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Steuereinrichtung für einen Drehflügelrotor mit nach Art eines frei
schwingenden Zentrifugalpendels schwenkbar angelenkten Rotorblättern Die Erfindung
bezieht sich auf eine Steuereinrichtung für einen Drehflügelrotor mit nach Art eines
frei schwingenden Zentrifugalpendels schwenkbar angelenkten Rotorblättern' die in
Resonanz zur Rotordrehzahl schwingen.
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Bei Hubschraubern muß zur Erreichung hoher Ge-
schwindigkeit
im Vorwärtsflug eine möglichst gleichmäßige Anströmung der Rotorblätter über eine
volle Rotorumdrehung angestrebt werden. Die Differenzen in der Anströmung zwischen
den vor- und zurücklaufenden Blättern können durch die Erzeugung einer unterschiedlichen
Blattumlaufgeschwindigkeit, bei welcher den vorlaufenden Rotorblättern eine verringerte
und den zurücklaufenden Rotorblättern eine vergrößerte Umlaufgeschwindigkeit erteilt
wird, ausgeglichen werden. Hierbei ist es erforderlich, daß die Rotorblätter jeweils
bei einem Rotorumlaufwinkel von y = 0' gegenüber der Normalstellung am weitesten
voreilen und bei y = 1801 am weitesten zurückbleiben, während sie sich bei
V # 90 bzw. 2701 annähernd in Normallage befinden.
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Rotorblätter, die um zur Rotorachse parallele Achsen frei schwenkbar
angelenkt sind, können dadurch zur Ausführung von Schwenkbewegungen angeregt werden,
daß sie in Resonanzdrehzahl ausgelegt werden. Solchen freien Schwenkbewegungen haftet
jedoch der Nachteil an, daß sich ihre Phasenlage zufällig einstellt und außerdem
die an den Rotorblättern angreifenden Luftkräfte Verschiebungen der Phasenlage bewirken
oder die Schwenkbewegungen so weit dämpfen, daß sie zum Stillstand kommen. Daraus
ergibt sich, daß frei schwingende Rotorblätter die zur Aufrechterhaltung einer gleichmäßigen
Ausströmung erforderliche Phasenlage der Schwenkbewegungen ohne geeignete Steuerung
oder Führung nicht einzuhalten vermögen.
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Um diese Nachteile zu beseitigen, sind Zwangsführungen, z. B. durch
starre getriebliche Mittel für die Schwenkbewegungen der Rotorblätter bekannt. Es
werden auch verschiedene Ausführungen von Taumelscheiben verwendet, wobei die von
einer Taumelscheibe abgegriffenen, den Rotorblättern aufgezwungenen Bewegungen durch
Hebelübersetzungen und Schubstangen auf die Blätter übertragen werden. Dabei zeigt
es sich, daß die von einer Taumelscheibe abgegriffenen Bewegungen, sofern der Aufwand
für die Abgreif- bzw. übertragungsmittel in vertretbaren Grenzen bleiben soll, nicht
restlos auf den Verlauf freier Schwingungen abgestimmt werden können, wodurch stets
überschneidungen zwischen den Resonanzschwingungen der Blätter und der Zwangsschwingungsform
auftreten, aus denen Differenzkräfte resultieren. Da diese Differenzkräfte, schon
bei verhältnismäßig kleinen Abweichungen zwischen freier und erzwungener Schwenkbewegung
relativ groß sind, müssen auch die Hebel und Gestänge sowie die beteiligten Teile
des Rotorkopfes entsprechend dimensioniert werden, was einerseits zu schweren Konstruktionen,
andererseits zu weniger günstigen Aufteilungen der Antriebskräfte auf die Antriebsorgane
führt. Abgesehen davon haben diese Zwangsführungen zusätzlich den Nachteil, daß
um die Schwenkachsen der Rotorblätter Restmomente entstehen.
