Optimierte Operationsmethode zur Betätigung von Luftfahrzeugfahrwerken

Technisches Gebiet Die Betätigung eines einziehbaren Fahrwerks, insbesondere der Einziehvorgang ist für den Energiehaushalt eines Flugzeuges von großer Bedeutung, wobei die Fahrwerksbetätigung aufgrund der hohen Leistungsdichte vorzugsweise mit Hydraulik bewerkstelligt wird. Im Vergleich zu einer reinen elektro-mechanischen Betätigungseinheit bietet die hydraulische Betätigung in Puncto .Reset' und .Restart' relativ einfache Steuermöglichkeiten mit wenigen Systemkomponenten an. Aus diesen Gründen, und darüber hinaus auch aus Aspekten der Wartungsfreundlichkeit haben sich die „Electro-Hydrostatic Actuators" -kurz EHA genannt- in der jüngsten Vergangenheit bei der primären Flugsteuerung fest etabliert. Es handelt sich beim EHA um einen Aktuator mit einer eigenen Hydraulikpumpe, die von einem integrierten Elektromotor angetrieben wird.

Fig. 1 zeigt das Prinzip eines EHA schematisch. Da der Hub eines Hydraulikzylinders mit dem Durchfluss der Hydräulikflüssigkeit im proportionalen Verhältnis steht (Idealfall, ohne Leckage), stellt die Fördermenge der Pumpe, letztendlich die Drehzahl des Elektromotors, für den Regelkreis die Stellgröße dar. Jedoch werden die gängigen EHAs aufgrund der hohen Anforderung an die Positioniergenauigkeit im geschlossenen Regelkreis betrieben. Die überwachung der Position erfordert dabei einen relativ hohen Aufwand. Als 'Power by Wire' -System stellt das EHA-Prinzip eine gute Ausgangsbasis für eine dezentralisierte Hydrau- likversorgung eines Fahrwerksystems dar (Stand alone Landing Gear). Der Hauptunterschied zwischen EHAs von Flugsteuerungen und solchen von Fahrwerken im Betrieb besteht darin, dass das Fahrwerk stets nur die vordefinierte Operation bei einer -mehr oder weniger- bekannten, vordefinierten Situation ausführt. Das Ein-, u. Ausfahren eines Flugzeugfahrwerkes entspricht also eher ei- ner routinenmäßigen Steuerung, während die Flugsteuerung überwiegend gegen unvorhersehbare Lastenanforderungen mit einem geschlossenen Regelkreis flexibel reagieren muss.

Stand der Technik

Weil die einziehbaren Fahrwerke der modernen Flugzeuge in der Regel aus bereits erwähnten Gründen hydraulisch betätigt werden, wird es bei den nachfol- genden Betrachtungen anhand einer hydraulischen Betätigung erläutert. Fig. 2 zeigt ein Prinzipschema eines einziehbaren Flugzeugfahrwerkes.

Im Folgenden werden Systemparameter und deren Auswirkung auf den Energiehaushalt bzw. die Hardwaregestaltung näher dargestellt. Für die Betriebslast eines Einziehfahrwerkes gilt Folgendes:

Unabhängig von Bauarten -ob mechanisch oder hydraulisch- ist die Betriebslast des Aktuators in Fig. 2 zunächst von der Eigengewichtskraft des Fahrwerkes abhängig. Der Aktuator ist in der Regel mit dem Fahrwerksgestell mechanisch über ein Gelenk verbunden. Demzufolge besteht ein fester, positionsabhängiger Zusammenhang zwischen dem Hub des Aktuators und der aktuellen Fahrwerks- position während eines Betätigungsvorganges. Bedingt durch die Potentialenergiedifferenz steigt die Betriebslast generell mit dem zunehmenden Einfahrwinkel während des Einziehvorganges an. Die Gewichtslast ist somit eine feste Größe, die durch den geometrischen Aufbau des Fahrwerkes festgelegt wird. Zu derarti- gen Fixgrößen sind außer dieser einfachen Gewichtskraft auch Lagerreibungswiderstände und Federvorspannungskräfte am Betätigungsmechanismus etc. zu nennen.

Des Weiteren erfährt das Flugzeug im Flugbetrieb -je nach Manöver- Lastvielfa- che und aerodynamische Kräfte. Die erforderliche Kraft zum Einziehen des Fahrwerkes an einem Zeitpunkt ändert sich also zusätzlich nach dem momentanen Lastvielfachen und den aktuellen aerodynamischen Kräften.

