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Antrieb für ein Flugzeug-Fahrwerkrad Die Erfindung betrifft einen
Antrieb für ein Flugzeug-Fahrwerkrad mit einem feststehenden Tragzapfen und einer
auf ihm drehbar gelagerten Nabe, die mit Hilfe einer im wesentlichen senkrecht zur
Tragzapfenachse verlaufenden Radscheibe mit einer Felge verbunden ist sowie mit
einer an dem drehbaren Radteil angeordneten turbine.
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Im Flugzeugbau ist man allgemein bestrebt, den Reifenverschleiß der
Flugzeug-Fahrwerkradreifen beim Landen des Flugzeuges zu verringern.
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Bei den verhältnismäßig hohen Landegeschwindigkeiten und Flugzeuggewichten
werden die Fahrwerkradreifen beim Abbremsen der Maschine auf der liandepiste infolge
der beim Bremsen am gebremsten Rad auftretenden hohen 'langentialkräfte stark beansprucht.
Um die optimalen Haftreibungsverhältnisse zwischen Rad und Boden zu erfühlen, sind
bei modernen Verkehrsflugzeugen die sogenannten Bnti-Skid bzw. Antiblockiereinrichtungen
an den gebremsten Hauptfahrwerksrädern vorgesehen, um ein Blockieren bzw. Rutschen
des Rades während des Bremsvorganges zu vermeiden. Durch diese Maßnahmen wird der
stark erhöhte Reifenverschleiß infolge teilweiser Bremsblockierung vermieden und
für eine optimale Abbremsung der Maschine bei rollenden Fahrwerkrädern gesorgt.
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Somit werden die Reifen, nachdem die Räder bereits auf eine der Translationsgeschwindigkeit;
des Flugzeuges äquivalente Drehzahl infolge Gleitreibung beim Aufsetzvorgang beschleunigt
wurden, weitgehend geschont.
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Bisher wurde jedoch das Problem der Verschleißbeanspruchung der Reifen
beim Beschleunigen des Rades im Zeitpunkt des Aufsetzens des Flugzeuges auf der
Landepiste sowie der zusätzlichen dynamischen Beanspruchungen des Fahrwerks nicht
befriedigend gelöst.
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tberschlägliehe Berechnungen der erforderlichen Reibleistung zum Beschleunigen
eines nicht vorrotierenden Flugzeugrades zeigen bei einer Aufsetzgeschwindigkeft
von etwa 180 km/h äe nach den technischen Gegebenheiten des Flugzeuges Größenordnungen
von 200 bis 400 es pro Fahrwerksrad.
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Die Größenordnung der Reibleistung beim Hochbeschleunigen (Spin up)
der Fahrwerksräder bewegt sich damit je nach Art der Zusatzbremseinrichtungen des
Flugzeuges (Schubumkehr als Bremshilfe) bei etwa 40 bis 70 °h der beim blockierfreien
Bremsen durch die Fahrwerksräder aufzubringenden Bremsleistung.
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Nimmt man an, daß der beim Beschleunigen des Rades mittels Gleitreibung
(100 % Schlupf auf 0 % Schlupf) und der beim blockierfreien Bremsen auftretende
Reifenverschleiß den ermittelten jeweiligen Leistungen proportional ist, so kann
durch eine Radvorrotation der Verschleiß unter Zugrundelegung der oben erwahnten
Daten bezogen auf den Gesamtverschleiß bei nicht vorrotierenden Rädern um etwa 30
bis 40 % vermindert werden Dies wiederum würde eine Lebensdauererhöhung der Reifen
von etwa 40 bis 65 * bedeuten. Die Schäden, die durch die dynamische Belastung während
des "Spin up" an anderen Fahrwerksteilen auftreten können, sind hierbei unberücksichtigt
geblieben.
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Es wurden bereits Einrichtungen vorgeschlagen, mit deren Hilfe die
Fahrwerksräder auf eine der Aufsetzgeschwindigkeit angemessene Drehzahl beschleunigt
werden sollen.