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Bei einer anderen bekannten Konstruktion werden die Schwenkbewegungen
über Schubgestänge und einen am Flugzeugrumpf festen Exzenterzapfen erzwungen. Da
jedoch mit dieser Konstruktion der Verlauf einer freien Schwingung noch weniger
nachgeahmt werden kann als mit einer Taumelscheibe, sind hier die auftretenden Differenzkräfte
entsprechend größer, so daß hierfür dieselben Nachteile wie für die Taumelscheibe
gegeben sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Steuereinrichtung für einen Rotor
der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welcher erreichbar ist, daß die
Schwenkbewegungen der Blätter weitgehend dem Schwingungsverlauf eines frei schwingenden
Zentrifugalpendels entsprechen, wobei einerseits die Vorteile eines Rotors mit frei
schwenkbar angelenkten Blättern hinsichtlich seines konstruktiv einfachen und gewichtsmäßig
leichten Aufbaus gewahrt sein sollen, andererseits jedoch die vorstehend aufgeführten
Nachteile eines Rotors mit Antrieb durch starre getriebliche Mittel vermieden sind.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die im
Verlauf einer Schwenkperiode auftretenden
Resonanzstörungen mittels
einer mindestens in der Mittellage der Rotorblätter (V = 90'-bzw.
Y # 2701-Nulldurchgangsstelle des Pendels) einsetzenden Beeinflussung der
Schwenkbewegung durch kurzzeitige stoßartige Energiezufuhr ausgleichbar sind.
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Der wesentliche Vorteil der Erfindung liegt somit insbesondere darin,
daß eine sich über eine volle Schwenkperiode erstreckende Zwangsführung jedes Rotorblattes
fortfällt. Es können daher Differenzkräfte nicht mehr auftreten, wodurch eine erheblich
leichtere und gedrungenere Konstruktion des Rotorkopfes ermöglicht wird.
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Dadurch, daß die stoßartige Beeinflussung der Rotorblätter mindestens
jeweils bei W = 90' und ip = 270' des Rotorumlaufwinkels, also jeweils
bei ihrer maximalen Schwenkgeschwindigkeit erfolgt, wird der Vorteil erreicht, daß
die freie Schwenkbewegung der Rotorblätter am wenigsten gestört wird.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß an den genannten Stellen mit
dem geringsten Aufwand an Beschleunigungsarbeit die größtmögliche Beeinflussung
der Schwenkbewegilingen der Rotorblätter erfolgen kann. Die Erfindung ist jedoch
hierauf nicht beschränkt, vielmehr kann die stoßweise Beeinflussung auch oder zusätzlich
auch an anderen Stellen des Rotorumlaufes erfolgen, und zwar insbesondere dann,
wenn die geforderte Schwingung auf Grund äußerer Störeinflüsse nicht eingehalten
wird.
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Ein anderer Vorteil dieses Merkmals der Erfindung wird darin gesehen,
daß es der Anfahrbedingung entgegenkomint, wenn die Schwenkbewegung der Rotorblätter
aus deren Null-Lage heraus eingeleitet werden muß. Derselbe Vorteil ergibt sich
in gleicher Weise auch für das Abstoppen der Schwenkbewegung.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindun-wirddie stoßartigeBeeinflussung
derSchwenkbewegung durch einen oder mehrere am Rotorblatt angreifende Servomotoren
bewirkt, von denen jeder Motor aus einer gegen einen Druckspeicher arbeitenden Druckölpumpe
mit nachgeschalteten, drehschiebergesteuerten und doppeltwirkenden Hydraulikzylindern
besteht.
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Gemäß einem weiteren Merkmal im Rahmen der Erfindung weisen die Hydraulikzylinder
den zulässigen Schwenkbereich begrenzende, an sich bekannte hy-
draulische
Anschläge auf.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung im Rahmen der Erfindung besteht darin,
daß bei Ausfall der Druckölversorgung durch den Druckspeicher die Versorgung der
Servomotoren durch das im Flugzeug ohnehin vorhandene Hydrauliksystem über in einer
von der Rotorwelle umschlossenen drehfesten Achse liegende Leitungen erfolgt.