Fig. 3 zeigt einen typischen, maximalen Lastenverlauf am Aktuator bezogen auf die Fahrwerksposition. Das max. erlaubte Lastvielfache ist im Kurvenverlauf mitberücksichtigt (Es verursacht generell eine Parallelverschiebung der Kurve nach oben). Es ist an dieser Stelle anzumerken, dass dieser Lastenverlauf als unbe- einflussbare Festgröße zu betrachten ist. Die zusätzliche, maximale, aerodyna-

mische Last wurde hier nicht berücksichtigt. Sie ist jedoch sowohl numerisch als auch experimentell separat bestimmbar. Wäre diese in Fig. 3 berücksichtigt, würde der Kurvenverlauf somit keinen typischen Maximallastenverlauf, sondern die maximale Lastgrenze darstellen. Die Darstellung in Fig. 3 mit dem Maximal- lastenverlauf ohne aerodynamischen Anteil ist hier zum Erläutern des zu beschreibenden Steuerprinzips zweckdienlich.

Die Grundlagen der vorliegenden Erfindung sowie die Zusammenhänge zwischen der Verstellgeschwindigkeit des Aktuators und der Energiebedarf während des Einziehvorganges werden im Folgenden beschrieben:

Die hydraulische Kraft F wird im Allgemeinen geschrieben als:

F = Ap -A GL(1) wobei F : Kraft [N] p : Differentialdruck in der Kolbenkammer [Pascal] A: Fläche [m ² ] sind.

Mit GL. (1 ) kann man den erforderlichen Differentialdruck bei einer vorgegebe- nen Kraft und bekannten Aktuatorabmessungen leicht bestimmen. Die Beziehung lässt sich auch formulieren als:

Ap - F ~L GL(2)

Hierbei ist der Differentialdruck δp nichts anders als der Druck bei einer Gleichgewichtssituation (Stall Pressure, die Aktuatorkraft steht mit der Außenlast im Gleichgewicht.) Die aktuelle Gesamtlast L ändert sich mit dem Einziehwinkel des Fahrwerkes. Es ist an dieser Stelle zu bemerken, dass die Kraft F aufgrund des Wirkungsgrades η _m ec _h nicht exakt der Gesamtlast L entspricht. Der Wirkungsgrad hängt von den mechanischen Begebenheiten und manchmal sogar von der Laufrichtung ab.

Es gilt:

F =- GL(3)

V ₁ mech

Die hydraulische Leistung P ist ein Produkt von Differentialdruck δp und dem momentanen Durchfluss.

Die Definition läßt sich schreiben:

P = Ap -Q GL(4)

Bei einer bekannten Kolbenfläche A ist die Hubgeschwindigkeit v eines Aktua- tors:

v = -^ GL(5)

Der Leistungsbedarf lässt sich aus GL(4) und GL(5) ermitteln:

P = Ap -V- A GL(6)

Nach der GL(6) hängt der Leistungsbedarf bei einer vorgegebenen Kolbenfläche und einem Differentialdruck nur von der Verstellgeschwindigkeit des Aktuators (Hubgeschwindigkeit) ab.

Für die Geschwindigkeitskontrolle während der Endphase der Betätigung gilt Folgendes:

Neben der allgemeinen Geschwindigkeitskontrolle (d.h.: Begrenzung der maximalen Geschwindigkeit) stellt die Endlagendämpfung eine der wichtigsten Anfor- derungen beim Ein- u. Ausfahren des Fahrwerkes dar. Ihre Aufgabe besteht dar-

in, die große Masse der bewegten mechanischen Komponenten am Ende der Betätigung mit adäquater Dämpfung abzubremsen.

Zur Endlagendämpfung benutzen konventionelle Hydraulikaktuatoren, die mit konstantem Versorgungsdruck betrieben werden, in den meisten Fällen Widerstandsdrosseln, die streckenabhängig geschaltet werden. Nicht selten werden so genannte Schwimmkolben zusätzlich als Ergänzung eingesetzt. Derartige Einrichtungen werden in der angelsächsischen Literatur ,Snubbing device' bezeichnet. Es handelt sich bei diesen Einbauten um eine Einrichtung, die ab einer be- stimmten Kolbenposition die Fließmenge der hydraulischen Flüssigkeit so einschränkt, dass die Geschwindigkeit des Systems - und damit letztendlich die Stoßwirkung an der Systemstruktur - gedämpft wird. Im konventionellen System mit konstantem Versorgungsdruck sind die Parameter einer derartigen Einrichtung vorab festgelegt und während des Betriebes nicht veränderbar. Als Para- meter sind zum Beispiel Startposition der Dämpfung bzw. deren Wirkungsstärke, Richtungsabhängigkeit usw. zu nennen.

