Forschung im Bereich Antriebstechnik

Lineare Schaltkupplungen

Im Projekt FASTDISC wurden gemeinsam mit den Industriepartnern Umbra Cuscinetti S.p.A., PyroGlobe GmbH, phi Engineering Services AG und Airbus Group Innovations Schaltkupplungen für klemmtolerante lineare Aktoren entwickelt.

Motivation

Clean Sky, eine öffentlich-private Partnerschaft zwischen der Europäischen Kommission und der Luftfahrtindustrie, wurde gegründet, um umweltfreundliche Technologien zu entwickeln. Ein Lösungsansatz ist die Elektrifizierung von Flugsystemen unter der Überschrift "More Electric Aircraft". Dies umfasst die Weiter- und Neuentwicklungen von kundenspezifischen elektrischen Systemen mit hoher spezifischer Leistung.

Bild 1: Pyrotechnischer Entkoppelungsmechanismus: CAD-Schnittbild (links), Prototyp im teilmontierten Zustand (rechts)
Bild 1: Pyrotechnischer Entkoppelungsmechanismus: CAD-Schnittbild (links), Prototyp im teilmontierten Zustand (rechts)

Problemstellung

Als Schlüsseltechnologie für einen vollständig elektrischen Hubschrauber gilt die Elektrifizierung der Primärflugsteuerung. Hier werden elektromechanische Aktoren entwickelt, die direkt hydraulische Aktoren ersetzen und die drei Freiheitsgrade einer Taumelscheibe positionieren sollen. Da der Verlust einer dieser steuerbaren Freiheitsgrade als sicherheitskritisch einzustufen ist, erfordert die Aktorik eine ausfallsichere und fehlertolerante Konstruktion. Eine Besonderheit der elektromechanischen Aktoren ist, dass das mechanische Klemmen des Antriebsstrangs als sicherheitskritischer Fehlerfall zu betrachten ist. Im gewählten Lösungsansatz werden redundante elektromechanische Aktoren auf Systemebene installiert, die jeweils eine Schaltkupplung als Sicherheitselement aufweisen.

Bild 2: Prüfstand zur Entkoppelung unter hohen Lasten
Bild 2: Prüfstand zur Entkoppelung unter hohen Lasten

Zielsetzung

Nach der Detektion eines klemmenden Aktors wird die entsprechende Schaltkupplung betätigt, um den Antriebsstrang freizuschalten bzw. den Fehler „Klemmen“ in den Fehler „Freilauf“ zu überführen. Dies ermöglicht den redundanten elektromechanischen Aktoren die Steuerungsfunktion des ausgefallenen Aktors zu übernehmen. Im Rahmen des Forschungsprojekts werden reversible und irreversible Konstruktionen entwickelt und gefertigt:

1) Reversible und funktional testbare Schaltkupplungen

Diese Gruppe an Lösungen bietet einen hohen Grad an Betriebssicherheit, da die Schaltkupplungen während automatisierten Vorflugtests vollständig funktional testbar sind. Um alle Fehlerarten abzudecken, die zu einem mechanischen Klemmen führen könnten, sind die Schaltkupplungen nahe am Ausgangskolben des elektromechanischen Aktors einzubauen. Beispiele für innovative Konstruktionen sind kundenspezifische Mechanismen, die mechanische Energiespeicher zur Auslösung und für ihre Rücksetzung die Kräfte der redundanten elektromechanischen Aktoren verwenden.

2) Irreversible Schaltkupplungen

Beispiele für irreversible Lösungen sind pyrotechnische Mechanismen, wie sie häufig in Sicherheitsanwendungen (Überrollbügel, Gurtstraffer, Airbag, pyrotechnische Betätigung von Feuerlöschanlagen, ...) eingesetzt werden. Sie zeichnen sich durch schnelle Aktivierung sowie kompakte und leichte Bauweise aus. Besonders zu beachten sind schlafende Fehler, die aufgrund der begrenzten Selbsttest-Fähigkeit nicht erkannt werden können, und das ungewollte Auslösen der Schaltkupplung z. B. durch Blitzschlag oder im Brandfall.

Partner

Das IKTD arbeitet im Rahmen des FASTDISC-Projekts mit folgenden Firmen zusammen:

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Ansprechpartner

Dieses Bild zeigt  Matthias Bachmann
Dipl.-Ing.

Matthias Bachmann

Gruppenleiter Antriebstechnik

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