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Als Servomotor kann im Rahmen der Erfindung grundsätzlich auch jede
andere beliebige Energiequelle, die für eine stoßartige Beeinflussung geeignet erscheint,
wie z. B. Elektromagnet, Elektromotor oder Pneumatikmotor, verwendet werden. In
dem zur nachfolgenden Erläuterung herangezogenen Ausführungsbeispiel ist ein hydraulischer
Servomotor gewählt. Es zeigt F i g. 1 die Steuereinrichtung für ein Rotorblatt
in schematischer Darstellung bei einem Umlaufwinkel ip = 90'. Aus Gründen
einer besseren übersichtlichkeit ist das Rotorblatt in einer gegenüber der tatsächlichen
Bewegungsebene um 90' gedrehten Lage gezeichnet; außerdem ist die senkrecht
stehende Drehachse des Rotors (Achse 4) waagerecht gezeichnet, F i g. 2 die
Steuereinrichtung nach F i g. 1, bei #p = 180', F i g. 3 einen Schnitt
durch den Drehschieber wie er Bestandteil der F i g. 1 und 2 ist, jedoch
in einer gegenüber F i g. 1 um 1.801 verdrehten Stellung, F i
g. 4 einen Teilschnitt durch einen mit der Steuereinrichtung ausgerüsteten
Rotorkopf.
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Der in F i g. 1 und 2 im gestrichelten Feld 1 schematisch
dargestellte hydraulische Servomotor, welcher einen doppeltwirkenden Hydraulikzylinder
2 und einen zu diesem gehörenden Steuerschieber 2a umfaßt, sowie die hauptsächlich
aus einer kontinuierlich gegen einen Druckspeicher 6 arbeitenden ölpumpe
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und einem Drehschieberteil 5a bestehende Druckölversorgung des Servomotors
läuft mit dem Rotorkopf 3 (F i g. 4) um den mit der Achse 4 verbundenen
Drehschieberteil 5, der gegenüber dem Rotorkopf 3
feststeht, um. Der
Drehschieberteil 5a steht mit dem Rotorantrieb in Verbindung und entspricht in seinem
funktionellen Aufbau dem Gehäuse 64 in F i g. 4.
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Die Tätigkeit des Hydraulikzylinders 2 und seines Steuerschiebers
2a wird im Verlauf einer Schwenkperiode bzw. einem Rotorumlaufes in 4 Abschnitte
unterteilt, und zwar soll jeweils bei einem Umlaufwinkel y = 901 (Abschnitt
I) und bei y) = 270' (Ab-
schnitt III) eine Stoßkraft von ip = etwa
5' Dauer erzeugt und in den dazwischenliegenden Winkelbereichen (Abschnitte
II und IV) eine völlig widerstandslose Bewegung des Kolbens 28 und damit
des Rotorblattes 31 von etwa 1751 Dauer erreicht werden.
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Die Steuerung während der Abschnitte II und IV erfolgt durch den mit
dem Hydraulikzylinder 2 verbundenen Steuerschieber 2a. Dieser Steuerschieber besteht
im wesentlichen aus einem in einer Kammer 16 zwischen zwei gleichstarken
Federn 17, 18 beweglich angeordneten Doppelkolben 19, den Steuerleitungen
20, 21, der Kurzschlußleitung 22, welche die Leitungen 26, 27 unmittelbar
vor ihrem Eintritt in den Hydraulikzylinder 2 miteinander verbindet, sowie dem gegen
die Kraft einer Feder 23 in der Kurzschlußleitung 22 beweglich angeordneten
Drosselschieber 25.