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In die Radachsen der Fahrwerkräder eingebaute Elektromotoren, die
beim Landen eingeschaltet werden und dem Rad das erforderliche Antriebsmoment erteilen
sollen, sind wegen ihres großen Gewichts nicht tragbar.
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Es sind ferner an der Radfelge befestigte, in Gegenwindrichtung aufklappbare
Schaufeln sowie Reifen mit turbinenartigem Seitenprofil bekannt, die die Fahrwerkräder
in Rotation setzen sollen. Die Schaufeln werden jedoch nur teilweise beaufschlagt
und können das erforderliche Antriebsmoment nicht liefern. Außerdem wäre die Herstellung
der Reifen mit turbinenartigem Seitenprofil zu aufwendig, insbesondere mit Rücksicht
darauf, daß die Lebensdauer der Reifen relativ gering ist. Derzeitig werden die
Reifen nach etwa 40 bis 50 Landungen bereits gewechselt.
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Nach einem weiteren Vorschlag ist ein an dem drehenden Radteil des
Fahrwerkrades angeordnetes radial bzw. zentripetal mit vom Eriebwerkskompressor
abgezweigtem Druckluftstrom teilbeaufschlagbares Turbinenrad bekannt. Dazu muß das
Flugzeug mit einer zusätzlichen, ziemlich komplizierten Rohrleitung vom Triebwerkskompressor
zum Fahrwerk ausgestattet werden, die noch biegsame Teile enthalten muß. Die Düse
befindet sich neben dem Rad, außerdem erhöht sich die axiale Erstreckung des Rades
durch die an der Peripherie der Felge angebrachten Turbinenschaufeln, was zu Platzschwierigkeiten
im Fahrwerkschacht führen kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Antrieb für ein Flugzeug-Fahrwerkrad
zu schaffen, bei dem die Antriebsenergie für die Räder nicht einer getrennten energieerzeugenden
Einrichtung entnommen zu werden braucht, sondern bei dem die
beim
Landeanflug entstehende Geschwindigkeitsenergie der Stauluft in die Antriebsenergie
umgewandelt wird, wobei das Antriebsglied mit dem Antriebsmittel vollbeaufschlagt
wird. Außerdem soll der Antrieb möglichst gewichtssparend ausgeführt werden.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß Teile der Fahrwerksradnabe
und der Fahrwerksradscheibe die Nabe sowie die Turbinenlaufradscheibe des Turbinenlaufrades
einer Turbine bilden, daß die Turbinenschaufeln an der Nabe und/oder an'der Radscheibe
angeordnet sind, daß ein Turbinengehäuse mit einem Spiralgehäuse am Ende des feststehenden
Tragzapfens vorgesehen ist und daß die Mündung des an das Spiralgehäuse angeschlossenen
Lufteintrittsstutzens in einer im wesentlichen vertikalen, parallel zur Fahrwerksradachse
verlaufenden Ebene liegt, wobei die Eintrittsöffnung in Flugrichtung zeigt.
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Zweckmäßig ist die Turbine eine Stauzentripetalturbine.
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Die Antriebseinrichtung arbeitet nach dem Prinzip der Zentripetalturbine,
deren Arbeitsmedium von außen nach innen strömt und dabei gleichzeitig von der radialen
in die axiale Richtung umgelenkt wird, wobei die Strömung entsprechend den vorgegebenen
Schaufelwinkeln des Turbinenrades geführt wird.
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Das hier zur Verfügung stehende Arbeitsmedium ist die Luft, die entsprechend
der Landeanfluggeschwindigkeit des Flugzeuges in den Eintrittsstutzen einströmt
und über das anschließende Spiralgehäuse mit schaufellosem Ringraum in das Laufrad
eintritt, wo sie ihre Geschwindigkeitsenergie entsprec4end der ihr durch die Form
der Schaufeln vorgeschriebenen Weise abgibt und damit das zur Radbeschleunigung
erforderliche Antriebsmoment liefert.
