DE2222740A1

DE2222740A1 - Kraft-Messwertwandler fuer den Steuerknueppel eines Luftfahrzeuges

Info

Publication number: DE2222740A1
Application number: DE19722222740
Authority: DE
Inventors: Oliver Kenneth Lee
Original assignee: Sperry Rand Corp
Current assignee: Unisys Corp
Priority date: 1971-05-10
Filing date: 1972-05-09
Publication date: 1972-11-16
Also published as: IT957800B; DE2222740C2; US3676818A; FR2137641B1; FR2137641A1; JPS5611639B1; CA956920A; GB1346858A

Description

-9. MA! Wl Patentanwälte

Ο^:μ1. Ing. G. !\och 13 737 - Fk/&i

Dr. T. Haibach

8 VB cJiQn 2 -

Kauf ingerstr. 8, Tel. 24 0275

Sperry Rand Corporation, New York/üSA

Kraft-Meßwertwandler für den Steuerknüppel eines Luftfahrzeuges

Die Erfindung bezieht sich auf Kraft-Meßwertwandler für den Steuerknüppel eines Luftfahrzeuges sowie auf ein elektrisches Ausgangssignal lieferende Steuerknüppel für Luftfahrzeuge«

Luftfahrzeug-Steuerknüppel betätigen üblicherweise die entsprechenden Luftfahrzeug-Steuerflächen über mechanische Verbindungsglieder»

In dem deutschen Patent «... (deutsche Patentanmeldung P 22 05 373.7! der gleichen Anmelderin ist eine Luftfahrzeug-Steuereinrichtung beschrieben, die mit einem Luftfahrzeug-Steuerrad zusammenwirkt, um die von dem Piloten gegebenen Längsnelgungs- und Querneigungsbefehle in geeignete elektrische Ausgangssignale zur Steuerung der Lage des Luftfahrzeuges umzusetzen. Einzelne Biegefedern werden in Abhängigkeit von Längsnelgungs- und Querneigungsbefehlen ausgelenkt. Die Auslenkung der Biegefedern wird durch eine Anzahl von freitragenden Lastatäben erfaßt und gemessen, die elektrische Dehnungsmeßeinrichtungen betätigen. Die freitragenden Laststäbe sind fest an der Steuersäule befestigt· Die freien Enden der freitragenden Laststäbe werden

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ORiQlNAL INSfECTBD

durch Joohtelle betätigt« die sich in Abhängigkeit von der Auslenkung der Biegefedern bewegen. Jedes fochten ist so eingestellt« daß es eine anfängliche Bewegung erlaubt, bevor das freie Ende des jeweiligen freitragenden Laststabes berührt wird, wodurch sich im Ergebnis ein vorgegebener Totbereich ergibt. Einstellbare Anschläge begrenzen die maximale Auslenkung der Biegefedern» Der Totbereich verhindert, daß anfängliche Verschiebungen des Steuerrades« wie sie z,B, durch das Gewicht der Hände des Piloten hervorgerufen werden, die Dehnungsmeßeinrichtungen beeinflussen. Die Anschläge verhindern, daß die Dehnungsmeßeinrichtungen. Übermäßigen Belastungen ausgesetzt werden.

Obwohl die in dem vorstehend genannten deutschen Patent beschriebenen Kraftsensoranordnungen einen beträchtlichen Fortschritt darstellen, ist es aufgrund der Art der Befestigung möglioh, daß äußere Kräfte, wie sie z.B. durch eine Beschleunigung des Luftfahrzeuges hervorgerufen werden, das Ausgangssignal beeinflussen. Diese Wirkung 1st besonders bei relativ kleinen sehr wendigen Luftfahrzeugen zu bemerken* Bei dem nachfolgend beschriebenen Kraft-Meßwertwandler werden die Kraftsensoranordnungen des oben erwähnten deutschen Patentes ... (deutsehe Patentanmeldung P 22 05 578.7) verwendet» jedoch zusammen mit einer Befeatigurgsanordnung, die die Wirkung von durch eine Beschleunigung hervorgerufenen Kräften vermeidet.