Fig. 4 zeigt den Zusammenhang zwischen Geschwindigkeitsprofil und resultierendem Leistungsbedarf bei einer vorgegebenen Last beispielhaft. Die abrupte, stufenartige änderung im Geschwindigkeitsprofil ist auf die feste Endlagendämpfung zurückzuführen (siehe Fig. 5). Es entsteht außerdem eine Spitze im Leistungsbedarf. Die Leistungsdifferenz zwischen Minimum und Maximum beträgt über 1000 W bei dem vorliegenden Beispiel. Der Wirkungsgrad beträgt etwa 0,807.

Wird die Systemoperation mit optimierter Endlagendämpfung anhand des EHA- Prinzips durchgeführt, ergibt sich Folgendes: Die Verstellgeschwindigkeit des Aktuators ist am EHA mit Hilfe der Motordrehzahl leicht zu steuern. Die Endlagendämpfung kann somit leicht realisiert werden, ohne zusätzliche Einrichtungen zu benutzen. Im Prinzip kann das Geschwindigkeitsprofil eines konventionellen Systems nachgeahmt werden. Jedoch ist dies nicht sinnvoll, da der Wirkungsgrad durch die abrupte Beschleunigung und Abbremsung nicht hoch ist.

Fig. 6 zeigt ein verbessertes Geschwindigkeitsprofil und den dazugehörigen Energiebedarf bei einem vorgegebenen Lastenverlauf. Das Geschwindigkeitsprofil in der Endphase wurde mit einer Cos ² -Rampe angepasst, damit eine sanfte Abbremsung ermöglicht wird. Obwohl hier beispielhaft nur die Endphase mit der Cos ² -Rampe dargestellt wurde, lässt sich die Beschleunigung theoretisch auch während der Anfangsphase durch eine Cos ² -Rampe darstellen. Es ist an dieser Stelle anzumerken, dass die Last in Fig. 6 denselben Verlauf wie in Fig. 4 aufweist. Die Leistungskurve ergibt sich durch die beiden wegabhängigen Parameterverläufe von Lastprofil und Verstellgeschwindigkeit automatisch. Im Vergleich zu der konventionellen Methode in Fig. 4 weist diese Operationsmethode mit optimierter Endlagendämpfung einen reduzierten Maximalleistungsbedarf auf. Das Maximum beträgt nur noch 826 W und die Differenz zwischen dem Maximum und Minimum beträgt weniger als 800 W. Der Wirkungsgrad weist mit 0,887 ebenfalls eine Verbesserung gegenüber dem in Fig. 4 dargestellten kon- ventionellen System auf. Die Verbesserung des Wirkungsgrads ist auf die sanfte Abbremsung zurückzuführen.

Darstellung der Erfindung Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst hohe Gewichtsreduzierung am Antriebssystem des Fahrwerkes bzw. eine signifikante Systemvereinfachung zu erzielen. Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit einer neuen Betriebsmethode eines Flugzeugfahrwerkes. Die vorliegende Erfindung kann auf dem EHA-Prinzip aus dem Stand der Technik basieren, jedoch sind auch andere bzw. davon abweichende Ausgestaltungen von der Erfindung umfasst.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Vorteil- hafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Systemoperation mit Konstantleistung zur Betätigung eines Flugzeugfahrwerkes wird im Folgenden beschrieben. Danach werden weitere Einzelheiten

und Vorteile der Erfindung anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert:

Das neue Verfahren nach der vorliegenden Erfindung basiert auf der bekannten (vorab bestimmten) Gesamtarbeit bei vorgegebener Aktuatorgröße.

Die mechanische Arbeit ist definiert als:

W = F -d GL(7)

wobei W : Arbeit [Joule] = [Nm] = [ws] F : Kraft [N] d : Abstand [m] sind.

Der Abstand ist hier nichts anderes als der Hub h im Falle eines Aktuators. Nach GL(2) hängt die Kraft F von der aktuellen Position ab.

Also ist F eine Funktion von h:

F = /(A) GL(8)

Beim Einziehen des Fahrwerkes ist der erforderliche Differentialdruck δp nach GL(2) vorgegeben. Der Druck ist von der aktuellen Position abhängig.

Mit Hilfe von GL(7) und GL(8) kann die Gesamtarbeit W _to tai über den gesamten Hub bestimmt werden.

