Aus der vorstehenden Beschreibung
ist offensichtlich, dass, obwohl besondere Formen der Erfindung
veranschaulicht und beschrieben wurden, verschiedene Modifikationen
ausgeführt
werden können,
ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, wie er in den
beigefügten
Ansprüchen
definiert ist.