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Title:
HYDRAULIC FLIGHT CONTROL ACTUATOR HAVING A DOUBLE SEAL DEVICE AND DEFINED LEAKAGE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/015022
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a hydraulic flight control actuator, comprising a piston-cylinder device, which has a piston and a cylinder, and comprising a double seal device, which has at least one primary seal (1) and at least one piston ring (2) as a secondary seal (2), wherein the primary seal (1) and the piston ring (2) are provided between the piston and the cylinder, characterized in that at least one throttle point (21) is provided in the region of the secondary seal (2) in order to introduce a defined leakage at the secondary seal (2).

Inventors:
KLETT, Jürgen (Jägerstrasse 24, Lindenberg, 88161, DE)
KEGEL, Philipp (Sürgenstrasse 4, Heimenkirch, 88178, DE)
PETRETTI, Albert (Im Friedhag 12, Lindenberg, 88161, DE)
KOROS, Michael (Waldstrasse 6A, Lindenberg, 88161, DE)
Application Number:
EP2017/000893
Publication Date:
January 25, 2018
Filing Date:
July 19, 2017
Export Citation:
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Assignee:
LIEBHERR-AEROSPACE LINDENBERG GMBH (Pfänderstraße 50-52, Lindenberg / Allgäu, 88161, DE)
International Classes:
B64C13/36; B64C13/40; F15B15/14; F15B19/00; F15B20/00; F16J9/00; F16J9/12; F16J15/00; F16J15/34; G01M13/00
Foreign References:
US4207800A1980-06-17
EP2557337A12013-02-13
US2084683A1937-06-22
US20130113165A12013-05-09
US4089534A1978-05-16
DE102010020490A12011-11-17
DE4133188A11992-04-09
EP2933623A12015-10-21
Other References:
None
Attorney, Agent or Firm:
LAUFHÜTTE, Dieter et al. (Lorenz Seidler Gossel Rechtsanwälte Patentanwälte Partnerschaft mbB, Widenmayerstrasse 23, München, 80538, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Hydraulischer Flugsteueraktuator umfassend eine Kolben-Zylinder- Vorrichtung mit einem Kolben und einem Zylinder sowie eine Doppeldichtungsvorrichtung mit wenigstens einer Primärdichtung (1) und wenigstens einem Kolbenring (2) als Sekundärdichtung (2), wobei die Primärdichtung (1) und der Kolbenring (2) zwischen dem Kolben und dem Zylinder vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einbringen einer definierten Leckage an der Sekundärdichtung (2) wenigstens eine Drosselstelle (21) im Bereich der Sekundärdichtung (2) vorgesehen ist.

2. Hydraulischer Flugsteueraktuator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselstelle (21) wenigstens eine stirnseitig an der Sekundärdichtung (2) vorgesehene Nut (21), und/oder wenigstens eine am Außendurchmesser der Sekundärdichtung (2) vorgesehene Nut (21 ), und/oder eine am Kolben vorgesehene Drossel (21) umfasst.

3. Hydraulischer Flugsteueraktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselstelle (21) wenigstens zwei stirnseitige Nuten (21) an der Sekundärdichtung (2) umfasst, die insbesondere um 180° versetzt in Umfangsrichtung der Sekundärdichtung (2) angeordnet sind.

4. Hydraulischer Flugsteueraktuator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Nuten (21) zusammen einen von Rundlauffehlern unabhängigen konstanten Querschnitt aufweisen.

5. Hydraulischer Flugsteueraktuator nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (21) beidseitig oder einseitig an der Sekundärdichtung (2) vorgesehen sind.

6. Hydraulischer Flugsteueraktuator nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (21) zum Erzeugen von turbulenten Strömungen ausgebildet sind.

7. Hydraulischer Flugsteueraktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenring (2) als Doppelkolbenring mit zwei Öffnungen (24) ausgebildet ist, wobei die Öffnungen (24) des Kolbenrings (2) gegeneinander versetzt sind.

8. Hydraulischer Flugsteueraktuator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Doppelkolbenring (2) eine gestufte Überlappung zwischen den beiden Abschnitten (22, 23) des Doppelkolbenrings (2) aufweist.