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In der Stellung V = 901 (Abschnitt I) verbindet die Bohrung
8 des feststehenden Drehschieberteils 5
die vom Druckspeicher
6 kommende Leitung 10 mit einer zum Steuerschieber 2 a des Hydraulikzylinders
2 führenden Leitung 11, gleichzeitig stellt eine Bohrung 9 im Drehschieberteil
5 eine Verbindung der von dem Steuerschieber 2a des Hydraulikzylinders 2
kommenden Rücklaufleitung 13 mit der zum ölsumpf 14 führenden Leitung
15 her. Hierdurch wird gleichzeitig die von der Drucköl führenden Leitung
11 abzweigende Steuerleitung 20 und damit auch der Teil 16
a der Kammer 16 mit Drucköl versorgt. Durch den in dem Kammerteil 16a
entstehenden überdruck wird der Doppelkolben 19 nun entgegen der Kraft der
Feder 18 nach rechts (F i g. 1) verschoben, so daß einerseits eine
Verbindung zwischen der Leitung 11 und einer von der Kammer 16 zum
Hydraulikzylinder 2 führenden Leitung 26 sowie zwischen der Leitung
13 und der ebenfalls zum Hydraulikzylinder führenden Leitung 27 hergestellt
wird, andererseits die durch die Kammer 16 führende Kurzschlußleitung 22
gesperrt wird. Durch den sich nunmehr, in Bewegungsrichtung
gesehen,
auf der Rückseite des Hydraulikkolbens 28 aufbauenden Druck wird dieser bewegt,
so daß also über die Kolbenstange 29 und den Hebel 30 ein Impuls an
das Rotorblatt 31 abgegeben wird. Das hierdurch auf der Vorderseite des Hydraulikkolbens
28 verdrängte Hydrauhköl fließt über die Leitung 27, durch die Kammer
16 und in die Leitung 13, durch die Bohrung 9 des Drehschieberteils
5 und die Leituna, 15 in den Ölsumpf 14 zurück.
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Nachdem der Abschnitt I des Rotorumlaufes durchlaufen ist, wird zu
Beginn des Abschnittes II der Drehschieberteil 5 gegenüber dem Drehschieberteil
5 a und damit gegenüber den Leitungen 10, 11
und
13, 15 so weit verdreht, daß keine Verbindung zwischen ihnen mehr besteht.
Dadurch bricht in der Leitung 11 und damit auch in der Steuerleitung 20 sowie
im Kammerteil 16a der bestehende öldruck zusammen, so daß durch die sich gegeneinander
im Gleichgewicht befindenden Federn 17, 18 der Doppelkolben 19 in
eine Mittellage zurückgeführt wird, in der er einerseits die Kurzschlußleitung 22
freigibt, andererseits die Verbindung zwischen den Leitungen 11, 26 und
13, 27 unterbricht. In dieser Stellung sind nun die beiderseits des Hydraulikkolbens
28 liegenden Zylinderräume des Hydraulikzylinders 2 untereinander durch die
Kurzschlußleitung 22 verbunden, so daß sich der Hydraulikkolben 28 im Zylinder
2 nahezu widerstandslos bewegen kann. Hierbei sind die Einmündungen der Leitungen
26, 27 in den Hy-
draulikzylinder derart angeordnet, daß sich für den
Hydraulikkolben 28 im Bereich der Stirnseiten des Hydraulikzylinders hydraulische
Anschläge ergeben, die durch den Abstand der Einlässe der Leitungen 26, 27
gegenüber der Wand des Zylinders 2 festgelegt el sind.
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Während der Dauer des Abschnittes II sind die Leitungen
10 und 15 durch ein in der Verbindungsleitung 12 angeordnetes Überdruckventil
67 kurzgeschlossen, so daß ein eventuell durch den Verschluß der Leitungen
10 und 15 durch das Drehschieberteil 5
im Druckspeicher
6 entstehender überdruck durch Abströmen von Drucköl in den ölsumpf 14 beseitigt
wird.
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Ist der Abschnitt II des Rotorumlaufes beendet, so werden zu Beginn
des Abschnittes 111 durch eine weitere Verdrehung des mit dem Rotorkopf umlaufenden
Drehschieberteils 5 a gegenüber dem feststehenden Drehschieberteil
5 nunmehr durch die Bohrung 41 die Druckleitung 10 mit der Leitung
13
und durch die Bohrung 40 die Leitung 11 mit der Leitung
15 verbunden.
