DE102008003543A1

DE102008003543A1 - System und Verfahren zum Verstellen von Steuerflächen für Windkanalmodelle

Info

Publication number: DE102008003543A1
Application number: DE102008003543A
Authority: DE
Inventors: Eldert Akkermann; Martin Wahlich
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2008-01-08
Filing date: 2008-01-08
Publication date: 2009-07-16
Anticipated expiration: 2028-01-09
Also published as: US8136768B2; DE102008003543B4; US20090179109A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System und Verfahren zum Verstellen und Arretieren eines an einem Windkanal-Fluggerätemodell bewegbar angeordneten Ruders und umfasst eine Antriebsanordnung zum Antreiben des Ruders und eine Arretieranordnung. Die Antriebsanordnung besitzt einen relativ zum Ruder fest anbringbaren ersten Antriebsmotor, mindestens ein exzentrisch mit dem ersten Antriebsmotor verbindbares erstes Pleuel und mindestens einen Hebel, der mit einem Ende an dem ersten Pleuel und mit einem anderen Ende an einem festen Punkt des Fluggerätemodells lagerbar ist. Die Arretieranordnung ist relativ zum Ruder fest anbringbar und ferner dazu eingerichtet, eine Relativbewegung des Ruders zum Fluggerätemodell zu sperren. Vorteilhaft bei diesem System ist die Modularität, die vollständige Einbaubarkeit in das auszulenkende Ruder und die mechanisch einfache Konstruktion.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zum Verstellen und Arretieren eines an einem Windkanal-Fluggerätemodell bewegbar angeordneten Ruders.
Üblicherweise werden die Steuerflächen eines Windkanal-Fluggerätemodells über vorgefertigte, feste Beschläge ausgelenkt. Diese Beschläge werden für verschiedene Steuerflächenwinkel separat hergestellt und müssen von Mechanikern im Windkanal in das Modell integriert oder ausgetauscht werden.
Nachteilig bei diesem Konzept ist, dass für jede Stellung einer relevanten Steuerfläche ein individueller Beschlag gefertigt und entsprechend vorgehalten werden muss. Dies führt weiterhin zu einer mangelnden Flexibilität bei der Untersuchung von Windkanalmodellen, denn im laufenden Betrieb sind keine Änderungen von Steuerflächenstellungen möglich. Zudem muss der Windkanal betreten oder das Modell aus dem Windkanal entfernt werden, um neue Steuerflächenstellungen durch Umbau vorzunehmen.
Aufgabe der Erfindung ist daher, die genannten Nachteile zu verringern oder gänzlich zu eliminieren. Insbesondere ist Aufgabe der Erfindung, ein möglichst vielseitig verwendbares, modulares und fernsteuerbares Antriebssystem für Steuerflächen eines Windkanal-Fluggerätemodells vorzuschlagen, welches einen geringen Anpassungsaufwand für die Integration an unterschiedliche Steuerflächen des Fluggerätemodells erfordert und welches ein Einstellen eines Steuerflächen-Winkels auf einen vorbestimmten Wert und dortiges Arretieren bereitstellt.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein System zum Verstellen und Arretieren eines an einem Windkanal-Fluggerätemodell bewegbar angeordneten Ruders gemäß Patentanspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des Systems sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen System ist, dass eine Antriebseinheit zum Antreiben des Ruders sowie eine Arretiereinheit fest an oder in dem anzutreibenden Ruder anbringbar sind. Dies bedeutet, dass ein durch das erfindungsgemäße System ausgerüstetes Ruder selbst sämtliche Elemente zum Antreiben des Ruders aufweist, so dass lediglich das Ruder an das Modell angebracht und über entsprechende leicht zu verlegende elektrische Verbindungskabel zum ferngesteuerten Betrieb vollständig einsatzfähig gemacht werden kann. Das erfindungsgemäße System umfasst im Wesentlichen eine Antriebseinheit zum Antreiben des Ruders sowie eine Arretiereinheit. Die Antriebseinheit weist einen Antriebsmotor auf, der mittels eines Pleuels ein Ende eines an diesem Pleuel bewegbar gelagerten Hebels rotieren lässt, wobei der Hebel mit seinem anderen Ende fest an einem unbeweglichen Teil des Fluggerätemodells gelagert ist. Dementsprechend ergibt sich durch die bewegbare Lagerung des Ruders, der Rotation des Pleuels relativ zum Ruder und den zwischen dem Pleuel und einem unbeweglichen Teil des Modells eine Viergelenkkette, durch die bei Rotation des Pleuels eine Auslenkung des Ruders erzwungen wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung wird der Antriebsmotor innerhalb der Scharnierachse des Ruders angeordnet und dessen Wellenrotation über ein Paar von Zahnrädern an ein von der Scharnierachse entferntes weiter innerhalb des Ruders befindlichen Pleuels weiterzugeben, welches sich über einen Hebel an einem modellfesten Punkt und insbesondere an einem baugleichen, aber unbeweglich angeordneten zweiten Pleuel abstützt.