9. Kolbenring (2) für einen hydraulischen Flugsteueraktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenring (2) wenigstens eine stirnseitig daran vorgesehene Nut (21), und/oder wenigstens eine am Außendurchmesser des Kolbenrings (2) vorgesehene Nut (21) umfasst, wobei insbesondere wenigstens zwei stirnseitige Nuten (21) an dem Kolbenring (2) vorgesehen sind, die um 180° versetzt in Umfangsrichtung des Kolbenrings (2) angeordnet sind, wobei weiter insbesondere die zwei Nuten (21 ) zusam- men einen von Rundlauffehlern unabhängigen konstanten Querschnitt aufweisen, wobei weiter insbesondere die Nuten (21 ) beidseitig oder einseitig an dem Kolbenring (2) vorgesehen sind, und wobei weiter insbesondere die Nuten (21) zum Erzeugen von turbulenten Strömungen ausgebildet sind.

10. Verfahren zum Testen eines hydraulischen Flugsteueraktuators nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit wenigstens einem Kolbenring (2) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Differenzdruck am Kolben angelegt wird; eine dabei auftretende Leckage gemessen wird; die gemessene Leckage mit einer hinterlegten Soll-Leckage verglichen wird; und eine unzulässige Leckage festgestellt wird, wenn die gemessene Leckage über der Soll-Leckage liegt.

Description:
Hydraulischer Flugsteueraktuator mit Doppeldichtungsvorrichtung und definierter

Leckage

Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Flugsteueraktuator mit einer Kolben- Zylinder-Vorrichtung mit einem Kolben und einem Zylinder sowie eine Doppeldichtungsvorrichtung mit wenigstens einer Primärdichtung und wenigstens einem Kolbenring als Sekundärdichtung, wobei die Primärdichtung und der Kolbenring zwischen dem Kolben und dem Zylinder vorgesehen sind.

Bei aus dem Stand der Technik bekannten insbesondere hydraulischen Stellantrieben von Fluggeräten wie Hubschraubern oder Flugzeugen wird aus Sicherheitsgründen eine Überholung entsprechender Stellantriebkomponenten wie der Dichtungen nach definierten Zeitintervallen durchgeführt. Dabei werden insbesondere die internen Dichtungen von hydraulischen Komponenten regelmäßig ersetzt. Dies geschieht gemäß dem Stand der Technik meist auch dann schon, wenn die Dichtungen noch nicht verschlissen sind und deren Austauschen eigentlich noch nicht erforderlich wäre, weil eine sichere Überprüfung von gattungsgemäßen Dichtungskonzepten bzw. -Vorrichtungen bislang nicht möglich ist. Dadurch wird gemäß dem Stand der Technik das Potenzial der entsprechenden Kolbendichtungen nachteiligerweise nicht ausgeschöpft, was bei der bekannte Bau- und Vorgehensweise mit unnötigem Aufwand insbesondere bei Wartungsarbeiten einhergeht, welche für sich genommen zu früh und damit auch ggf. zu häufig durchgeführt werden. Weiterhin kann durch die bekannte Verwendung redundanter Dichtungen am Kolben gemäß dem Stand der Technik der Ausfall einer Dichtung nicht erkannt werden. Dies ist gemäß dem Stand der Technik nur deswegen akzeptabel, weil die Dichtungen wie oben erwähnt in hinreichend kurzen Abständen getauscht werden.

Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung einen verbesserten hydraulischen Flugsteueraktuator bereitzustellen, bei dem durch den gezielten Einbau einer definierten und wenigstens kurzfristig tolerierbaren Leckage einer sekundären Dichtung bzw. Sekundärdichtung ein Ausfall einer primären Dichtung bzw. Primärdichtung erkennbar gemacht wird, ohne die Betriebssicherheit der Vorrichtung zu gefährden. Insbesondere besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen Flugsteueraktuator bereitzustellen, der weniger intensiv gewartet werden muss und der einfacher auf etwaige Leckagen überprüft werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen hydraulischen Flugsteueraktuator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren zum Testen eines entsprechenden Aktuators nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Demnach ist ein hydraulischer Flugsteueraktuator vorgesehen, umfassend eine Kolben-Zylinder-Vorrichtung mit einem Kolben und einem Zylinder sowie eine Doppeldichtungsvorrichtung mit wenigstens einer Primärdichtung und wenigstens einem Kolbenring als Sekundärdichtung. Die Primärdichtung und der Kolbenring sind hierbei zwischen dem Kolben und dem Zylinder vorgesehen, wobei zum Einbringen einer definierten Leckage an der Sekundärdichtung wenigstens eine Drosselstelle im Bereich der Sekundärdichtung vorgesehen ist. Die Drosselstelle im Bereich der Sekundärdichtung kann dabei auf beliebige Art ausgebildet sein und dient dazu, die Dichtwirkung der Sekundärdichtung definiert herabzusetzen.

