Gute Luft in großer Höhe

Antriebstechnik

Stellantrieb – Verkehrsflugzeuge fliegen heute in sehr großen Höhen. Ein neu entwickelter Aktuator gewährleistet dabei, dass Passagiere und Besatzung trotz der dünnen Luft nicht in Atemnot geraten. Die ultrakompakte Bauweise spart zudem Platz und Gewicht.

22. September 2012

Eine wesentliche Anforderung an moderne Verkehrsflugzeuge ist ein möglichst geringer Treibstoffverbrauch. Um die Effizienz zu erhöhen, fliegen moderne Verkehrsflugzeuge deshalb in möglichst großen Höhen. Ein Problem dabei ist jedoch, dass oberhalb einer Flughöhe von etwa 10.000 Fuß (3.048 Meter) der Luftdruck und damit die Sauerstoffkonzentration in der Kabine unter kritische Werte absinkt und deshalb für Passagiere und Besatzung die Gefahr eines Sauerstoffmangels besteht. Die Vorteile einer großen Flughöhe lassen sich also nur nutzen, wenn dabei der Sauerstoffgehalt der Kabinenluft quasi konstant gehlten wird. Die Flugzeuge besitzen dazu Druckregelsysteme, die in der Kabine und im Cockpit Bedingungen erzeugen, die einer Höhe von weniger als 8.000 Fuß (etwa 2.400 Meter) entsprechen. Dazu wird permanent ein konstanter Luftstrom in die Flugzeugkabine eingeblasen. Der Kabinendruck wird reguliert, indem der Rückfluss in die Atmosphäre über sogenannte Outflow Valves (OFV) variiert wird.

Bewegt werden diese Ventile durch eigens dafür entwickelte Aktuatoren. Entscheidend für deren Einsatz in Flugzeugen, wo jede Komponente möglichst kompakt und zudem maximal leicht sein muss, ist ein sehr hoher Integrationsgrad des Gesamtantriebs. Gefordert ist daneben eine möglichst präzise und spielfreie Kraftübertragung. Unabdingbar ist zudem eine extreme Zuverlässigkeit aller Komponenten aufgrund der Sicherheitsrelevanz des Aktuators. Die Einbausituation am Auslassventil des Rumpfes stellt zudem hohe Ansprüche an die Dichtigkeit und Robustheit sowie an Funktion und Wirkungsgrad bei tiefen Temperaturen.

Der komplette Antrieb muss sich deshalb mit möglichst wenig Schmierstoff betreiben lassen, der außerdem tieftemperaturtauglich sein muss. Der Limburger Antriebstechnikspezialist Harmonic Drive hat jetzt einen neuartigen OFV-Aktuator vorgestellt, der mit 95 Millimeter Durchmesser und einer Baulänge von weniger als 115 Millimeter deutlich kompakter und leichter ist als die bisherigen Lösungen.

Die zentralen Elemente des hoch integrierten Aktuators sind ein kleiner bürstenloser DC-Motor mit hoher Drehzahl, ein Planetengetriebe als erste Getriebestufe sowie ein Harmonic-Drive-Getriebeeinbausatz vom Typ HFUC als zweite Untersetzungsstufe. Dieses Layout hat eine Reihe von Vorteilen. So lässt sich bei einer solchen Kombination die Planetenvorstufe im Flexspline des Harmonic-Drive-Getriebes unterbringen, ohne zusätzlichen Bauraum zu benötigen. Voraussetzung dafür ist natürlich, dass das Planetengetriebe entsprechend kompakt gewählt werden kann. Beim Einsatz im OMV-Aktuator ist jedoch das nominale Drehmoment sehr viel kleiner als das auftretende maximale Drehmoment, zudem ist die Anzahl der Zyklen hier sehr viel kleiner als bei den meisten industriellen Anwendungen. Das Getriebe kann deshalb im kritischen Arbeitspunkt über das Nenndrehmoment hinaus belastet werden, sodass ein relativ kompaktes Planetengetriebe zum Einsatz kommen kann. Die denkbare Alternative, einen Direktantrieb einzusetzen, kommt dagegen nicht in Frage, weil verfügbare Direktantriebe nur etwa ein Fünftel der geforderten Kraftdichte leisten können. Gewählt wurde schließlich ein Planetengetriebe der Baugröße 11 mit einem maximalen statischen Drehmoment von 10 Newtonmeter und einer Untersetzung von 6:1.

Die Wahl der gewichtsoptimierten Motor-Getriebe-Kombination wird bestimmt durch das erreichbare Verhältnis von Drehmoment zu Gewicht im Drehmomentspektrum der Anwendung. Es liegt daher auf der Hand, dass eine größtmögliche Untersetzung zu bevorzugen ist. Die sehr hohe Drehmomentdichte der Harmonic-Drive-Getriebe von typischerweise 250 bis 550 Nm/kg prädestiniert dabei ihren Einsatz am Ausgang des Aktuators. Eingeschränkt wird die Auswahl allerdings durch die Drehzahlgrenzen von Motor und Getriebe sowie durch den abnehmenden Wirkungsgrad des Getriebes bei zunehmender Untersetzung. Außerdem nehmen die Reibungsverluste im Motor mit abnehmender Größe zu, was das Verhältnis Drehmoment zu Gewicht reduziert. Dazu kommt, dass ein Harmonic-Drive-Getriebe vom Typ HFUC eine maximale Untersetzung von 160:1 bietet. Zusammen untersetzen beide Getriebestufen die Motordrehzahl im Verhältnis 960:1.

Maßgeblich für die Wahl des eingesetzten Motors sind jedoch die grundsätzlichen Leistungsansprüche an den Aktuator (Drehmoment, Drehzahl, Drehwinkel). Unter der Annahme, dass beide Getriebestufen jeweils einen Wirkungsgrad von 90 Prozent besitzen, erfordert die beschriebene Anwendung eine maximale Leistung des Aktuators am Ausgang von etwa 38 Watt. Diese Spezifikation stellt hohe Anforderungen an den Wirkungsgrad des Antriebs, schließlich steht an Bord des Flugzeugs nur eine Spannung von 28 Volt DC bei einem maximalen Strom von 2 Ampere zur Verfügung. Für den Arbeitspunkt mit der maximalen Leistung ergibt sich ein Wirkungsgrad von ca. 80 Prozent, sodass als Antrieb nur ein bürstenloser DC-Motor mit hohem Wirkungsgrad in Frage kommt. Hall-Sensoren in der Nähe des Stators ermöglichen die bürstenlose elektronische Motor-Kommutierung. Integrierte magnetoresistive Sensoren erfassen daneben die Position der Ausgangswelle. Die Kombination einer geringen Schmierstoffmenge mit einem speziellen Schmierstoff ermöglicht einen Betrieb bei bis zu –70 Grad Celsius.

Letztendlich erfüllt das gefundene Layout damit sämtliche Anforderungen für den Einsatz als Outflow-Valve-Aktuator. Durch den hohen Integrationsgrad konnten zudem Volumen und Masse gegenüber dem ursprünglich eingesetzten Antrieb merklich reduziert werden.

Auf einen Blick

-Der neu entwickelte Aktuator der Harmonic Drive AG aus Limburg wurde eigens für die Bewegung der Luftauslassventile bei Verkehrsflugzeugen entwickelt.

-Die ultrakompakte Lösung integriert auf kleinstem Raum einen leistungsstarken EC-Motor, ein Planetengetriebe, ein hoch untersetzendes Harmonic-Drive-Getriebe sowie die erforderlichen Feedbacksysteme.

Erschienen in Ausgabe: 07/2012