Zum Arretieren des Ruders relativ zum Modell kann gemäß der Unteransprüche eine mechanische Arretiereinrichtung verwendet werden, die auf das Ineinanderführen von Formschlussmitteln, insbesondere von korrespondierenden verzahnten Flächen, basiert. So kann die Arretiereinrichtung einen am Modell angeordneten, exemplarisch kreisbogenförmig ausgestalteten und verzahnten Block aufweisen, in den ein am Ruder angeordnetes korrespondierendes Gegenstück bei Erreichen des vorbestimmten Ruderwinkels in Verzahnung gebracht werden kann. Durch den Formschluss wird die Bewegung des Ruders zum unbeweglich angeordneten Block gesperrt. Der Winkel des Ruders kann dabei mit Hilfe eines Inklinometers bestimmt werden.
Die Erfindung wird weiterhin durch ein Verfahren, die Verwendung des erfindungsgemäßen Systems, ein Fluggerätemodell und ein Fluggerät gelöst.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. In den Figuren werden gleiche Objekte durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet. Es zeigen:
1: Dreidimensionale Ansicht des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Systems;
2: Vereinfachte schematische Darstellung der Pleuel-Hebel-Anordnung der Antriebseinheit des Ausführungsbeispiels;
3: Detaildarstellung des Arretiermechanismus in dreidimensionaler Darstellung; und
4: schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt das erfindungsgemäße System anhand des Ausführungsbeispiels Querruderantrieb. So ist das erfindungsgemäße System in ein Querruder 2 integriert, das an einem Flügel 4 bewegbar angeordnet ist und relativ zu einer Scharnierachse 6 um einen Winkel nach oben oder unten ausgeschlagen werden kann.
Eine im Querruder 2 befindliche Antriebsanordnung 7 weist in einer Ausnehmung 8 des Ruders 2 einen Motor 10 auf, der in eine separate Getriebeeinheit 12 mündet, welche ein erstes Zahnrad 14 antreibt. In das erste Zahnrad 14 greift ein zweites Zahnrad 16 ein, das wiederum mit einem Paar erster Pleuel 18 exzentrisch verbunden ist. Die ersten Pleuel 18 rotieren dementsprechend in umgekehrter Richtung wie das erste Zahnrad 14 und bewegen dabei ein Ende 20 eines Hebels 22. Das dem ersten Ende 20 entgegengesetzte Ende 24 des Hebels 22 ist in einem Paar zweiter Pleuel 26 bewegbar gelagert, welche mit einer Abtriebswelle 28 fest verbunden sind, wobei die Abtriebswelle 28 wiederum mit einem flügelfesten Stützblock 30 unbeweglich verbunden ist. Durch die unbewegliche Anordnung der Abtriebswelle 28 an dem Stützblock 30 kann sich die Welle 28 nicht drehen, so dass die zweiten Pleuel 26 entsprechend flügel- bzw. modellfest ausgeführt sind.
Wird nun das aus den Zahnrädern 14 und 16 bestehende Zahnradpaar vom Antriebsmotor 10 angetrieben, wird eine Rotation des ersten Endes 20 des Hebels 22 um die Drehachse des Zahnrads 16 hervorgerufen. Aufgrund der Anordnung der motorgetriebenen ersten Pleuel 18 in dem beweglich gelagerten Ruder 2 und der Verbindung des Hebels 22 zwischen den ersten Pleuel 18 und einem flügelfesten Punkt entsteht eine Viergelenkkette mit einem Freiheitsgrad. Dementsprechend muss das Querruder 2 eine zu der jeweiligen Stellung des Pleuels 18 korrespondierende Stellung einnehmen. Eine vereinfachte Darstellung der Hebel-Pleuel-Kombination wird in 2 gezeigt.