Die Drosselstelle kann Teil der Sekundärdichtung und/oder davon getrennt und benachbart zur Sekundärdichtung ausgebildet sein. Die Herabsetzung der Dichtwirkung kann so gering sein, dass in einem Fall, in dem die Primärdichtung versagt, der Flugsteueraktuator bei alleiniger Abdichtung durch die Sekundärdichtung und bei gleichzeitig auftretender definierter Leckage an der Sekundärdichtung funktionieren kann. Wird nun während Wartungs- oder Diagnosearbeiten eine Leckage am Flugsteueraktuator detektiert, die der definierten Leckage entspricht, so ist dies ein Zeichen für den Verschleiß der Primärdichtung.

Als Folge einer derartigen die Betriebssicherheit nicht gefährdenden Leckage wird festgestellt, dass die Primärdichtung nunmehr tatsächlich beschädigt und auszuwechseln ist. Die Primärdichtung wird also vorteilhafterweise nur noch dann ausgewechselt, wenn eine Beschädigung vorliegt bzw. ein Auswechseln tatsächlich erforderlich ist.

In einer bevorzugten Ausführung ist es denkbar, dass die Drosselstelle wenigstens eine stirnseitig an der Sekundärdichtung vorgesehenen Nut, und/oder wenigstens eine am Außendurchmesser der Sekundärdichtung vorgesehenen Nut, und/oder eine am Kolben vorgesehene Drossel umfasst. Bei Ausführung der Drosselstelle als Nut besteht dabei der Vorteil, dass diese besonders einfach im Rahmen der Herstellung der entsprechenden Dichtung bzw. des Kolbenrings ohne zusätzliche Arbeitsschritte hergestellt werden kann. Wenn die Drosselstelle zusätzlich oder alternativ als eine am Kolben vorgesehene Drossel bzw. Aussparung ausgebildet ist, so kann es sich dabei beispielsweise um eine an einer Kolbenaußenfläche verlaufende Nut handeln, welche entsprechend in das Kolbengefüge eingearbeitet ist. Es ist auch denkbar, eine Durchführung am Kolben mit entsprechender Drosselwirkung vorzusehen. Vorteilhafterweise kann so auf übliche Kolbenringe zurückgegriffen werden, welche nicht speziell mit den beispielhaft genannten Nuten versehen werden müssen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist denkbar, dass die Drosselstelle wenigstens zwei stirnseitige Nuten an der Sekundärdichtung umfasst, die insbesondere um 180° versetzt in Umfangsrichtung der Sekundärdichtung angeordnet sind. Üblicherweise kann die Dichtung dabei kreisförmig bzw. hohlzylinderförmig ausgebildet sein, wodurch eine darauf bezogene Umfangsrichtung klar vorgegeben ist.

Etwaige Konzentrizitätsfehler zwischen Kolben und Zylinder, bei welchen eine einzelne Drosselstelle stark bei der Relativbewegung zwischen Kolben und Zylinder variiert wird, können so minimiert werden. Dadurch ist es möglich sicherzustellen, dass die definierte Leckage in einem möglichst genau definierten Bereich bleibt. Bei Anordnung der Drosselstellen in zueinander um 180° versetzten Positionen können dabei etwaige Rundlauffehler des Kolbens besonders gut ausgeglichen werden, da um 180° versetzte Bereiche des Kolbens bekannterweise gegenläufige Rundlauffehler aufweisen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist denkbar, dass die Nuten beidseitig oder einseitig an der Sekundärdichtung vorgesehen sind. Je nach Größe des jeweiligen Flugsteueraktuators bzw. der daran auftretenden Druckregime kann durch die entsprechende Anordnung der Nuten eine unterschiedlich große Leckage definiert werden. Ferner kann in einer weiteren bevorzugten Ausführung vorgesehen sein, dass die Nuten zum Erzeugen von turbulenten Strömungen ausgebildet sind. Der Fachmann dimensioniert die Nuten dabei so, dass in den jeweiligen Druckregimen des Flugsteueraktuators an den Drosselstellen bzw. an den Nuten turbulente Strömungen erzeugt werden. Die Drosselstellen bzw. Nuten können dafür entsprechend groß oder klein dimensioniert sein. Wenn an den Drosselstellen turbulente Strömungen im Falle einer Durchströmung auftreten, so hat dies den Vorteil, dass die turbulenten Strömungen verglichen mit laminaren Strömungen bezogen auf unterschiedliche Temperaturen gleichförmiger sind. Dies bedeutet, dass die definierte Leckage unabhängig von der Temperatur des Flugsteueraktuators bzw. des Hydraulikfluids in einem engeren Bereich liegt und dadurch genauer erfasst werden kann.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist denkbar, dass der Kolbenring als Doppelkolbenring ausgebildet ist und eine gestufte Überlappung zwischen den beiden Abschnitten des Doppelkolbenrings aufweist. Durch die entsprechende Überlappung kann dabei die Leckage am Doppelkolbenring weiter verringert werden.

