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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Rollengewindestellglied
und insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf ein gegen Verklemmen
tolerantes, lineares Rollengewindestellglied (Jam Tolerant Linear
Roller Screw Actuator, JTRS), wie aus US-A-6059076 bekannt, das die Merkmale der
Präambel
von Anspruch 1 offenbart.
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Lineare
mechanische Betätigung
wird in einer Vielzahl verschiedener ziviler und militärischer Luft-
und Raumfahrtsysteme eingesetzt, insbesondere zur Betätigung von
sekundären
Flugsteuerungsflächen.
Herkömmlicherweise
wird dies durch Verwendung von Kugelgewinden oder Rollengewinden
als Hauptausgangsantriebe erreicht. Kugelgewinde und Rollengewinde
sind jedoch für
die Betätigung
von Primärflugsteuerungsflächen ungeeignet,
da die Wahrscheinlichkeit besteht, dass sie während des Betriebs verklemmen.
Ein solches Verklemmen könnte für ein in
der Luft befindliches Flugzeug schwere Folgen haben.
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Die
vorliegende Erfindung ist bestrebt, ein verbessertes Rollengewindestellglied
bereitzustellen.
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Dementsprechend
bietet die vorliegende Erfindung ein Rollengewindestellglied, das
folgendes umfasst: ein inneres Antriebsglied; eine mit dem inneren
Antriebsglied koaxiale Hülse;
ein äußeres Antriebsglied,
das mit der Hülse
koaxial ist und drehbar auf ihr gelagert ist; mindestens eine Planetenrolle, die
drehbar zwischen dem inneren Antriebsglied und der Hülse eingreift,
so dass eine Drehbewegung der Hülse
die relative lineare Bewegung des inneren Antriebsglieds bewirkt
oder eine Drehbewegung des inneren Antriebsglieds die relative lineare
Bewegung der Hülse
bewirkt; und ein Getriebesystem, das die mindestens eine Planetenrolle
an das innere oder das äußere Antriebsglied
koppelt; wobei die Anordnung derart ist, dass in einem ersten, nicht
verklemmten Zustand und in einem zweiten, verklemmten Zustand die
Vorschubgeschwindigkeit des Gewindestellglieds im Wesentlichen konstant
gehalten wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung koppelt das Getriebesystem die mindestens eine Planetenrolle
an die Hülse
und das äußere Antriebsglied,
um dadurch zu bewirken, dass sich die Hülse in der selben Richtung
wie das Eingangsantriebsglied mit einer relativ zum Eingangsantriebsglied
reduzierten Drehzahl dreht. Im ersten Zustand wird Antrieb über die
relative Drehung des Eingangsantriebsglieds, der mindestens einen
Planetenrolle, des Getriebesystems und der Hülse an das Ausgangsantriebsglied übertragen;
und
im zweiten Zustand wird Antrieb vom Eingangsglied direkt über nur
die mindestens eine Planetenrolle an das Ausgangsglied übertragen.
Im ersten Zustand ist das Getriebesystem so wirksam, dass es die Vorschubgeschwindigkeit
des Gewindestellglieds so reduziert, dass sie im Wesentlichen derjenigen
des Gewindestellglieds im zweiten Zustand entspricht.
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Vorzugsweise
ist die mindestens eine Planetenrolle relativ zum inneren und zum äußeren Antriebsglied
um ihre Längsachse
drehbar; und das Getriebesystem umfasst ein Lagermittel, das relativ
zum inneren und zum äußeren Antriebsglied
drehbar ist, wobei das Lagermittel so angeordnet ist, dass es die mindestens
eine Planetenrolle trägt
und durch ein Untersetzungsgetriebe an das äußere Antriebsglied und die
Hülse gekoppelt
ist, so dass die Präzession der
mindestens einen Planetenrolle um das innere Antriebsglied mit einer
vorgewählten,
reduzierten Geschwindigkeit bewirkt wird.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun, lediglich beispielhaft, unter Verweis
auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
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1 ein
Querschnitt durch ein herkömmliches
Rollengewindestellglied ist;
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2 ein
Schnitt durch eine bevorzugte Form des Rollengewindestellglieds
gemäß der Erfindung
ist; und
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3 eine
perspektivische Ansicht, teilweise im Schnitt und detaillierter,
des Stellglieds aus 2 ist.