Würde sich der Motor 10 kontinuierlich in eine Richtung drehen, würde auch das Paar erster Pleuel 18 kontinuierlich gedreht werden, so dass kontinuierlich eine alternierende Schwenkbewegung des Querruders 2 nach oben und nach unten folgen würde. Vorteilhaft dabei ist, dass auf harte Begrenzungsflächen für die Begrenzung der Bewegung des Querruders 2 verzichtet werden kann, die bei häufiger Inanspruchnahme zu einer unnötigen Materialbelastung führen können.
Wird durch die vorgeschlagene Antriebsanordnung 7 ein vorbestimmter Winkel des Querruders 2 erreicht, was exemplarisch durch einen geeigneten elektronischen Neigungsmesser (Inklinometer) festgestellt werden kann, muss der Antrieb des Querruders 2 gestoppt und das Querruder 2 in der erreichten Position gehalten werden. Hierfür dient eine getrennt von der Antriebsanordnung 7 ausgeführte Arretieranordnung 31.
Die Arretieranordnung 31 weist ebenfalls einen Antriebsmotor 32 auf, der in eine Getriebeeinheit 34 mündet. Hiermit wird eine Spindel 36 angetrieben, die über eine in dieser Darstellung nicht sichtbare Spindelmutter und einen ebenfalls nicht sichtbaren Hebel einen an seiner Oberfläche verzahnten Körper 38 in die Verzahnung eines korrespondierenden verzahnten Blocks 40 drücken kann, wobei der verzahnte Block 40 flügelfest angeordnet ist. Befindet sich der verzahnte Körper 38 in Eingriff mit dem verzahnten Block 40, so wird eine Rotation des Querruders 2 um dessen Scharnierachse 6 unterbunden. Eine detaillierte Darstellung der Arretieranordnung 31 ist 3 zu entnehmen.
2 stellt schematisch das Zusammenspiel der ersten Pleuel 18 und der zweiten Pleuel 26 sowie des Hebels 22 dar. Am Anfang der Bewegung (oberste Darstellung unter 1.) sind die beiden Pleuelpaare 18 und 26 zueinander parallel ausgerichtet und der Hebel 22 in einer im Wesentlichen waagerechten Position. Die Verbindungslinie zwischen der Scharnierachse 6 einer unteren Lagerbohrung 42 eines ruderfesten ersten Pleuels 18 repräsentiert die Ausrichtung des Querruders 2 in Bezug auf den Flügel 4. In einem besonderen Auslegungsfall fällt die Lage der Scharnierachse 6 an einem flugmodellfesten zweiten Pleuels 26 mit der Lage einer unteren Lagerbohrung 44 zusammen, so dass die Verbindungslinie der beiden unteren Lagerbohrungen 42 und 44 die Auslenkung des Querruders 2 repräsentieren. In dem dargestellten Fall ist das Querruder 2 waagerecht ausgerichtet, da die beiden Lagerbohrungen 42 und 44 die gleiche Höhe aufweisen. Wird nun das erste Pleuel 18 vom Motor 10 rotiert, wird der Hebel 22 in Richtung des zweiten Pleuels 26 gedrückt. Da das zweite Pleuel 26 fest gegenüber dem Flügel 4 angeordnet ist, muss die Lagerbohrung 42 als Reaktion auf diese Druckkraft eine andere Stellung einnehmen, so dass kein Klemmen der Anordnung eintritt. Dementsprechend bewegt sich die Lagerbohrung 42, wie unter 2. dargestellt, bei anfänglicher Drehung entgegen des Uhrzeigersinns nach unten. Wird ein Punkt erreicht, bei dem der Hebel 22 parallel zu dem ersten Pleuel 18 ausgerichtet ist, ist der maximale Ausschlag des Querruders 2 nach unten erreicht. Bei weiterer Drehung des Pleuels 18 entgegen des Uhrzeigersinns erfolgt ein Rückschwenken des Querruders 2 zur Waagerechten hin und bei weiterer Drehung ein Auslenken nach oben. Durch diese Anordnung kann eine – je nach Auslegung der Pleuel 18, des Hebels 22 und des Pleuels 26 – beliebige Auslenkung des Querruders 2 erreicht werden, ohne dass separate Begrenzungsflächen oder dergleichen notwendig sind.