Die Erfindung betrifft auch einen Kolbenring für einen hydraulischen Flugsteueraktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Kolbenring wenigstens eine stirnseitig daran vorgesehenen Nut, und/oder wenigstens eine am Außendurchmesser des Kolbenrings vorgesehenen Nut umfasst, wobei insbesondere wenigstens zwei stirnseitige Nuten an dem Kolbenring vorgesehen sind, die um 180° versetzt in Umfangsrichtung des an dem Kolbenrings angeordnet sind, wobei weiter insbesondere die zwei Nuten zusammen einen von Rundlauffehlern unabhängigen konstanten Querschnitt aufweisen, wobei weiter insbesondere die Nuten beidseitig oder einseitig an dem an dem Kolbenring vorgesehen sind, und wobei weiter insbesondere die Nuten zum Erzeugen von turbulenten Strömungen ausgebildet sind.

Die Erfindung richtet sich auch auf ein Verfahren zum Testen der Dichtigkeit eines hydraulischen Flugsteueraktuators nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit wenigstens einem Kolbenring nach Anspruch 9, wobei eine Differenzdruck am Kolben angelegt wird; eine dabei auftretende Leckage gemessen wird; die gemessene Leckage mit einer hinterlegten Sollleckage verglichen wird; und wobei eine unzulässige Leckage festgestellt wird, wenn die gemessene Leckage über der Soll-Leckage liegt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind anhand von den in den Figuren aufgezeigten beispielhaften Ausführungen erläutert. Dabei zeigen: Figur 1 : Diagramm zur Erläuterung der am erfindungsgemäßen

Flugsteueraktuator auftretenden Leckagen;

Figur 2: Detailansicht des am Flugsteueraktuator vorgesehenen

Kolbenrings als Sekundärdichtung;

Figuren 3a und 3b: Ansichten der sekundären Dichtung mit Drosselstellen; und

Figur 4a: Schnittansicht eines Teilbereichs eines erfindungsgemäßen

Flugsteueraktuators; und

Figur 4b: Draufsicht eines erfindungsgemäßen Kolbenrings.

Figur 1 zeigt das Leckageverhalten der erfindungsgemäßen Vorrichtung in seinem zeitlichen Verlauf (Abszisse). Hierbei sind auf der Ordinate die Leckagemenge und die kritische Leckage angezeigt, bei deren Überschreiten ein kritischer Zustand des Flugsteueraktuators bzw. der entsprechenden Dichtung auftritt. Die Leckage wird in entsprechenden Messintervallen beispielsweise durch Druckmessung am entsprechenden Flugsteueraktuator ermittelt. Die gemessene Leckage ist als messbare Leckage in ihrem zeitlichen Verlauf angezeigt. Tritt an der Primärdichtung 1 eine Leckage auf, so steigt der gemessene Leckagewert auf ein Niveau, welches durch die definierte mittlere Leckage der Sekundärdichtung 2 vorbestimmt ist. Das Erreichen dieses mittleren Leckageplateaus, welches zwischen der kritischen Leckagemenge (obere horizontale Linie) und der Leckage bei einwandfrei funktionierender Abdichtung des Flugsteueraktuators (linker Bereich der Kurve der messbaren Leckage) liegt, bedeutet, dass die Primärdichtung 1 eine Leckage aufweist und das Abdichten des Flugsteueraktuators nunmehr über die Sekundärdichtung 2 mit ihrer definierten Leckage erfolgt. Ein Auswechseln der Primärdichtung 1 und gegebenenfalls der Sekundärdichtung 2 ist daher angezeigt. Somit ergeben sich drei erfindungsgemäß denkbare Leckagefälle. Der erste Fall ist im linken Bereich der Figur 1 gezeigt und liegt dann vor, wenn die Primärdichtung 1 korrekt funktioniert und die Sekundärdichtung 2 dadurch nicht oder kaum beansprucht wird und daher nicht aktiviert ist. Dies entspricht dem Niveau 0.

Der zweite Fall ist im mittleren Bereich der Figur 1 gezeigt und liegt dann vor, wenn an der Primärdichtung 1 ein Fehler bzw. Defekt vorliegt, wobei dann die Sekundärdichtung 2 aktiv ist und die daran definierte Leckage auftritt. Dies entspricht dem Niveau 1. Wird dieses Niveau bzw. Leckageniveau festgestellt, so ist dies ein Hinweis darauf, eine Wartungsaktion durchzuführen.

