Zahnstangengetriebe: So gelingt die Prüfung von Flugzeug-Bauteilen kinderleicht

Zahnstangengetriebe im Einsatz: Die Entwicklung von Leichtbaustrukturen für Flugzeugkabinen ist einer der Schwerpunkte des Instituts für Produktentwicklung und Konstruktionstechnik (PKT) der TU Hamburg. Mehrere Forschungsprojekte beschäftigen sich mit dem Thema, bei dem die Reduzierung von Vibrationen eine große Rolle spielt.

Vibrationen reduzieren: Zahnstangengetriebe als Lösung?

Diese Vibrationen entstehen unter anderem durch Turbulenzen oder Schwingungen defekter Turbinen. Da die Kabine fest mit der tragenden Struktur des Flugzeugs verschraubt ist, werden diese Schwingungen von außen direkt ins Innere der Maschine übertragen. Bei einer Unwucht in der Turbine kann es sogar zu einem starken Aufschwingen der Kabinenstruktur kommen, sodass eine Verletzungsgefahr für Personal und Passagiere besteht. Würde man eine Möglichkeit finden, die Kabine zu dämpfen, wäre das nicht nur ein Fortschritt im Hinblick auf Sicherheit und Komfort. Dann ließen sich aufgrund der geringeren Belastungen auch die massiven Verbindungen durch leichtere Konstruktionen ersetzen.

Leichtbau der kompletten Struktur hätte viele Vorteile

Durch die Fertigung der Kabine im Leichtbau würden die Flugzeuge weniger Kerosin verbrauchen – für die Hersteller ein wichtiges zusätzliches Verkaufsargument im harten Wettbewerb. „Die Luftfahrt hat ein großes Interesse daran, die Kabinenelemente zu dämpfen“, berichtet Emil Heyden, Doktorand am PKT. „Bisher beschäftigen sich die Flugzeughersteller allerdings hauptsächlich mit Dämpfungsmaßnahmen einzelner Komponenten. Die Dämpfung der Flugzeug-Struktur als solches haben sie noch nicht ausreichend in den Blick genommen.“ Das würde eine aufwändige und teure Grundlagenforschung erfordern. Deshalb haben sich die Hamburger Wissenschaftler um Projektleiter Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dieter Krause des Themas angenommen.

Ziel ihres von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanzierten Projekts ist es, Feder-Dämpferelemente (Impedanz-Elemente) zu entwickeln, die zwischen Außenstruktur und Kabine installiert werden und einen Großteil der Vibra­tionen auffangen sollen. Impedanz-Elemente sind Maschinenelemente, die aus einem einstellbaren Federelement und einem einstellbaren Dämpfungselement bestehen. Es können etwa Hydraulikdämpfer verwendet werden. Sie bestehen aus zwei Fluid-Kammern, die durch einen schmalen einstellbaren Kanal miteinander verbunden sind. In der Mitte des Elements befindet sich die Kolbenfläche, die sich nach links und rechts bewegt, um das Fluid von einer Kammer in die andere zu strömen. Dadurch, dass das Fluid nur durch den kleinen Kanal von einer Kammer in die andere gelangen kann, entsteht Fluidreibung mit einer dämpfenden Wirkung

Zahlreiche Institute sind beteiligt

An dem Projekt beteiligen sich neben den Hamburger Wissenschaftlern auch Kollegen des Instituts für Produktentwicklung (IPEK) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der Product Development Group (PDZ) des Institute of Design, Materials and Fabrication der ETH Zürich. Während die Hamburger sich auf die Entwicklung von Impedanz-Elementen für Flugzeuge konzentrieren, erforschen die Wissenschaftler am KIT unter der Leitung von Univ.-Prof. Dr.-Ing. Sven Matthiesen Dämpfungselemente für Power-Tools wie Bohrhammer. In der Schweiz arbeitet Univ.-Prof. Dr.-Ing. Mirko Meboldt mit seinem Team an Impedanz-Elementen für die Robotik.