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In 1 ist
unter 10 ein herkömmliches
Planetenrollengewindestellglied (oder Rollengewinde) im Schnitt
abgebildet. Die Rollenschraube schließt ein Eingangsantriebsglied 12 in
Form einer Welle oder Schraube mit einem äußeren Schraubengewinde 12a ein.
Ein Ausgangsantriebsglied 14 (herkömmlicherweise als Mutter bezeichnet)
in Form einer im Allgemeinen zylindrischen Hülse umgibt mindestens einen
Teil der Schraube 12. Die Mutter 14 ist mit einem äußeren Glied
(nicht gezeigt) verbunden, das vom Gewindestellglied angetrieben
werden soll, beispielsweise einer Flugsteuerungsfläche eines
Flugzeugs. Die Mutter 14 hat ein inneres Schraubengewinde 14a,
vorzugsweise mit einer ähnlichen
Steigung wie das Außengewinde 12a der
Schraube 12.
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Das
Außengewinde 12a der
Schraube 12 und das Innengewinde 14a der Mutter 14 sind
radial in einem Abstand voneinander angeordnet, so dass sie nicht
direkt ineinander eingreifen. Im ringförmigen Raum zwischen den Gewinden 12a, 14a befindet sich
eine Mehrzahl von Planetenrollen 16. Jede Rolle 16 hat
die Form eines länglichen
Glieds oder einer Stange mit einem Außengewinde 16a, dessen
Steigung vorzugsweise ähnlich
der des Außen-
und Innengewindes 12a, 14a der Schraube 12 bzw.
der Mutter 14 ist. Aus den Enden der Rollen 16 ragt
jeweils axial ein Zapfen 18, dessen Zweck nachfolgend beschrieben
wird.
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Ein
Steuerzahnrad 19 greift in die an den Endzapfen 18 angrenzenden
Zähne 21 ein,
um die Präzession
der Rollen auf herkömmliche
Weise zu steuern und gleichzeitig die axiale Bewegung relativ zur
Mutter 14 zu verhindern.
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In
einer angrenzend an eines ihrer Enden um den inneren Umfang der
Mutter 14 geschnittenen, ringförmigen Nut 22 befindet
sich eine flache Ringscheibe 20. Die Nut 22 ist
relativ glatt, damit sich die Scheibe 20 um eine zu der
der Schraube 12 und der der Mutter 14 koaxialen
Achse relativ zur Mutter 14 drehen kann. Die Scheibe 20 hat
eine Mehrzahl von Öffnungen 24,
in denen der Zapfen 18 am Ende jeder Rolle 16 sitzt.
Angrenzend an das andere Ende der Mutter 14 befindet sich
in einer der Nut 22 ähnlichen Nut
eine ähnliche
Scheibe, die ebenfalls eine Mehrzahl von Öffnungen aufweist, in denen
die Zapfen 18 am anderen Ende der Rollen 16 sitzen.
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Es
sollte offensichtlich sein, dass, wenn zusammengebaut, sich jede
Rolle 16 frei um ihre eigene Längsachse drehen kann, aber
an beiden Enden von den Scheiben 20 in einem Abstand von
den jeweiligen anderen Rollen gehalten wird. Außerdem können sich die Scheiben 20 um
eine mittlere Achse drehen und dadurch die Rollen so tragen, dass
sie sich um die selbe Achse drehen.
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Im
Betrieb wird ein Eingangsdrehmoment, das beispielsweise von einem
Elektromotor geliefert wird, auf die Schraube 12 aufgebracht,
um die Schraube mit einer vorbestimmten Drehzahl zu drehen. Zum
Zweck der Veranschaulichung wird angenommen, dass die Drehung der
Schraube im Uhrzeigersinn stattfindet.