Ein erfindungsgemäß aufgebauter Kraft-Meßwertwandler in einem Steuerknüppel eines Luftfahrzeuges umfaßt In einer zur Achse des Steuerknüppels senkrechten Ebene angeordnete Feder-Biegungselemente, einen Handgriff auf dem Steuerknüppel» eine Befestigungsnabe auf den Feder-Blegungselementen, wobei die Befestigungsnabe durch die Feder-Biegungselemente auf eine Nutations bewegung um einen Schwenkpunkt beschränkt 1st,

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Mittel zur starren Befestigung des Handgriffes auf der Nabe, ein an der Nabe derart aufgehängtes Gegengewicht, daß dieses ein dem des Handgriffes gleiches Trägheitsmoment aufweist, und Einrichtungen zur Lieferung eines der Größe der Auslenkung der Feder-Biegungselemente anzeigenden elektrischen Signals«

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist die Form eines Luftfahrzeug-Steuerknüppels mit einem Kraft-Meßwertwandler auf, der ein primäres Feder-Blegungselement einschließt, das derart angeordnet ist, daß es einen virtuellen Schwenkpunkt ergibt, der Auslenkungen sowohl in longitudinalen als auch lateralen Achsen gemeinsam ist. Der Sohwenkpunkt ermöglicht es der Nabe der Biegungselemente nicht nur, sich kugelförmig und ohne Reibung in Abhängigkeit von irgendeiner Kombination von Längsneigungs- und Querneigungsbefehlen zu bewegen, sondern er ermöglicht es weiterhin, daß der Mechanismus massenausgeglichen ist, eo daß äußere,durch Beschleunigungen hervorgerufene Kräfte ausgeschieden werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten AusfUhrungsbeisplels noch näher erläutert«

In der Zeichnung zeigern

Fig. 1 eine Außenansicht des Steuerknüppels;

Fig. 2 eine sohematische Darstellung eines Kraftsensormeohanismus des Steuerknüppels;

Fig* 3 eine teilweise geschnittene Ansicht zur Darstellung innerer Einzelheiten des Steuerknüppels«

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In Fig· 1 ist ein Steuerhandgriff 11 auf einem Kraft-Meßwert»« wandlergehäuse 13 mit Hilfe eines Kupplungsringes 13 befestigt. Das Kraft-Meßwertwandlergehäuse 13 ist seinerseits entlang der Achse 16 der Luftfahrzeug-Steuersäule 17 mit Hilfe eines Kupplungsringes 19 befestigt. Auf den Handgriff 11 werden Längsneigungs-Befehlssignale dadurch angelegt, daß der Handgriff 11 nach links oder nach rechts bewegt wird, um ein Sinken bzw. Steigen des Luftfahrzeuges zu bewirken* Quer« neigungskräfte werden in einer zur Ebene der Zeichnung senkrechten Ebene ausgeübt, um zu bewirken, daß das Lüftfahrzeug ein geeignetes Querneigungsmanöver ausführt.

Flg. 2 zeigt einen freitragenden Laststab-Meßmechanismus« der im wesentlichen der gleiche ist, wie er in dem deutschen Patent ... (deutsche Patentanmeldung P 22 05 378.7) beschrieben ist.

Kurz gesagt schließt dieser Meß- oder Sensormechanismus einen freitragenden Laststab 21 ein, der an einem Teil 23 mit Hilfe von Befestigungsschrauben 25 und 27 befestigt ist. Eine elektrische Dehnungsmeßeinrichtung ist in der Basis 29 des freitragenden Laststabes 21 befestigt. Ein geschlitztes Joch 31 ist gegenüber dem Teil 23 in Abhängigkeit von auf den Handgriff 11 entlang einer durch den Pfeil angezeigten Achse ausgeübten Kräften beweglich. Einstellbare Schraubenanordnungen 33 und 35 ermöglichen es, daß ein vorgegebenes Spiel zwischen dem Joch 31 und einer Kontaktkugel 37 gegeben ist, die in den freitragenden Stab 21 eingesetzt ist. Wie es in dem oben erwähnten deutschen Patent ».. (deutsche Patenten- . meldung P 22 05 378.7) erläutert ist, ermöglicht es das Spiel zwischen dem Joch 31 und dem freitragenden Stab 21, daß eine geringe Bewegung auftreten kann, bevor die Dehnungsmeßeinrichtung eine ausgeübte Kraft anzeigte Dieser Sohwellwert

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wirkt als Totbereich, der es der Dehnungsmeßeinrlohtung ermöglicht, In Ihrem optimalen Bereich zu arbeiten.

