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Dokumentenidentifikation DE19936640A1 15.02.2001
Titel Masseverbindung zwischen gelenkig miteinander verbundenen Bauteilen
Anmelder EADS Airbus GmbH, 21129 Hamburg, DE
Erfinder Heine, Paul, 65462 Ginsheim-Gustavsburg, DE;
Kränzien, Peter, 22589 Hamburg, DE
DE-Anmeldedatum 04.08.1999
DE-Aktenzeichen 19936640
Offenlegungstag 15.02.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.02.2001
IPC-Hauptklasse H01R 39/26
IPC-Nebenklasse H01R 39/18   B64D 45/02   H01R 4/66   
Zusammenfassung Eine elektrisch leitende Verbindung zwischen gelenkig miteinander verbundenen Bauteilen, die insbesondere als Masseverbindung zwischen einem an einem Flugzeug in einem Lager beweglich gehalterten aerodynamischen Steuerelement und einer das Lager tragenden Struktur ausgebildet ist, ist parallel zum Lager eine Schleifkontaktanordnung vorgesehen, die in elektrisch leitender Verbindung mit der festen Struktur einerseits und mit dem beweglichen Steuerelement andererseits steht. Die Schleifkontaktanordnung besteht entweder aus Kohlebürsten oder aber aus Kohleringen, wobei zwischen letzteren ein Metallring angeordnet sein kann.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine elektrisch leitende Verbindung zwischen gelenkig miteinander verbundenen Bauteilen, insbesondere eine Masseverbindung zwischen einem an einem Flugzeug in einem Lager beweglich gehalterten aerodynamischen Steuerelement und einer das Lager tragenden Struktur.

Eine Masseverbindung zwischen dem Tragflügel oder dem Leitwerk eines Flugzeuges und einer daran gehalterten schwenkbaren Klappe bzw. einem Ruder soll zumeist zwei Funktionen erfüllen: Zum einen soll sie die Lager, in denen sich die Klappe oder das Ruder bewegt, im Falle eines Blitzschlages schützen, indem sie die auftretenden hohen Ströme in die Struktur des Flugzeuges ableitet. Zum anderen soll sie statische Aufladungen der Rumpfhaut während des Fluges in die an den Klappen und Rudern befindlichen Endladungsbesen leiten. Die elektrische Aufladung wird über die Endladungsbesen in die Atmosphäre entladen. Insbesondere für eine zuverlässige Erfüllung der erstgenannten Funktion muß gewährleistet sein, daß die Masseverbindung möglichst nahe an dem zu schützenden Bauteil liegt.

Derzeit werden Masseverbindungen, beispielsweise zwischen dem Mittelkasten eines Seitenleitwerks und dem daran beweglich gehalterten Seitenruder, überwiegend mittels flexibler Kabel realisiert. Diese Lösung bringt Vorteile vor allem wegen ihrer geringen Baukosten sowie durch die in aller Regel gute Leitfähigkeit der zu diesem Zweck verwendeten Kabel. In der Praxis haben sich jedoch auch gravierende Nachteile dieser Bauweise gezeigt. So bieten die Kabel in manchen Fällen bei Blitzschlag nicht genügend Schutz für das betreffende Lager und ein beträchtlicher Teil des auftretenden elektrischen Stroms fließt über den eigentlich zu schützenden Bereich. Insbesondere dann, wenn sich die Kabel nicht direkt an dem zu schützenden Lager befinden, muß der Strom über die Masseverbindung einen wesentlich größeren Weg als über das Lager zurücklegen, um vom Ruder zum Mittelkasten zu gelangen. Je größer aber dieser Alternativweg ist, desto unwirksamer wird eine solche Blitzschutzmaßnahme. Überdies erhöht die relativ große Kabellänge, die erforderlich ist, um beispielsweise im Fall des Seitenruders einen Schwenkwinkel von ±33° abzudecken, den elektrischen Gesamtwiderstand des verwendeten elektrischen Leiters. Durch die häufigen Bewegungen des Ruders verändert sich zudem ständig die Form der Kabel und es entsteht eine elektrische Induktion, die den Leitungswiderstand zusätzlich erhöht.