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Die
Drehung im Uhrzeigersinn der Schraube 12 führt dazu,
dass sich die Planetentrollen 16 im Gegenuhrzeigesinn um
ihre eigenen Achsen drehen. Außerdem
bewirkt Reibung zwischen den Gewinden 16a der Rollen 16 und
den Gewinden 12a, 14a der Schraube bzw. der Mutter
die Präzession
im Uhrzeigersinn der in den Ringscheiben 20 angebrachten Rollen 116 um
die Schraube 12.
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Die
Mutter 14 wird daran gehindert, sich zu drehen, kann sich
jedoch axial relativ zur Schraube 12 bewegen. Die Drehbewegung
der Schraube 12 und der Rollen 16 bewirkt eine
lineare Relativbewegung, parallel zur Längsachse der Schraube, zwischen
der Schraube 12 und den Rollen 16 und daher zwischen
der Schraube 12 und der Mutter 14 mit einer vorbestimmten "Vorschubgeschwindigkeit", beispielsweise
x Meter pro Umdrehung.
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In
manchen Situationen können
die Rollen 16 jedoch in der Mutter 14 verklemmen,
wodurch ihre Präzession
um die Schraube 12 verhindert wird. Unter diesen Umständen bilden
die Gewinde 16a der Rollen 16 die selben Kontakte
um die Schraube 12, die eine Mutter bilden würde, wodurch
die wesentlichen Kontaktmerkmale eines Mutter-/Schraubenmechanismus
erhalten werden. Bei herkömmlichen
Planetenrollengewindestellgliedern führt dies zu einer bedeutenden Änderung
der Vorschubgeschwindigkeit des Gewindestellglieds, meistens indem
die lineare Relativbewegung zwischen der Schraube 12 und der
Mutter 14 auf beispielsweise x/3 Meter pro Umdrehung reduziert
wird. Dies könnte
erhebliche Probleme beim Betätigen
der Flugsteuerungsflächen verursachen.
Diese Reduzierung hängt
natürlich
von den durch die Schraube 12, die Mutter 14 und
die Rollen 16 eingestellten Zahnraddrehungen ab.
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In 2 ist
allgemein unter 100 und teilweise im Schnitt eine bevorzugte
Form eines linearen Planetenrollengewindestellglieds gemäß der Erfindung gezeigt.
Das Gewindestellglied umfasst eine ähnliche Anordnung wie das in 1 mit
einem inneren Antriebsglied in Form einer Welle 112 (der
Schraube), einer Hülse
(der Mutter) 114 und einer oder mehreren Planetenrollen 116,
die drehbar in zwei Stirnscheiben 120 angebracht sind und
sich in einem ringförmigen
Raum zwischen der Schraube 112 und der Mutter 114 befinden.
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Darüber hinaus
hat das Stellglied jedoch einen äußeren Träger oder
Gehäuse 202,
das ein äußeres Antriebsglied
bildet und das durch Lager 204 drehbar auf der Mutter 114 angebracht
ist. Das äußere Antriebsglied 202 und
die Mutter 114 werden daran gehindert, sich axial relativ
zueinander zu bewegen.
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In
dieser beschriebenen Ausführungsform
ist das innere Antriebsglied 112 drehbar und das äußere Antriebsglied 202 wird
daran gehindert, sich zu drehen, kann sich jedoch axial relativ
zum inneren Antriebglied 112 bewegen. Das innere Antriebsglied 112 ist
daher ein Eingangsantriebsglied, über das Drehantrieb auf das
Gewindestellglied aufgebracht wird. Das äußere Antriebsglied 202 ist
an einem externen Glied befestigt und dient als Ausgangsantriebsglied, über das
lineare Betätigung
auf das externe Glied aufgebracht wird.