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Durch diese Verbindung wird nunmehr über die Leitung 13 die
von dieser abzweigende Steuerleitung 21 und damit der Teil 16 b der
Kammer 16 mit Drucköl versorgt. Durch den nun im Kammerteil 16
b
entstehenden überdruck wird der Doppelkolben 19
entgegen der Kraft
der Feder 17 nach links verschoben, so daß einerseits eine Verbindung zwischen
den Leitungen 11, 26 sowie den Leitungen 13, 27
hergestellt wird, andererseits
jedoch die Kurzschlußleitung 22 gesperrt wird. Durch den sich nun, in Bewegungsrichtung
gesehen, auf der Rückseite des Hydraulikkolbens 28 aufbauenden Druck wird
dieser bewegt, so daß wiederum über die Kolbenstange 29 1 und den Hebel
30 ein Impuls an das Rotorblatt 31
abgegeben wird. Da jedoch im Abschnitt
111 die Druckölbeaufschlagung der Steuereinrichtung 2a in C im
o,
genüber Abschnitt II entgegengesetzter Richtung ge ID C erfolgt, hat auch der auf
das Rotorblatt übertragene Impuls die umgekehrte Richtung.
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Nachdem AbschnittIll des Winkelbereiches des Rotorumlaufes durchlaufen
ist, wird durch eine weitere Verdrehung des Drehschieberteils 5a die Verbindung
zwischen den Leitungen 10, 13 und 11, 15
wieder unterbrochen,
so daß sich durch den Zusammenbruch des Druckes im Steuerschieber2a der bereits
im Zusammenhang mit Abschnitt U beschriebene Zustand bezüglich der freien
Beweglichkeit des Kolbens 28 einstellt.
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Abweichend von diesem stationären Betriebszustand erfolgt das Anfahren
der Schwenkbewegung durch ein allmähliches Beschleunigen der Rotorblätter aus ihrer
Null-Lage heraus. Dieser Effekt wird mit dem Hydraulikzylinder2 durch ein langsames
öffnen des Drucköldurchganges durch den Drehschieber 5, 5a
und durch eine gleichzeitige allmähliche Beaufschlagung des Drosselschiebers
25
über eine Leituna, 52 mit Drucköl erreicht. Zu diesein Zweck ist
der feststehende Drehschiebertei15 im rotierenden Drehschieberteil 5a axial beweglich
angeordnet. Diese Axialverschiebung kann vom Flugzeugführer mittels einer in der
Zeichnung nicht dargestellten Einrichtung vorgenommen werden. Eine Axialverschiebung
des Drehschieberteils 5 in Pfeilrichtung bewirkt, daß während des Umlaufzyklus
einerseits die überdeckung der Bohrungen 8, 9 bzw. 40, 41 mit den Leitungen
10, 11 und 13, 15 hergestellt wird und ein die Leitung 52 mit
Drucköl versorgender Ringkanal 53 mit der Druckölzufuhr durch den Leitungsanschluß
54 verbunden wird. Dies bewirkt einerseits, daß während der Abschnitte
1
und III des Rotorumlaufes über die Leitungen 11
bzw. 13 des
Steuerschiebers 2 a und damit dem Hy-
draulikzylinder 2 zunächst jeweils
nur geringere Druckölmengen zugeführt und somit auch nur geringe Stoßkräfte erreicht
werden, andererseits, daß über die Leitung 52 der Drosselschieber
25 gegen die Kraft der Feder 23 nur geringfügig im öffnenden Sinne
verstellt wird, und sich somit durch den verminderten Querschnitt der Kurzschlußleitung
22 in den Abschnitten II und IV am Hydraulikkolben 28
Dämpfungskräfte bemerkbar
machen, die eine unerwünschte Verschiebung der Bewegungsamplitade während des Anfahrvorganges
verhindern. Mit zunehmender überdeckung der im Drehschieberteil 5
angeordneten
Bohrungen bzw. des Ringkanals 53 mit den entsprechenden Leitungsanschlüssen
im umlaufenden Drehschiebertell 5a werden die Stoßkräfte während der Abschnitte
1 und III stetig größer, während die Dämpfungskräfte in den Abschnitten 11
und IV zunehmend geringer werden, bis schließlich der stationäre Betriebszustand
erreicht ist.