Die gesamte mechanische Arbeit W _t o _t ai für den Einziehvorgang ist somit:

K, _a i GL(9)

Die Leistung ist der Differentialquotient der Arbeit nach der Zeit und hat die Einheit [watt] oder [Joule/sec].

Der Mittelwert der Leistung P _m bei einer vorgegebenen nominalen Betätigungs- dauer δt ist deshalb:

P _m = ^f GL(10)

Nach GL(4) kann der aktuelle Durchfluss an einem beliebigen Punkt h wie folgt geschrieben werden:

^[ («

Qm =- GL(11)

AP, ⁽ JO

Die aktuelle Geschwindigkeit an einem beliebigen Punkt h ergibt sich aus GL(5) und GL(11):

Sollte das System durch eine vorgegebene Leistungsgrenze eingeschränkt werden, wie z.B. mit einem arithmetischen Mittelwert der Leistung über die Betäti- gungszeit von der GL(10), ergibt sich die aktuelle Verstellgeschwindigkeit aus GL(3), (9), (10) und (12):

Diese gefundene Verstellgeschwindigkeit v(h) ist die singuläre Geschwindigkeit, womit der Leistungsbedarf während der gesamten Betätigungsdauer konstant gehalten wird. Da die Verstellgeschwindigkeit mit der Drehzahl der Pumpe gesteuert wird, ist

die Drehzahl der Pumpe noch zu bestimmen:

6 ~0~ -v V,, (A„) -A ⁿ X(hh)) = - GL(14)

wobei ri(h) die Umdrehung pro Minute [UPM],

V(h) die Verstellgeschwindigkeit des Aktuators [m/s],

A die Kolbenfläche [m ² ] und d die Fördermenge pro Pumpenumdrehung [m ³ ] sind.

Mit dieser positionsabhängigen Pumpendrehzahl ist man in der Lage, den Leistungsbedarf über die gesamte Betätigungsdauer konstant zu halten.

Kurze Beschreibung der Figuren Es zeigen:

Fig. 1 : Das Prinzip eines EHA (Electro-Hydrostatic-Actuator)

Fig. 2: Ein Prinzipschema eines einziehbaren Flugzeugfahrwerkes

Fig. 3: Ein typischer, maximaler Lastenverlauf am Aktuator bezogen auf die Fahrwerksposition

Fig. 4: Zusammenhang zwischen Geschwindigkeitsprofil und resultieren- dem Leistungsbedarf bei einer vorgegebenen Last;

obere Darstellung: Last ~ δp, Druck am Zylinder fest vorgegeben durch Geometrie etc.; zweite Darstellung: Verstellgeschwindigkeit ~Q, Durchfluß fest bedingt durch Endlagendämpfung; dritte Darstellung: Leistungsbedarf Ergebnis: Leistungsprofil

als Resultat von Last und Verstellgeschwin- digkeit; unterste Darstellung: Position

Resultat

Fig. 5: Grund der abrupten Verstellgeschwindigkeitsänderung, Entstehung des Geschwindigkeitsprofils mit einer Konstantgeschwindigkeits- phase

Fig. 6: Zusammenhang zwischen Geschwindigkeitsprofil und resultierendem Leistungsbedarf bei einer vorgegebenen Last - optimierte Endlagendämpfung anhand des EHA-Prinzips;

obere Darstellung: Last ~ δp, Druck am Zylinder fest vorgegeben durch Geometrie etc.; zweite Darstellung: Verstellgeschwindigkeit ~Q, Durchfluß fest bedingt durch Endlagendämpfung; dritte Darstellung: Leistungsbedarf Ergebnis: Leistungsprofil als Resultat von Last und Verstellgeschwindigkeit; unterste Darstellung: Position

Resultat

Fig. 7: Arith metrische Mittelwertbildung für die erforderliche physikalische

Arbeit;

obere Darstellung: Physikalische Arbeit für die gegebene Rahmenbedingung als fixe Größe = Fläche unter dem Verlaufsprofil

untere Darstellung: Equivalente Arbeit = gleich große Fläche wie bei oberer Darstellung jedoch ohne Verlaufsprofil

Fig. 8: Zusammenhang zwischen Geschwindigkeitsprofil und resultierendem Leistungsbedarf bei einer vorgegebenen Last - Operation mit Konstantleistung;

obere Darstellung: Last ~ δp, Druck am Zylinder fest vorgegeben durch Geometrie etc.; zweite Darstellung: Verstellgeschwindigkeit ~Q, Durchfluß als Resultat; dritte Darstellung: Leistungsbedarf Ergebnis: Leistungsprofil als neue vorgegebene Bedingung unterste Darstellung: Position