Pig, 3 zeigt die Anordnung der Bauteile In dem Steuerknüppel und zeigt das Kraft-Meßwertwandlergehäuse 13 nach Pig» I mit entfernter Frontplatte, um die Beziehungen der verschiedenen Bauteile innerhalb des Krart-Meßwertw>indler_{.;£hüuses i3 zu zeigen»

Eine Gewinde kupplung 39 paßt mit dem Kupplungsring 15 nach Pig, 1 zusammen, um den Handgriff Ll an dem Kraft-Meßwert-· wandlergehäuse 13 zu befestigen« In gleLcher Welse ermöglicht eine Oewlndakupplung 4l die Befestigung des Kraft-Meßwertwandiergehäuaes 13 an dar Πbeuersäule 17 den Luftfahrzeuges«

Die Gewindekupplungen 39 und 41 können außerdem elektrische Steckverbindungen zur Auskopplung von Signalan von dem Handgriff 11 zum Meßwertwandler oder von dem Meßwertwandler zu äußeren elektrischen Einrichtungen tragen,

Die Gewindekupplung 39 1st ein Teil einer Oriffbefeafclgung die einen mechanischen Verbindungsabsohnltt 45 einschließt, der einstückig mit einem Schaft 47 verbunden Isto Der Schaft 47 stellt eine Einrichtung zur Befestigung von vier freitragenden Quernelgungs-Laststäben 49, 51, 53 und 55 sowie von vier freitragenden Längsneigungs-Laststäbsn 51 > 59.) 6l und 63 dar.. Die Basen oder Grundflächen der Längsnelgungs-Laststäbe 57, 59, 6l und 63 liegen zwischen zwei Längsneigungs-Jochteilen 65 und 67 und die freien Enden der Stäbe 57, 59, 61 und 63 erstrecken sich in die Jochteile 65 und 67, wie dies in Pig» 3 dargestellt 1st. Die Basisölemente der Längsnalgungs-Lastßtiibe 57, 59, 61 und 63 sind an dem Schaft 47 befestigt, der außerdem ein Oeg«ngew:Lohfc 69 trägt»

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Die gesamte bewegliche Anordnung 1st mit Hilfe einer Peder-Blegungseinrlohtung 71 gehaltert, die In Planschen 7.3 und 75 endet, die mit Hilfe irgend we Lohet· geeigneter Mittel, wie z,B» Schrauben 77, 79 j Öl und 83 an dam üehäuBa U befestigt sind,

Die Ped£r-Biegunfc£u)ini'iohtung 71 bunrsjit -aus awal na ύ.j;laubigen Armen 85 und 07, dio einen rechteckigen Quflrscinlct mit einem Mehrfachen der Armdicke aufweisen-, DIo Arrna 85 und 87 können miü ßrjhllrtetami iJtahl goblLdsr· v/erden, ίο deiä sie in Abhängigkeit '/on dan au arwartaridem Bef«hlokräf'ter. nur geringfügig nachgiebig situl, Die Bl^gun^jolnrichhag ist in einer horly.uiibal-dn, zuv Aoh.ja i/6 ^!i?uj flfcsu6rknilfpo.i3 senkrechten Ebona atigeordnsto Wenn ke;Lne Baf-:jh-lskräfbe auf den Handgriff auagaUbt werden» bleibt -iie Blegungaei.v\r?'ihtung in ihrem Ruhezusband und die Anna 85 und 87 blelo*>n eben. Eine Beftjstlgungsnabe 8y 1st einstückig mit den nachglebigen Armen 85 und 87 ausgebildet und balfcert den Schaffe 47 in starrer Beziehung In bezug auf die Htibe 89„

Eine auf den Handgriff 11 ausgeübte LHngsnalgungs- eier Quer neigungsbefehlskraft bewirkt eine Auslenkung der nachg Arme 85 und 87, so daß die Bafestigungsnabe 89 sich im Ergebnis nutationsartig um einen virtuellen Kippunkt OJ. bewegt» In der Praxis kann sich die Bafestigungsnabe in olnei kugelförmigen V/eise ohne Reibung bewegen, da die einzige zulässige Bewegung die durch die Auslenkung der nachglii Arme 85 und 87 erzeugte Bewegung 1st,

Zwei geschlitzte Jοohteile 93 und 95 Uberspreizen die freien Enden der frei tragenden Querneigunga-Laststäbö. 49* 51* 53 und 55 und haltern Einstellschrauben zur Einstellung des Totberelohs für diene Lasfcstube, Die gasoh.ilbesten Jochbeile

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und 95 sind auf den Flanschen 73 bzw. 75 gehaltert. Die Joohteile 93 und 95 haltern weiterhin die Längsneigungs-Jochteile 65 bzw, 67.

Somit sind alle Jochteile sowie das Feder-Biegungselement auf den Planschen 73 und 75 gehaltert. Diese Anordnung wird bevorzugt» da sie den Zusammenbau und die Reparatur erleichtert und weil sie außerdem diese kritischen Elemente gegen irgendwelche möglicherweise auftretenden Biegungen der Wand des Gehäuses 13 isoliert.