Der größte Nachteil einer solchen Kabelverbindung aber zeigt sich erst bei längerem Betrieb. Aufgrund ständiger Hin- und Herbewegungen des Ruders, vor allem der starken Verformungen bei jedem Vollausschlag, werden die Kabel in der Anspannstelle geschwächt und brüchig. Dies kann während des Flugbetriebes zum Reißen der Masseverbindung zwischen Ruder und Leitwerk führen mit der Konsequenz, daß durch eine Blitzüberleitung oder durch statische Aufladungen Beschädigungen des zu schützenden Gelenklagers eintreten können. Um die Gefahr eines Reißens der Masseverbindung zuverlässig auszuschließen, müssen in der Regel vergleichsweise kurze Wartungsintervalle für derartige Bauteile vorgesehen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrisch leitende Verbindung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die mit einer hohen Ausfallsicherheit einen zuverlässigen Schutz vor Beschädigungen durch elektrischen Stromfluß bietet und die sich zugleich für eine möglichst einfache Nachrüstung von bereits im Einsatz befindlichen Flugzeugen eignet.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Verbindung, bei der parallel zum Lager eine Schleifkontaktanordnung vorgesehen ist, die in elektrisch leitender Verbindung mit der festen Struktur einerseits und mit dem beweglichen Steuerelement andererseits steht. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Verbindung, die insbesondere einer weiteren Erhöhung der Zuverlässigkeit und weiterer Kostenreduzierung dienen, sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Masseverbindung basiert auf dem Prinzip elektrischer Schleifkontakte. Ein wesentlicher Vorteil dieser Maßnahme besteht darin, daß der Übertragungsweg für den elektrischen Strom unabhängig von der jeweiligen Ruderstellung ist.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Masseverbindung nach der Erfindung wird der abzuleitende elektrische Strom bei jedem der zu schützenden Gelenke mit Hilfe von Massebändern an die Verdrehsicherung des die Schwenkachse dieses Gelenkes bildenden Bolzens gebracht und gelangt von dort aus über eine Kontakt- bzw. Reibfläche an Kohlebürsten, die wiederum mittels Litzen den Strom an die Rumpfstruktur, beispielsweise den Beschlag des Mittelkastens, weiterleiten. Da die Verdrehsicherung des Bolzens und die Übertragungsstelle der Kohlebürsten jeweils sehr nah an dem vor Blitzschlag zu schützenden Lager liegen, ermöglicht diese kompakte Bauweise eine sehr günstige Blitzüberleitung und dadurch einen sehr zuverlässigen Schutz für das Rudergelenk.

Die erfindungsgemäße Masseverbindung kann ohne Probleme auch bei bereits in Betrieb befindlichen Flugzeugen nachgerüstet werden. Sie kann bei anderen gelenkartigen Verbindungen in einem Flugzeug, beispielsweise dem Höhenleitwerk, dem Querruder oder den Landeklappen, verwendet werden. Die gegenüber den bekannten Masseverbindungen geringfügig höheren Herstellungskosten werden durch wesentlich längere Wartungsintervalle mehr als ausgeglichen, da die bei der erfindungsgemäßen Verbindung vorgesehenen Kohlebürsten bzw. -ringe nur eine minimale Abnutzung während der Hin- und Herbewegungen der Ruder oder Klappen erfahren.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 eine seitliche Ansicht des Seitenleitwerks eines Flugzeuges und die

Fig. 2 bis 21 jeweils Schnitte in zwei zueinander senkrechten Richtungen durch den in Fig. 1 gekennzeichneten Bereich für insgesamt zehn verschiedene Ausführungsbeispiele einer Masseverbindung.

In den Fig. 2 bis 21 zeigt die jeweils im oberen Teil jedes Blattes dargestellte Anordnung einen Schnitt gemäß der Linie A-A durch die Mittelebene der Anordnung im unteren Teil des Blattes.

Bei dem in Fig. 1 in seitlicher Ansicht gezeigten Seitenleitwerk eines Verkehrsflugzeuges ist das Seitenruder 1 über eine Reihe von mit Gelenklagern versehenen Beschlägen 2 an der festen Struktur 3 gehaltert. Der mit II gekennzeichnete Teilbereich dieser Anordnung ist in vergrößerter Schnittdarstellung in den Fig. 2 und 3 in einem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt. In diesen Figuren ist eine Reihe von zum feststehenden Teil 3 des Seitenleitwerks gehörenden Komponenten dargestellt, insbesondere ein als tragende Struktur dienender Mittelkasten 4 und dessen Verkleidung 5, sowie der an dieser über Gelenklager 6 und einen Führungsbolzen 7 gehalterten tragenden Struktur 8 und die Verkleidung 9 des Seitenruders 1.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Konstruktion der Masseverbindung möglichst weitgehend an die bei bereits im Einsatz befindlichen Flugzeugen schon vorhandenen Komponenten angepaßt, in diesem Fall an zwei Anschlußwinkel 10, 11 und an eine schon existierende Kabelführung. Der Stromfluß vom Seitenruder 1 zum Mittelkasten 4 wird dabei zunächst über ein aus Bronze oder Kupfer bestehendes Profil 12 geleitet, von diesem mittels Kohlebürsten 13 an eine in diesem Fall aus nichtrostendem Stahl bestehende Fassung 14 und gelangt von hier schließlich an die Mittelkastenstruktur 4. Diese Anordnung hat den Vorteil einer wesentlichen Widerstandsminimierung durch die Verwendung elektrisch gut leitender Materialien, zudem ermöglicht sie das Benutzen der schon vorhandenen Anschlußwinkel 10, 11 und den weitgehenden Einbau von einfach herzustellenden Teilen wie dem Profil 12, den Kohlebürsten 13 und der Fassung 14.