In 3 wird schließlich die Arretiereinrichtung detailliert dargestellt, die ein Arretieren des Querruders 2 in Bezug auf den Flügel 4 ermöglicht. Der verzahnte Block 40, der an seiner zum Querruder 2 gerichteten Oberfläche 46 eine Verzahnung aufweist, ist mittels eines Halters 48 am Flügel 4 angeordnet. Der verzahnte Körper 38, der an seiner zum Flügel 4 gerichteten Oberfläche 50 ebenfalls eine Verzahnung aufweist, ist mit einem Hebel 52 bewegbar verbunden. In den Hebel 52 kann an seinem vom verzahnten Körper 38 entgegengesetzten Ende ein Führungsstift 54 eingesetzt werden, der mittels zweier Langlöcher 56 eines Gehäuses 58 entlang einer zur Verzahnungsrichtung des Körpers 38 parallelen Richtung geführt werden kann. Bei einer Verschiebung des Führungsstifts 54 innerhalb der Langlöcher 56 erfolgt eine Auslenkung des verzahnten Körpers 38 innerhalb einer Führungsöffnung 60 in das Gehäuse 58 hinein oder aus dem Gehäuse 58 heraus. Durch diese Auslenkung kann ein Eingriff der Verzahnung des Körpers 38 in die Verzahnung des Blocks 40 verursacht oder aufgehoben werden. Die Bewegung des Hebels 52 bzw. des Führungsstifts 54 innerhalb der Langlöcher 56 wird dabei durch die axiale Bewegung einer Spindelmutter 62 entlang einer Spindel 64 hervorgerufen, welche über die Motor-Getriebe-Einheit 32 und 34 angetrieben werden kann. Durch die Arretieranordnung 31 kann reproduzierbar ein durch die Antriebsanordnung 7 eingestellter Winkel gehalten werden, dessen Genauigkeit von der Zahnteilung der verzahnten Oberflächen 46 und 50 abhängt.
Eine schematische Ansicht aus 4 fasst die Verfahrensschritte zusammen, mit denen das erfindungsgemäße System betrieben werden kann. Zum Verstellen und Arretieren des an einem Windkanal-Fluggerätemodell bewegbar angeordneten Ruders 2, werden im Wesentlichen die folgenden Schritte ausgeführt:

– Antreiben 66 des relativ zum Ruder 2 fest angebrachten ersten Antriebsmotors 10, der mit mindestens einem ersten Pleuel 18 exzentrisch verbunden ist, welches das eine Ende 20 des Hebel 22 bewegt, der mit dem anderen Ende 24 an einem festen Punkt des Fluggerätemodells gelagert wird,
– Bestimmen 68 des Ruderwinkels,
– bei Erreichen eines vorgegebenen Sollwinkels, d. h. im Wesentlichen keine Abweichung vom Sollwinkel, Stoppen 70 des ersten Antriebsmotors 10, Antreiben 72 des zweiten Antriebsmotors 32, der den Körper 38 mit verzahnter Oberfläche 50 auf den Block 40 mit der korrespondierenden verzahnten Oberfläche 46 auslenkt und dabei einen Formschluss durch Verzahnen 74 des Körper 38 mit dem Block 40 herstellt und Stoppen 76 des zweiten Antriebsmotors 32.
– Zum Ändern des eingestellten und arretierten Ruderwinkels wird der zweite Antriebsmotor 32 zum Aufheben 80 der Verzahnung zwischen Körper 38 und Block 40 in umgekehrter Richtung angetrieben 78 oder gibt über ein nachgeschaltetes Getriebe eine umgekehrte Drehrichtung ab.

Dabei ist zu bedenken, dass das Bestimmen des Ruderwinkels nicht als ein einzelner isolierter Schritt des Verfahrens zu werten ist, sondern der Ruderwinkel bevorzugt kontinuierlich („online") bestimmt wird.