Die verschiedenen, auf den Grundflächen der zugehörigen freitragenden Stäbe befestigten Dehnungsmeßeinrichtungen sprechen auf die Auslenkung der Stäbe an, wenn die Bewegung des Schaftes 47 ausreicht, um einen Stab in Berührung mit dem zugehörigen Jochteil zu bringen.

Wie es in dem oben erwähnten deutschen Patent ..% (deutsche Patentanmeldung P 22 05 3"3.7) beschrieben ist, ermöglicht es der durch die geschlitzten Jochteile erzeugte Totbereich, daß die Dehnungsmeßeinrichtungen in ihren zweckmäßigsten und vorteilhaftesten Bereichen betrieben werden.

Zwei Anschlagelemente 97 und 99 begrenzen die Bewegung der beweglichen Teile des Wandler durch Begrenzung der Bogenbewegung des Gegengewichts 69 in Abhängigkeit von Längsneigungsbefehlen. In gleicher Weise sind weitere Anschlagteile auf den (nicht gezeigten) vorderen und hinteren Platten des Wandlergehäuses 13 vorgesehen, die entweder den mechanischen Verbindungsabschnitt 45 oder das Gegengewicht 69 berühren, wenn eine vorgegebene maximale Quernelgungs-Bewegung des Handgriffs Il auftritt.

Verschiedene Elemente in dem Kraft-Meßwertwandler können

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aufgrund der relativ einfachen Anordnung der Bauteile In einfacher Welse ersetzt werden, falls dies erforderlich 1st·

Das Gegengewicht 69 1st so ausgewählt und an dem Schaft 47 angeordnet, daß es ein Trägheitsmoment um den virtuellen Kippunkt 91 ergibt, das gleich dem Trägheitsmoment des Handgriffs 11 und seiner Befestigungselemente um den gleichen Schwenkpunkt ist. Somit werden in dem Handgriff 11 aufgrund von Luftfahrzeug-Manöverbewegungen hervorgerufene Beschleunigungskräfte durch die in dem Gegengewicht 69 und dessen Befestigungssystem hervorgerufene Beschleunigungskräfte ausgeglichen.

Die elektrischen Leitungen von den verschiedenen Dehnungsmeßeinrichtungen können durch die untere öewindekupplung 4l an äußere Nutzeinrichtungen herausgeführt werden.

Der in Pig. 5 gezeigte Kraft-Meßwertwandler ergibt eine vierfache Redundanz sowohl in den Längsneigungs- als auch Querneigungsebenen. Es 1st jedoch verständlich* daß irgendein geeigneter Grad von Redundanz vorgesehen werden kann, wie dies beschrieben wurde.

Patentansprüche t

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Claims

Patentansprüche :

Kraft-Meßwertwandler für den Steuerknüppel

nes Luftfahrzeuges, gekennzeichnet durch in einer zur Achse des Steuerknüppels senkrechten Ebene angeordnete Feder-Biegungselemente (71), einen Handgriff (11) auf dem Steuerknüppel, eine Befestigungsnabe (89) auf dem Feder-Biegungselement (71)» die durch die Feder-Biegungselemente (71) auf eine Nutationsbewegung um einen Schwenkpunkt (91) beschränkt ist, Mittel zur starren Befestigung des Handgriffs (11) auf der Nabe (89), ein an der Nabe (89) derart aufgehängtes Gegengewicht (69), daß dieses ein dem Handgriff (11) gleiches Trägheitsmoment aufweist, und Einrichtungen zur Lieferung eines die Größe der Auslenkung des Feder-Biegungselementes (71) anzeigenden elektrischen Signals.
2. Kraft-Meßwertwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Befestigung des Handgriffs (11) auf der Nabe (89) ein fest an der Nabe (89) befestigtes Schaftteil (47) einschließen, das sich auf der dem Handgriff (11) entgegengesetzten Seite des Feder-Biegungselementes (71) über die Nabe (89) hinaus erstreckt, und daß das Gegengewicht (69) auf der Verlängerung des Schaftteils (47) befestigt ist.
3· Kraft-Meßwertwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraft-Meßwertwandler in einem Gehäuse (Ij?) eingeschlossen 1st, daß das Feder-Biegungselement (71) Befestigungsflansche {73, 75) zur starren