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Man
wird einsehen, dass der Drehantrieb alternativ auch auf das äußere Antriebsglied 202 aufgebracht
werden kann, um lineare Betätigung über das
innere Antriebsglied 112 aufzubringen. In diesem alternativen
Fall könnte
sich das äußere Antriebsglied 202 ungehindert
drehen und würde
als Eingangsantriebsglied dienen. Das innere Antriebsglied 112 würde daran
gehindert werden, sich zu drehen, könnte sich aber axial relativ
zum Eingangsantriebsglied 202 bewegen.
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Im
Gewindestellglied in 2 greifen die Planetenrollen 16 in
die Gewinde 114a, 112a der Mutter 114 und
der Schraube 112 ein. Die Rollen 116 sind außerdem über ein
Getriebesystem 119 an die Mutter 114 und den Träger 202 gekoppelt.
Das Getriebesystem umfasst ein erstes Zahnrad 126, das mit
der äußeren Oberfläche der
Mutter 114 verzahnt oder anderweitig starr an ihr befestigt
ist, so dass es sich mit ihr drehen kann und ein externes Stirnzahnrad,
das von einem Stützmittel
in der Form einer Stirnscheibe 120 gebildet wird. Diese
hat einen sich radial erstreckenden Umfangsflansch 121 mit
Zähnen 120a,
um das externe Stirnzahnrad zu bilden. Die Stirnscheibe 120 wird
von einem geeigneten Lager 123 drehbar auf der Mutter 114 gehalten.
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Die
Zähne des
ersten Zahnrads 126 greifen in ein Eingangszahnrad 122b eines
Untersetzungsgetriebes in Form eines zusammengesetzten Zahnrads 122 ein.
Letzteres ist drehbar auf einer Achse 124 angebracht, die
in einer lateralen U-förmigen
Erweiterung 200 des äußeren Antriebsglieds 202 angebracht
ist. Ein Ausgangszahnrad 122a des Getriebes 122 greift
in die Zähne 120a der
Stirnscheibe 120 ein.
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Man
wird einsehen, dass es wünschenswert ist,
die Vorschubgeschwindigkeit für
das Gewindestellglied, unabhängig
davon, ob die Rollen 116 verklemmt sind oder nicht, im
Wesentlichen konstant zu halten.
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Wie
zuvor erwähnt,
ist bekannt, dass die Vorschubgeschwindigkeit des Gewindestellglieds
in 1 im unverklemmten Zustand x m/Umdrehung beträgt. Im verklemmten
Zustand, in dem die Rollen verklemmt sind und ihre Präzession
um die Schraube 112 verhindert wird, reduziert sich die
Vorschubgeschwindigkeit des Gewindestellglieds auf beispielsweise
x/3 m/Umdrehung.
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Beim
Gewindestellglied aus 2, findet, wenn eine oder mehr
Rollen 116 verklemmt sind, keine Relativbewegung zwischen
dem äußeren Antriebsglied 202,
dem Getriebesystem 119 und den Rollen 116 statt
und daher ist die Vorschubgeschwindigkeit des Gewindestellglieds
die gleiche, wie die des Gewindestellglieds aus 1 im
verklemmten Zustand, d. h. x/3 m/Umdrehung. Um eine konstante Vorschubgeschwindigkeit
aufrecht zu erhalten, ist daher das Untersetzungsgetriebe 122 der
vorliegenden Erfindung so angeordnet, dass es bewirkt, dass die
Vorschubgeschwindigkeit des Gewindestellglieds im unverklemmten
Zustand ebenfalls x/3 m/Umdrehung beträgt. Dies wird folgendermaßen erreicht.