Der dritte Fall ist im rechten Bereich der Figur 1 gezeigt und liegt dann vor, wenn beide Dichtungen 1 , 2 defekt sind. Der entsprechende Flugsteueraktuator ist dann nicht mehr voll einsatzfähig, was zum Verlust des entsprechenden Hydrauliksystems führen kann.

Voraussetzung für eine entsprechende definierte Leckage ist ein Kolbenring 2, der nahezu keine bzw. möglichst wenig Leckage an der Öffnung 24 des Rings 2 bzw. an dessen Schlitz 24 zulässt (siehe Figuren 2 und 4b). Dies kann durch einen Doppelring 2' realisiert werden, der so angeordnet ist, dass die beiden Schlitze 24 der beiden Doppelringteile 22, 23 gegeneinander versetzt sind. Ein Doppelring 2' kann hierbei zwei insbesondere baugleiche, in Umfangsrichtung zueinander versetzte und axial voneinander beabstandete Kolbenringe 2 umfassen. Auch kann die Öffnung bzw. der Schlitz 24 so gestaltet sein, dass sich Längenänderungen, die beispielsweise durch Toleranzen oder Temperaturänderungen bedingt auftreten können, nicht auf die Dichtigkeit des Kolbenrings 2 auswirken. Dies kann durch eine gestufte Überlappung des Doppelrings 2' realisiert sein, die einen Durchfluss von Hydraulikflüssigkeit in radialer und/oder axialer Richtung selbst bei Längenänderungen unterbindet.

Wie Figuren 3a, 3b und 4b entnehmen ist, können an der Sekundärdichtung 2 stirnseitig oder anderweitig Nuten 11 , 21 vorgesehen sein, die durch ihre Größe den Durchfluss bestimmen. Um radiale Verschiebungen der Sekundärdichtung 2 auszugleichen, können zwei Nuten 11 , 21 pro Seite und um 180° versetzt vorgesehen sein, die zusammen einen konstanten Querschnitt liefern, welcher unabhängig von etwaigen Rundlauffehlern des Kolbens auch konstant oder annähernd konstant bleibt. Mögliche Rundlauffehler können ansonsten dazu führen, dass eine Nut 11 , 21 welche in einem Bereich liegt, in welchem der Abstand zwischen Kolben und Zylinder aufgrund des Rundlauffehlers verringert ist, stärker deformiert wird und dadurch beispielsweise einen geringeren Querschnitt bzw. einen Querschnitt mit geringerer Querschnittsfläche aufweist.

Durch die entsprechende Anordnung mehrerer Nuten 21 der Sekundärdichtung 2 können derartige Querschnittsabweichungen ausgeglichen werden. Die Nuten 21 können beidseitig angebracht sein, um einen Durchfluss in beide Richtungen zu ermöglichen, oder sie können auch nur einseitig angebracht sein um nur Durchfluss in eine Richtung zu ermöglichen.

Die Nuten 21 können so ausgeführt sein, dass turbulente Strömungen während des Durchflusses von Hydraulikflüssigkeit entstehen und dadurch der Durchfluss über den gesamten Temperaturbereich der Hydraulikflüssigkeit möglichst konstant bleibt. Zur Durchführung der Leckagenmessung und damit zur Beurteilung des Zustande der Primärdichtung 1 kann ein Differenzdruck am Kolben bzw. in der Kolben-Zylinder-Vorrichtung angelegt werden.

Statt der oder zusätzlich zu den als Nuten 21 ausgebildeten Drosselstellen, welche an allen äußeren Flächen der Sekundärdichtung 2 vorgesehen sein können, kann die Drosselstelle 21 und damit die definierte Leckage auch durch eine Drossel im Kolben selbst oder am Kolben selbst realisiert werden.

Figur 3b zeigte eine vergrößerte Ansicht einer Nut 11 , welche an einem Stirnbereich einer Sekundärdichtung 2 vorgesehen ist. Denkbar sind auch Nuten 11 , 21 , welche an den Mantelflächen der gegebenenfalls hohlzylinderförmig ausgebildeten Sekundärdichtung 2 angeordnet sind. In Figur 3b ist ferner erkennbar, dass eine in Umfangsrichtung verlaufende Umfangsnut 12 an der Sekundärdichtung 2 vorgesehen sein kann. Diese kann die Sekundärdichtung 2 in zwei Teilbereiche trennen bzw. teilweise trennen oder alternativ lediglich innerhalb des Gefüges der einstückig gefertigten Sekundärdichtung 2 vorliegen.