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Befestigung des Feder-Biegungselementes (71) in dem Gehäuse (13) einschließt, daß ferner die Mittel zur Befestigung des Handgriffs (ll) in bezug auf das Gehäuse (13) beweglich sind und daß an den Wänden des Gehäuses (12) befestigte Anschlageinrichtungen (97» 99) zur Begrenzung der Nutationsbewegung des Feder-Biegungselementes (71) vorgesehen sind,
4. Kraft-Meßwertwandler naoh Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Lieferung eines elektrisches Signals an dem Schaftteil (47) befestigte freitragende Laststabelemente (49, 51, 53, 55, 57, 59, 6l, 63), Einrichtungen zur Ablenkung der Laststabelemente (49* 51* 53* 55* 57» 59* 61, 63) in Abhängigkeit von den Nutationsbewegungen des Schaftteils (47) und auf die Auslenkung der freitragenden Laststabelemente (49, 51, 53, 55, 57, 59» 6l, 63) ansprechende Dehnungsmeßeinrichtungen einschliessen.
5· Kraft-Meßwertwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die freitragenden Laststabelemente eine Anzahl von freitragenden Stäben (49, 5I, 53, 55» 57* 59» 61, 63) einschließen, daß der Kraft-Meßwertwandler weiterhin geschlitzte Jochteile (65, 67, 93, 95) zur Betätigung Jedes freitragenden Stabes (49, 51, 53, 55, 57, 59, 61, 63) einschließt, und daß die Jochteile (65, 67, 93, 95) derart bemessen sind, daß sie ein festgelegtes Spiel zwischen den Jochteilen und den freitragenden Stäben ergeben, wenn die Feder-Biegungselemente (71) sich im Ruhezustand befinden .
6. Kraft-Meßwertwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl von freitragenden Stäben eine erste Gruppe von Stäben (57, 59, 61, 63),

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die zur Feststellung einer Bewegung In Abhängigkeit von auf den Handgriff (11) ausgeübten Längsneigungskräften angeordnet sind, und eine zweite Gruppe von Stäben (49, 51, 53, 55) einschließt, die zur Feststellung einer Bewegung in Abhängigkeit von auf den Handgriff (11) ausgeübten Querneigungskräften angeordnet sind.
7 β Kraft-Meßwertwandler für einen Steuerknüppel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, g e k e η η - ' zeichnet durch ein Kraft-Meßwertwandlergehäuse (15), Mittel zur Befestigung eines Handgriffs (11) auf dem Kraft-Meßwertwandler, Mittel zur Befestigung des Kraft-Meßwertwandlers auf einer Steuersäule eines Luftfahrzeuges, ein in dem Gehäuse (13) befestigtes Feder-Biegungselement (71)» eine Mittel-Befestigungsnabe (89) auf dem Feder-Biegungselement (71), die elastisch durch zwei radial angeordnete Federarme (85, 87) mit Jeweils rechteckigem Querschnitt gehaltert ist, wobei die Federarme (85, 87) in einer zur Achse der Steuersäule senkrechten Ebener liegen, einen an der Befestigungsnabe (89) befestigten und den Handgriff (11) oberhalb des Feder-Biegungselementes (71) halternden Schaft (47),wobei der Handgriff (11) frei über einen begrenzten Bereich in Abhängigkeit von auf den Handgriff (11) augeübten Querneigungsund Längeneigungskräften bewegbar ist, und wobei die Befestigungsnabe (89) in einer kugelförmigen Weise um einen virtuellen Schwenkpunkt (91) auslenkbar ist, ein Gegengewicht (69), das von dem sich bis unter die Befestigungsnabe (89) erstreckenden Schaft (47) mit einem Abstand unter dem Schwenkpunkt (91) derart gehaltert ist, daß das Gegengewicht (69) ein dem Handgriff (11) gleiches Trägheitsmoment in bezug auf in der senkrechten Ebenen liegenden Achsen ergibt, Anschlageinrichtungen (97, 99) zur Begrenzung der Auslenkung des Feder-Biegungselementes (71)» und elektrische Meßeinrichtungen zur Lieferung von=die Größe der Auslenkung des Feder-Biegungselementes (71) anzeigenden Signalen.

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8« Kraft-Meßwertwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet« daß die Meßeinrichtungen freitragende Stäbe (49, 51, 53, 55, 57, 59, 6l, 6?) einschlles- Ben, die derart angeordnet sind« daß sie In Abhängigkeit von einen vorgegebenen Schwellwert überschreitenden Bewegungen des Schaftes (47) ausgelenkt werden« daß die freitragenden Stäbe (49, 51, 55, 55, 57, 59, 61, 63) eine größere Nachgiebigkeit als das Feder-Biegungselement (71) aufweisen« und daß die elektrischen Meßeinrichtungen Dehnungsmeßeinrichtungen einschließen« die derart angeordnet sind« daß sie auf AuBlenkungen der freitragenden Stäbe (49, 51, 55, 55, 57, 59, 6l, 63) ansprechen.

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