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Im
unverklemmten Zustand wird das innere Antriebsglied 112 im
Uhrzeigersinn um seine Längsachse
gedreht, was bewirkt, dass sich die Rollen 116 im Gegenuhrzeigersinn
um ihre Längsachsen
drehen. Der Reibungskontakt zwischen den Rollen 116 und
sowohl der Schraube 112 als auch der Mutter 114 bewirkt
die Präzession
im Uhrzeigersinn der Rollen 116 um die Schraube 112,
die dadurch die Stirnscheibe 120 und das Stirnzahnrad im
Uhrzeigersinn mit sich tragen. Da die äußeren Zähne 120a der Stirnscheibe 120 in
das Eingangszahnrad 122b des zusammengesetzten Zahnrads 122 eingreifen,
wird die Drehung dieses zusammengesetzten Zahnrads im Gegenuhrzeigersinn
bewirkt. Da das Ausgangszahnrad 122a des zusammengesetzten
Zahnrads 122 in das erste Zahnrad 126 eingreift,
wird die Drehung der Mutter mit reduzierter Drehzahl im Uhrzeigersinn
bewirkt.
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So
bewirkt die Drehung der Schraube 112 im Uhrzeigersinn relativ
zu einem festen Punkt die Drehung der Mutter 114 im Uhrzeigersinn
relativ zu diesem Punkt, jedoch mit einer anderen Geschwindigkeit.
Es liegt also, verglichen mit derjenigen zwischen dem äußeren Antriebsglied 202 und
der Schraube 112 (und der Mutter 14 und der Schraube 12 des
Gewindestellglieds aus 1), eine Abnahme der relativen
Drehbewegung zwischen der Mutter 114 und der Schraube 112 vor.
Da es die Relativdrehung der Schraube 112 und der Mutter 114 ist,
die die lineare Relativbewegung der Schraube und des äußeren Antriebsglieds 202 bewirkt,
führt dies
zu einer daraus folgenden Verringerung der Vorschubgeschwindigkeit
des Gewindestellglieds. Wenn die Übersetzungsverhältnisse
der Stirnscheibe 120, des Untersetzungsgetriebes 122 und
des ersten Zahnrads 126 korrekt gewählt werden, kann die Vorschubgeschwindigkeit
des Gewindestellglieds auf einen gleichen oder im Wesentlichen gleichen
Wert, wie die Vorschubgeschwindigkeit im verklemmten Zustand reduziert
werden.
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3 ist
eine perspektivische Ansicht, teilweise geschnitten, die eine praktische
Form des Stellglieds aus 2 im Detail zeigt. Es ist ein
Steuerzahnrad 300 gezeigt, das die Präzession der Rollen 116 um
den korrekten Betrag zulässt
und gleichzeitig die Axialbewegung verhindert.
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Die
Vorschubgeschwindigkeit des Gewindestellglieds der vorliegenden
Erfindung ermöglicht eine
im Wesentlichen konstante Vorschubgeschwindigkeit, selbst wenn die
Rollen 116 verklemmen. Außerdem wird man einsehen, dass
in diesem Beispiel die Anzahl der Umdrehungen der Schraube 112 gegenüber dem
Gewindestellglied aus 1 um einen Faktor 3 erhöht werden
muss, um die gleiche Linearbewegung des äußeren Antriebsglieds 202 zu
erhalten.
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Wie
oben erwähnt,
wird man einsehen, dass Drehantrieb genauso auf das äußere Antriebsglied 202 statt
auf die Schraube aufgebracht werden kann. In diesem Fall wird das äußere Antriebsglied 202 zum
Eingangsantriebsglied und die Schraube 112 wird zum Ausgangsantriebsglied.
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Außerdem kann
die Erfindung auch auf Umlaufrollengewindestellglieder anwendbar
sein.
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Für den Fachmann
wird es offensichtlich sein, dass die vorliegende Erfindung so angeordnet ist,
dass die Vorschubgeschwindigkeit des Gewindestellglieds im unverklemmten
Zustand an die Vorschubgeschwindigkeit im verklemmten Zustand angepasst
ist, um dadurch die Vorschubgeschwindigkeit des Gewindestellglieds
auf einem konstanten Wert zu halten, unabhängig davon, ob sich das Gewindestellglied
im verklemmten oder im unverklemmten Zustand befindet. Dadurch wird
das Gewindestellglied praktisch unempfindlich auf diese Ausfallart.
Dadurch wird für
erheblich größere Zuverlässigkeit
und Sicherheit für
Flugsteuerungssysteme gesorgt.