Das in den Fig. 4 und 5 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel wurde vor allem unter dem Gesichtspunkt einer möglichst großen Übertragungsfläche für den elektrischen Strom entwickelt. Bei diesem Ausführungsbeispiel bilden bei ansonsten gleicher Anordnung von Mittelkasten 4 und Seitenruderstruktur 8 zwei aufeinanderliegende Kohleringe 20 und 21, die in U-Profilen 22 und 23 gefaßt sind, die Übertragungsfläche. Die U-Profile 22 und 23 sind ihrerseits über Anschlußelemente 24 und 25 mit dem Mittelkasten 4 bzw. dem Seitenruder 1 verbunden. Das obere Profil 23 wird am Ruder 1 bzw. dessen Struktur 8und das untere am Mittelkasten 4 befestigt. Der ständige Kontakt der Oberflächen der beiden Kohleringe 20, 21 wird durch zwei über ein Joch 26 gehalterte Schraubenfedern 27 und 28 gewährleistet.

Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, sind insgesamt zwei derartige Anpreßvorrichtungen über den Umfang der Kohleringe 20, 21 verteilt angeordnet. Die den elektrischen Strom übertragende wirksame Kontaktfläche ist dabei gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel wesentlich vergrößert, wodurch der elektrische Widerstand verringert und eine mögliche Wärmeentwicklung gemindert wird. Ferner bietet sich in diesem Fall die Möglichkeit, die Kontaktfläche ohne viel Aufwand zu vergrößern.

Das in den Fig. 6 und 7 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel basiert im Prinzip auf dem vorangehend beschriebenen. Bei dieser Anordnung besteht die Anpreßvorrichtung aus einer C-förmigen Feder 36. Zwei wiederum in U-Profilen 32, 33 gefaßte Kohleringe 30, 31 sind über ein Winkelelement 34 mit der Struktur 8 des beweglichen Ruders verbunden. Die wirksame Übertragungsfläche wurde in diesem Fall noch einmal um den Faktor 2 vergrößert, indem zusätzlich zwischen den Kohleringen 30 und 31 ein Metallring 37 angeordnet ist, der auf beiden Seiten über ein Verbindungselement 38 den Strom in die Struktur des Mittelkastens 4 überträgt. Die Kohleringe 30 und 31 führen keine Relativbewegung zueinander aus, so daß, wie hier vorgesehen, die Anpressung über einfache C-Federn erfolgen kann.

Das Konzept des in den Fig. 8 und 9 dargestellten vierten Ausführungsbeispiels sieht wiederum eine Anbindung an schon bestehende Gelenkteile vor. In diesem Fall ist der vorhandene Führungsbolzen 47 verlängert und auf diese Verlängerung ist eine Masseverbindung aufgesetzt. Der Strom wird mit Hilfe zweier flexibler Kabel 43, 44 an die Scheibe 45 mit eingefaßten Kohleringen 40 geführt. Die obere Scheibe 45 wird mittels einer Paßfeder 42 verdrehfest mit dem Bolzen 47 verbunden. Der Bolzen 47 wird seinerseits in seinem oberen Teil mit einer Verdrehsicherung 48 an der Struktur 8 des Ruders befestigt. Durch diese Verbindung der einzelnen Elemente wird eine Relativbewegung zwischen der oberen Scheibe 45 und dem Ruder ausgeschlossen.

Der Strom wird über die Kontakt- und Reibstelle zwischen den Kohleringen 40 und 41 an die untere Scheibe 46 und von hier über eine zweiteilige feste Verbindung 49 an den Mittelkasten 4 weitergeleitet. Die Anpreßkraft für die Kohleringe 40 und 41 wird durch eine Tellerfeder 50 mit selbstsichernder Mutter 51 gewährleistet. Auch bei dieser Anordnung erfolgt die Stromführung in äußerst geringem Abstand zu den zu schützenden Bauteilen.

Bei dem in den Fig. 10 und 11 dargestellten fünften Ausführungsbeispiel handelt es sich im Prinzip die gleiche Anordnung wie vorangehend beschrieben. Im Gegensatz zu letzterer wurde hier jedoch eine Vergrößerung der Übertragungsfläche um den Faktor 2 dadurch erzielt, daß die beiden Scheiben 65 und 66 in diesem Fall mit den Kohleringen 60 und 61 sowie mit dem Bolzen 67 verdrehfest verbunden sind und sich zwischen den Kohleringen 60 und 61 ein Blechring 68 befindet, der mit dem Mittelkasten 4 verbunden ist. Die Weiterleitung des über zwei flexible Kabel 63 und 64zugeführten Stromes erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel auf beiden Seiten dieses Blechringes 68.