Resultat

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung Der geschilderte Sacherhalt wird zur praktischen Ausführung anhand einiger Figuren grafisch noch einmal erläutert:

Die physikalische Arbeit, die zum Einziehen des Fahrwerkes benötigt wird, kann man gemäß GL(9) durch Bestimmung der Fläche unterhalb der Leistungskurve berechnen. Bei einer vorgegebenen Betätigungsdauer, z.B. 10 sec (Fig. 4 und Fig. 6), kann man dann eine Durchschnittsleistung bestimmen, indem man durch Dividieren der Gesamtarbeit durch die Zeitspanne einen arithmetischen Mittelwert bildet. Fig. 7 verdeutlicht diesen Sachverhalt schematisch. Sollte der Wirkungsgrad bekannt sein, kann man den absoluten Leistungsmittelwert berechnen (Idealfall: kein Verlust). Man kann nun das Niveau des Mittelwertes als neu- en Leistungsverlauf nutzen und in Kombination mit einem vorgegebenen, bekannten Lastverlauf ein neues Geschwindigkeitsprofil berechnen. Mit anderen Worten wurde das Geschwindigkeitsprofil von Fig. 4 bzw. Fig. 6 so modifiziert, dass der Leistungsbedarf über die gesamte Betätigungsdauer konstant bleibt. Die obligatorische Bedingung hierbei ist, dass die absolute Gesamtarbeit für die Mission gleich bleibt. Bei dem vorliegenden Fall eines Flugzugfahrwerkes ist diese Vorgehensweise möglich, weil die erforderliche Gesamtarbeit von der Auslegung/Simulation her bekannt ist und das Ein-, u. Ausfahren eines Flugzeugfahrwerkes eine stets unter ähnlichen Bedingungen verlaufende Routine darstellt. Da

es sich bei der Lastkurve in Fig. 4 und Fig. 6 um die Maximallast als die Obergrenze aus numerischen Simulationen handelt, liegt der tatsächliche Leistungsbedarf im Realfall immer unterhalb der Kurve.

Fig. 8 veranschaulicht diesen Sachverhalt. Es gibt keine extremen Werte in der Leistungskurve mehr, da deren Verlauf als arithmetischer Mittelwert einen horizontalen Verlauf aufweist. Im vorliegenden Beispiel ist die erforderliche Leistung mit ca. 540 W im Vergleich zu 1060 W aus Fig. 4 erheblich gesunken, obwohl die Last genau dieselbe war. Der Wirkungsgrad verbessert sich auf den maximal möglichen Wert von 0,9 (bei theoretischer Betrachtung). Die Verbesserung des Wirkungsgrades ist auf die Abwesenheit des (abrupten) Abbremsvorgangs zurückzuführen. Der 10%ige Restverlust rührt von mechanischen Teilen des Systems her.

Gewerbliche Anwendbarkeit Der Hauptgewinn dieser Operationsmethode ist die Reduzierung des erforderlichen Leistungsniveaus durch die vollständige Eliminierung der Spitze am Leistungsbedarf. Die Größe des Hydraulikaggregates kann durch diesen Sachverhalt erheblich reduziert werden. Ein Hydraulikaggregat, bestehend aus einem Motor und einer Pumpe, das nur noch eine maximale Leistung von 540 W benö- tigt, wird mit Sicherheit kleiner und leichter dimensioniert sein als eines mit 800- 1100 W. Des Weiteren weisen derartige Motoren auch eine kleinere Leistungselektronik und dünnere Kabel auf. Es ergeben sich nennenswerte Gewichtsreduzierungen, diese tragen zur effizienteren Gestaltung des gesamten Systems und darüber hinaus auch zur Nutzlasterhöhung des Flugzeuges wesentlich bei. Sollte man dieses Operationsprinzip schon bei der Konzeptionsphase des Systems berücksichtigen, lässt sich das System wesentlich energieeffizienter gestalten. Des Weiteren kann das Systemeigengewicht im Vergleich zum konventionellen System signifikant reduziert werden.

Es ist anzumerken, dass das beschriebene Operationsprinzip mit der Konstantleistung unabhängig von der Betätigungsart einzusetzen ist. Es ist also sowohl für mechanische als auch für hydraulische Betätigungen gleichermaßen anwendbar.