Für die Entwicklung der Impedanz-Elemente sind umfangreiche Tests nötig. Eigentlich müsste für jedes Testszenario ein eigenes Feder-Dämpfungselement konstruiert werden, das die realen mechanischen Eigenschaften abbildet. Da dies jedoch sehr teuer wäre, entwickeln die Wissenschaftler Impedanz-Elemente, deren Steifigkeits- und Dämpfungsverhalten sich an den jeweiligen Testfall anpassen lässt.

Leantechnik-Zahnstangengetriebe machte Tests erst möglich

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dieter Krause und sein Team konstruieren sowohl translatorische als auch rotatorische Impedanz-Elemente, die auf entsprechenden Prüfständen getestet werden. Der rotatorische Prüfstand des Instituts ist allerdings für die Versuche an den relativ kleinen Dämpfungselementen zu groß – die Tests wären sehr aufwändig. Emil Heyden und seine Kollegen hatten deshalb die Idee, eine kleinere translatorische Prüfvorrichtung zu einem rotatorischen Teststand umzubauen. „Dazu brauchten wir ein Zahnstangengetriebe mit möglichst geringem Spiel, das die translatorische Bewegung der Hydraulikzylinder in eine rotatorische Bewegung übersetzt“, erinnert sich Heyden. „Wir haben am Markt keine zuverlässige Komplett-Lösung gefunden und waren schon dabei, selbst eines zu bauen, als wir auf die Lifgo-Zahnstangengetriebe von Leantechnik stießen.“

Die Zahnstangengetriebe der Oberhausener Automatisierungsspezialisten erfüllen die Anforderungen der Wissenschaftler aufgrund ihrer hohen Präzision. Sie werden in vier Baugrößen und sechs verschiedenen Ausführungen gefertigt und können dank ihrer vierfach-rollengeführten Edelstahl-Zahnstange Quer- und Hubkräfte bis 25.000 Newton aufnehmen. Das Modell mit einfacher Zahnstange lässt sich zudem zum Lifgo Linear umbauen und kann dann in Anwendungen mit besonders langen Verfahrwegen eingesetzt werden. Die Variante Lifgo Doppel verfügt über zwei parallel laufende Zahnstangen und ist für Handling-Aufgaben konzipiert, die mithilfe von Zentrier- oder Greiferbewegungen ausgeführt werden. Mit dem Lifgo Linear Doppel wiederum können Greif- und Zentrierbewegungen in Anwendungen mit langen Verfahrwegen bewältigt werden. Das Lifgo SVZ ist mit einer schrägen Verzahnung ausgestattet, die einen flüsterleisen Betrieb ermöglicht. In der Ausführung Lifgo Excenter kann das Zahnflankenspiel sogar individuell eingestellt werden.

Zahnstangengetriebe muss starken Belastungen standhalten

Für ihren rotatorischen Prüfstand wählten Heyden und seine Kollegen die Version Lifgo 5.3 in der Excenter-Ausführung mit individuell einstellbarem Zahnflankenspiel: „So können wir das Getriebe für jedes Testszenario individuell einstellen, um möglichst wenig Spiel zu haben und aussagekräftige Messergebnisse zu bekommen.“ Das Getriebe kann Hubkräfte bis 15.900 Newton aufnehmen und Drehmomente bis 477 Newtonmeter übertragen. Im Prüfstand der TU Hamburg erzeugt es eine rotatorische, sinusförmig gesteuerte oszillierende Bewegung des Prüflings, also des Impedanz-Elements. Dabei wirken Momente bis 100 Newtonmeter auf die Dämpfungselemente ein – in Frequenzen von bis zu 30 Hertz und in einem Winkel von ±30°. Heyden: „Das bedeutet, dass wir das Zahnstangengetriebe bis zu 30 mal pro Sekunde nach links und nach rechts schwenken.“

Der Autor Sven Schürmann arbeitet im Marketing der Leantechnik AG.

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