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Ebenso wie das Anfahren bildet das Abbremsen der Schwenkbewegungen
eine Ausnahme vom stationären Betriebszustand. Durch allmähliches Verschieben des
Drehschieberteils 5 entgegen der Pfeilrichtung werden die überdeckungen der
Bohrung gen 8, 9 bzw. 10, 41 mit den Anschlüssen der zugeordneten
Leitungen sowie des Leitungsanschlusses 54 mit dem Ringkanal 53 zunehmend
verkleinert, so daß während der Abschnitte I und III ausgeübte Beeinflussungen der
Schwenkbewegunggen schwächer werden und gleichzeitig der Drosselschieber
25 durch den Druckabfall in der Leitung 52 von der Feder
23
geschlossen wird, was eine Drosselung der Kurzschlußleitung
22
bewirkt. Hierdurch wird nun während der Abschnitte 11 und IV eine entsprechende
Dämpfungskraft auf den Hydraulikkolben 28 ausgeübt. Diese Dämpfungskraft
erreicht den Höchstwert, wenn der Drehschieberteil 5 so weit verschoben ist,
daß jeglicher Drucköldurchgang unterbunden ist.
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In F i g. 4 ist ein Rotorkopf 3 dargestellt, dessen
Rotorblätter 31 um die zur Rotorwelle 55 parallelen Bolzen
60 in einer horizontalen Ebene frei schwenkbar angelenkt sind. Der Antrieb
des Rotorkopfes erfolgt in bekannter Weise mittels eines Kegelradgetriebes
61 durch eine nicht dargestellte Antriebseinrichtung. Am Rotorblatt
31 greift der Hydraulikzylinder 2 über einen kurzen Hebel 30 an und
stützt sich über das Widerlager 63 am Rotorkopf 3 ab. Die Hydraulikleitungen
11, 13 stellen die Verbindung des Drehschieberteils5 mit dem Steuerschieber2a
des Hydraulikzylinders 2 dar. Das dem Drehschieberteil 5 a
der F i g. 1 und 2 funktionell entsprechende Gehäuse 64 ist mit dem Rotorkopf
3 durch Schrauben 65 fest verbunden. Im Gehäuse 64 ist der ölsumpf
14, der Druckspeicher 6 und eine doppeltwirkende Kolbenpumpe 7 untergebracht.
Der ölsumpf 14 wird durch ein Ventil 66 entlüftet, während der Druckspeicher
6 durch das überdruckventil 67 gesichert ist.
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Die Kolben 68 der Pumpe 7 saugen über die durch Rückschlagventile
69 verschlossenen Leitungen 70
aus dem ölsumpf 14 Hydrauliköl an und
fördern es jeweils beim Rückhub der Kolben über die ebenfalls mit Rückschlagventilen
71 versehenen Leitungen 72
in den Druckspeicher 6. Die Kolben
68 sind mittels Pleuel 78 an einem an der oberen Stirnseite der nicht
mit umlaufenden Achse 4, die gleichzeitig dem feststehenden Drebschieberteil
5 der F i g. 1 und 2 entspricht, exzentrisch angeordneten Kurbelzapfen
73
angelenkt. Die Achse 4 ist in dem den Anschlüssen der Leitungen
11, 13 bzw. 10, 15 benachbarten Bereich mit den Bohrungen
8, 9 versehen. Die dargestellte Anordnung der Bohrung entspricht der Stellung
bei einem Umlaufwinkel von y = 900. Der Ringkanal 53 korrespondiert
einerseits mit dem Leitungsanschluß 54 und andererseits mit der Druckölleitung
52.
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In der Achse 4 sind weiterhin Leitungen 76, 77
vorgesehen, die
mit dem im Flugzeug ohnehin vorhandenen Hydrauliksystem in Verbindung stehen, welches
bei einem Ausfall der Druckölversorgung durch den Druckspeicher 6 zur Aufrechterhaltung
der Arbeitsfähigkeit des Servomotors die weitere Druckölversorgung sicherstellt.