Das erfindungsgemäße System stellt damit eine mechanisch einfache Lösung zum ferngesteuerten Auslenken eines Ruders 2 und dessen Arretierung relativ zu einem Fluggerätemodell bereit. Ein Betreten des Windkanals und manuelles Umkonfigurieren der Steuerflächen des Windkanalmodells entfallen. Das erfindungsgemäße System ist nicht auf die im Ausführungsbeispiel geschilderte Verwendung zum Auslenken eines Querruders 2 an einem Flügel 4 beschränkt. Vielmehr kann das erfindungsgemäße System zum Auslenken einer beliebigen Steuerfläche eines Fluggerätemodells, einer Steuerfläche eines Fluggeräts oder generell von Steuerflächen eines Fahrzeugs oder eines Steuerflächen aufweisenden Geräts verwendet werden. Vorzugsweise wird zur bequemen Verwendung des erfindungsgemäßen Systems eine Regeleinheit benutzt, die den Ruderwinkel des Ruders 2 erfasst, mit einem vorweg eingegebenen Sollwert vergleicht und den ersten und zweiten Antriebsmotor ansteuert.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine” oder „ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims

System zum Verstellen und Arretieren eines an einem Windkanal-Fluggerätemodell bewegbar angeordneten Ruders (2), umfassend eine Antriebsanordnung (7) zum Antreiben des Ruders (2) und eine Arretieranordnung (31), wobei die Antriebsanordnung (7) einen relativ zum Ruder (2) fest anbringbaren ersten Antriebsmotor (10), mindestens ein exzentrisch mit dem ersten Antriebsmotor (10) verbindbares erstes Pleuel (18) und mindestens einen Hebel (22), der mit einem Ende (20) an dem ersten Pleuel (18) und mit einem anderen Ende (24) an einem festen Punkt des Fluggerätemodells lagerbar ist, aufweist und wobei die Arretieranordnung (31) relativ zum Ruder (2) fest anbringbar ist und dazu eingerichtet ist, eine Relativbewegung des Ruders (2) zum Fluggerätemodell zu sperren.
System nach Anspruch 1, mit einem Inklinometer zum Bestimmen des Winkels des Ruders (2).
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Arretieranordnung (31) einen Block (40) aufweist, der an einem festen Punkt des Fluggerätemodells anbringbar ist und eine zum Ruder (2) gerichtete verzahnte Oberfläche (46) besitzt und bei dem die Arretieranordnung (31) einen Körper (38) aufweist, der in einem Gehäuse (58) am Ruder (2) verschieblich lagerbar ist und an einer dem Block (40) zugewandten Oberfläche (50) eine Verzahnung aufweist, die mit der Verzahnung des Blocks (40) korrespondiert.
System nach Anspruch 3, bei dem der Körper (38) dazu eingerichtet ist, im Gehäuse (58) zum Eingehen oder zum Aufheben eines Formschlusses mit dem Block (40) mittels eines zweiten Antriebsmotors (32) ausgelenkt werden zu können.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das erste Pleuel (18) über ein Paar von Zahnrädern (14, 16) mit dem ersten Antriebsmotor (10) verbunden ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste Antriebsmotor (10) mit einem Getriebe (12) verbunden ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der zweite Antriebsmotor (32) mit einem Getriebe (34) verbunden ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Ruder (2), das erste Pleuel (18), der Hebel (22) und ein fester Punkt des Fluggerätemodells eine Viergelenkkette bilden.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit zwei ersten Pleuel (18) und zwei zweiten Pleuel (26).
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das vollständig in das auszulenkende Ruder (2) einbaubar ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das fernsteuerbar ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das zum Steuern des ersten und des zweiten Antriebsmotors und zum Erfassen und Auswerten des Ruderwinkels eine Regelungseinrichtung aufweist.
Verfahren zum Verstellen und Arretieren eines an einem Windkanal-Fluggerätemodell bewegbar angeordneten Ruders (2), umfassend die Schritte: – Antreiben (66) eines relativ zum Ruder (2) fest angebrachten ersten Antriebsmotors (10), der mit mindestens einem ersten Pleuel (18) exzentrisch verbunden ist, welches ein Ende (20) eines Hebel (22) bewegt, der mit einem anderen Ende (24) an einem festen Punkt des Fluggerätemodells gelagert wird, – Bestimmen (68) des Ruderwinkels, – Bei Erreichen eines vorgegebenen Sollwinkels Stoppen (70) des ersten Antriebsmotors (10), Antreiben (72) eines zweiten Antriebsmotors (32), der einen Körper (38) mit verzahnter Oberfläche (50) auf einen Block (40) mit einer korrespondierenden verzahnten Oberfläche (46) auslenkt und dabei einen Formschluss durch Verzahnen (74) der Körper (38) und dem Block (40) herstellt und Stoppen (76) des zweiten Antriebsmotors (32).
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der zweite Antriebsmotor (32) zum Aufheben des Formschlusses (80) zwischen Körper (38) und Block (40) in umgekehrter Richtung angetrieben wird (78) oder über ein nachgeschaltetes Getriebe eine umgekehrte Drehrichtung abgibt, wenn der Ruderwinkel geändert werden soll.
Verwendung eines Systems nach einem der Ansprüche 1–12 zum Auslenken eines Ruders (2) eines Fluggerätemodells in einem Windkanal.
Windkanal-Fluggerätemodell mit einem System nach einem der Ansprüche 1–12.
Fluggerät mit einem System nach einem der Ansprüche 1–12.