Das Konzept des in den Fig. 12 und 13 dargestellten sechsten Ausführungsbeispiels steht unter den Gesichtspunkten einer möglichst einfachen Bauweise. Bei dieser Anordnung ist auf den wiederum verlängerten Führungsbolzen 77 eine Bronzebuchse 76 aufgeschoben und durch eine Paßfeder 78 verdrehfest mit dem Führungsbolzen 77 verbunden. Die Stromführung erfolgt mittels zweier flexibler Kabel 73 und 74 von der Struktur 8 des Ruders zur Bronzebuchse 76 und von dort über die Kontakt- und Reibstelle zu nierenförmigen Kohlebürsten 70, 71, die in ein Blech gefaßt und mittels Blechwinkeln 79, 80 mit dem Mittelkasten 4 verbunden sind. Die nötige Anpreßkraft wird mit einer Schraubenfeder 81 auf der einen und mit einem Scharnier 82 auf der anderen Seite sichergestellt. Die Vorteile dieses Konzeptes liegen erneut in der Verwendung einfacher Bauteile. Ferner kann die Fassung der Kohlebürsten 70, 71 durch einfaches Umformen eines Bleches erfolgen.

Bei den in den Fig. 14 bis 17 dargestellten beiden Ausführungsbeispielen findet bei ansonsten gleichem Aufbau wie vorangehend beschrieben eine jeweils ohnehin vorzusehende Mutternsicherung 83 bzw. 84 als Träger- und Stromübertragungsteil Verwendung. Dadurch wird zusätzlich Gewicht eingespart und es wird die Anzahl der benötigten Teile weiter reduziert. Wesentlicher Vorteil dieser beiden Anordnungen ist ihre äußerst kostengünstige Herstellung.

Das neunte Ausführungsbeispiel nutzt eine vorhandene Verdrehsicherung 95 des Führungsbolzens 97 zur Stromübertragung zwischen Ruderstruktur 8 und Mittelkasten 4. Die Stromführung erfolgt über Kabel oder Massebänder 93, 94 von der Ruderstruktur 8 an die Verdrehsicherung 95, von dort aus über eine Reib- und Kontaktstelle 96 an eine Kohlebürste 90. Den Abschluß der Stromführung bilden zwei Litzen 91, 92, die von der Kohlebürste 90 ausgehend fest mit dem Mittelkasten 8 vernietet sind. Die nötige Anpreßkraft wird durch zwei Blattfedern 98 gewährleistet, die an den Kohlebürstenhalter 99 angenietet sind. Der Ruderausschlag von maximal ±33 Winkelgraden wird durch Anpassung der Bogenlänge der Verdrehsicherung 95 sowie der Größe des Kohlebürstenhalters 99 vorgenommen. Dieses Konzept bietet bezüglich Kosten, Fertigung und vor allem guter Stromführung eine optimale Lösung.

Das gleiche Konzept liegt schließlich auch dem in den Fig. 20 und 21 dargestellten zehnten Ausführungsbeispiel zugrunde. Hier sind allerdings die Massebänder 93 und 94 durch starre Masseverbindungen 103 und 104 zwischen der Ruderstruktur 8 und der Verdrehsicherung 105 ersetzt. Ferner weist die Kohlebürstenhalterung 109 in diesem Fall eine Spiralfeder 108 auf.


Anspruch[de]
  1. 1. Elektrisch leitende Verbindung zwischen gelenkig miteinander verbundenen Bauteilen, insbesondere Masseverbindung zwischen einem an einem Flugzeug in einem Lager beweglich gehalterten aerodynamischen Steuerelement und einer das Lager tragenden Struktur, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Lager (6) eine Schleifkontaktanordnung (13, 20, 21, 30, 31, 40, 41, 60, 61, 70, 71, 90) vorgesehen ist, die in elektrisch leitender Verbindung mit der festen Struktur (4) einerseits und mit dem beweglichen Steuerelement (1, 8) andererseits steht.
  2. 2. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleifkontaktanordnung aus wenigstens einer Kohlebürste (13, 70, 71, 90) besteht.
  3. 3. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleifkontaktanordnung aus Kohleringen (20, 21, 30, 31, 40, 41, 60, 61) besteht.
  4. 4. Verbindung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Kohleringen (30, 31, 60, 61) ein Metallring (38, 68) angeordnet ist.
  5. 5. Verbindung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohleringe (20, 21, 30, 31, 40, 41, 60, 61) über Federn (27, 28, 36, 50) beaufschlagt sind.
  6. 6. Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleifkontaktanordnung an einem das Lager (6) bildenden Führungsbolzen (47, 62, 77, 97) angeordnet ist.






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