Intelligent fürs Fliegen

Getriebe – Elektromechanische Aktuatoren werden besser. Auch die Luftfahrt fragt sie nach. Neben hoher Leistungsdichte sind Zuverlässigkeit und geringer Wartungsaufwand gefragt.

21. Mai 2008

Der Luftverkehr wächst nach wie vor rasant mit etwa 5 Prozent pro Jahr. Die Anforderungen an Flugzeuge und Ausrüstung nehmen dabei weiter zu, um bei geringeren Kosten höhere Zuverlässigkeit zu erreichen. Dies wäre ohne die Fortschritte bei den Aktuatoren nicht denkbar. Diese müssen eine große Bandbreite an sich zum Teil widersprechenden Forderungen erfüllen. Neben einem hohen Leistungsgewicht, hoher Zuverlässigkeit und geringen Kosten wird immer häufiger Wartungsfreiheit über die gesamte Lebensdauer von 25 oder mehr Jahren gefordert. Elektromechanische Aktuatoren verdrängen dabei die bisher eingesetzten hydraulischen Systeme. Hierbei sind aber einige Herausforderungen zu meistern:

- Die unterschiedlichen Betriebscharakteristiken erlauben selten einen Eins-zu-eins-Ersatz, sondern erfordern eine andere Architektur des Systems.

- Es gibt im Vergleich wenig Betriebserfahrung, was einen breit angelegten Einsatz riskant macht.

- Das Ausfallverhalten ist in vielen Fällen noch nicht vollständig bekannt.

Besonders kritisch ist dabei die Möglichkeit eines Klemmens, da dies den Aufbau redundanter Architekturen schwierig oder unmöglich macht. Daher sollten Wege gefunden werden, diesen Fehlerfall möglichst vollständig ausschließen zu können.

Mit Harmonic-Drive-Getrieben ist dies machbar. Aufgrund des einfachen Aufbaus und der hohen Untersetzung erfüllen sie die Anforderungen für diese Anwendungen. Besonders attraktiv für Sonderapplikationen der Luftfahrt sind die hohe Drehmomentdichte und Präzision. Weiterhin konnte über langwierige Untersuchungen und Tests gezeigt werden, dass ein Antrieb, der auf diesem Getriebe basiert, klemmfrei gestaltet werden kann. Hierzu sind einige konstruktive Anpassungen im Vergleich zu dem Standardbauteil erforderlich, die durch entsprechende Sensorik ergänzt werden.

Da die Antriebe in der Luftfahrt über einen weiten Temperaturbereich eingesetzt werden, erfordert die exakte Kontrolle des abgegebenen Drehmoments entweder ein ausgeklügeltes System, das aus Umgebungs- und Antriebstemperatur, Leistungsdaten und Stromaufnahme einen angenäherten Wert liefert. Oder – was viel besser ist – das Moment erfasst direkt am Abtrieb das Reaktionsmoment in seiner Struktur. Ein solcher Drehmomentensensor kann, je nach Aufgabe, zur exakten Steuerung des Antriebs verwendet werden oder er fungiert bei geringerer Auflösung als Drehmomentenbegrenzung. Das erlaubt nachgelagerte Bauteile und Strukturen mit geringeren Sicherheitsreserven und ist damit leichter zu bauen.

Drehmomentsensor ist integriert

Der Drehmomentensensor kann direkt in das Aktuatorengehäuse integriert werden. Das Drehmoment wird dabei über Dehnmessstreifen direkt erfasst und dann direkt weiterverarbeitet. Das Drehmomentensignal steht dann alternativ als Analog- oder Digitalwert am Ausgang des Antriebs zur Verfügung. Der Sensor erreicht dabei Genauigkeiten im Bereich von +/- 3 Prozent.

Weitgehende Wartungsfreiheit setzt umfassende Informationen über den Systemstatus voraus. Diese erlauben, auf vor beugende Wartung von Antrieben zu verzichten und diese nur dann zu wechseln, wenn sie am Ende ihres Lebens angekommen sind. Die meisten mechanischen Systeme verhalten sich dabei ›gutmütig‹: Sie fallen nicht schlagartig aus. Ihre Eigenschaften verschlechtern sich also über längere Zeit, bevor es zum kompletten Verlust kommt. Diese Frühindikatoren gilt es sinnvoll zu erfassen, um dann zum richtigen Zeitpunkt einzugreifen. Hierzu gibt es ein ganzes Bündel von Möglichkeiten: Der Verschleiß im Getriebe kann sich auf einige Eigenschaften wie Genauigkeit und Steifigkeit auswirken. Aus der Kombination der entsprechenden Daten kann frühzeitig ein möglicher Ausfall erkannt werden. Besonders herausfordernd sind die meist einmaligen Betriebsparameter wie Drehzahl, Drehmoment und Betriebstemperatur. Sie werden in einem Zustandsmodell erfasst, das die Abweichungen des Ist- vom Sollwert zeigt. Aus diesen Informationen ergeben sich Trendanalysen und -modelle.

Auch Messungen der Frequenz, der Motorstromaufnahme (Wirkungsgrad) sowie der Betriebszyklen und -Lasten lassen Schlüsse zum Verschleiß zu. Die Forderung nach immer höheren Leistungsdichten wird auf absehbare Zeit nicht aufgegeben werden können. Generell geht es darum, möglichst effizient aus elektrischer mechanische Energie zu erzeugen.

Untersetzung reicht noch nicht

Ein einfacher Vergleich belegt, dass hierbei Motor-Getriebe- Kombinationen besser abschneiden. Denn Getriebe weisen im Vergleich zu Motoren eine mindestens um eine Größenordnung höhere Drehmomentendichte auf. Es macht daher Sinn, hoch drehende Elektromotoren mit hoch untersetzenden Getrieben zu kombinieren. Dabei reicht oft die in einer Stufe von einem Harmonic-Drive-Getriebe erreichte Untersetzung noch nicht aus. Besser ist, wenn mit weiteren Getriebestufen kombiniert wird. Eine besonders elegante Lösung nutzt den innerhalb des Harmonic-Drive-Getriebes verfügbaren Raum und integriert die Vorstufe. So können Untersetzungen von 1.000:1 oder höher in einem sehr kompakten Bauraum untergebracht werden.

Motor und Getriebe als Komplettaktuator

Ein weiterer Optimierungsschritt löst dann noch die Trennung von Motor und Getriebe als eigenständige Einheiten auf und integriert diese in einen Komplettaktuator. Diese Vorgehensweise spart weiteres Gewicht an der Schnittstelle zwischen den beiden Komponenten ein, was sich vorteilhaft auf das Gesamtergebnis auswirkt.

Neben einem redundanten Wicklungssystem beim Motor ist bei hochintegrierten Aktuatoren auch ein redundantes Feedbacksystem basierend auf Resolvern sowie ein Harmonic-Drive-Getriebe auf einer Länge von ca. 90 Millimetern untergebracht.

60 Nm Drehmoment

Das Gesamtgewicht des Aktuators beläuft sich dabei auf 980 Gramm. Der Aktuator kann in der Spitze 60 Nm Abtriebsdrehmoment bereitstellen.

Hiermit ist das Ende der Entwicklung allerdings noch nicht erreicht: Der verstärkte Einsatz von Leichtbauwerkstoffen in der Kombination mit Oberflächenbehandlungen versprechen weitere Verbesserungen. Erste Prototypen mit Titangehäusen

sind bereits gebaut worden.

Dr. Ingolf Schäfer, Leiter Vertrieb Systemgeschäft Harmonic Drive AG

Erschienen in Ausgabe: 03/2008