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Da das in der Turbine wegen der näherungsweise gleichen statischen
Drücke vor und hinter der Turbine ausnutzbare Druckverhältnis nahezu 1 beträgt und
nur die Geschwindigkeitsenergie im Laufrad abgebaut werden kann, muß bei der
thermodynamischen
Auslegung der Turbine die Austrittsenergie durch geeignete Wahl der Schaufelwinkel
möglichst klein gehalten werden.
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Die Abmessungen der Turbine müssen einerseits der Größe der Radmasse,
die in der zur Verfügung stehenden Zeit des Landeanflugs beschleunigt werden muß,
andererseits dem im freien Felgenteil vorhandenen Raum angepaßt werden. Die durchströmten
Teile der Turbine müssen so ausgelegt werden, daß die der entsprechenden durchschnittlichen
Aufsetzgeschwindigkeit des jeweiligen Flugzeuges näherungsweise äquivalente Drehzahl
des Fahrwerkrades in der üblichen Zeit des Landeanflugs erreicht wird, so daß sich
der Restlandeschlupf etwa im Bereich von 4 10 % bewegt.
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Die Zeit, die zum Beschleunigen des Rades während des Landeanfluges
zur Verfügung steht, beläuft sich im allgemeinen auf 3 bis 5 Minuten. Dabei wird
das Fahrwerk der großen Düsenverkehrsmaschinen bei etwa 300 bis 350 km/h ausgefahren,
so daß die dann zur Verfügung stehende Geschwindigkeitsenergie der Sauluft bis zum
Aufsetzen des Flugzeuges auf der Landepiste ausgenutzt werden kann.
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Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Turbinenschaufeln an
der Radscheibe im wesentlichen radial, an der Nabe im wesentlichen axial angeordnet
sind.
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Zur besseren Bremswärmeabfuhr sind in der Radscheibe Bohrungen vorgesehen.
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Aus Gewichtsgründen wird das Turbinengehäuse aus einem Werkstoff mit
möglichst kleinem spezifischen Gewicht hergestellt, der aber dennoch die für diesen
Zweck ausreichendenFestigkeitseigenschaften hat. Vorteilhafterweise werden dazu
Leichtmetalle, z. B. Dural oder glasfaserverstärkte Kunststoffe verwendet.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist aus Konstruktionsgründen
das Turbinengehäuse gegen die Radscheibe durch einen Labyrinth-Dichtungsring abgedichtet.
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Das Turbinengehäuse ist mit Hilfe von Scheiben und einer Wellenmutter
an dem feststehenden Tragzapfen axial einstellbar.
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Die Lage des Eintrittsstutzens und die Gestaltung seiner Eintrittsfläche
wird von den Gegebenheiten im Fahrwerkschacht bestimmt. Im allgemeinen wird man
aber bestrebt sein, möglichst nicht allzu breit über die vorgegebene seitliche Begrenzung
des Rades hinauszukonmien, um den Platzbedarf im Fahrwerkschacht gering zu halten.
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Bei einem Fahrwerk mit zwei oder mehreren hinter-mnnder angebrachten
Rädern sind die Mündungen der an die hintereinander angeordneten Spiralgehäuse angeschlossenen
Lufteintrittsstutzen - auf eine zur Lufteintrittsfläche parallele Ebene projiziert
- in ihrer Eöhen- und/oder Seitenstellung bezüglich der Raddrehachse gegeneinander
versetzt, um jedes Antriebselement möglichst ungehindert anzuströmen.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutertö Es zeigt:
Figur 1 einen erfindungsgemäßen Antrieb im Axialschnitt und Figur 2 eine Stirnansicht
der Vorrichtung in Richtung des Pfeiles C nach Fig. 1.
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Auf dem feststehenden Tragzapfen 14 ist die mittels zweier einstellbarer
Kegeirollenlager 8 und 9 drehbar gelagerte Radfelge zu sehen, die aus einem Felgenkörper
3 sowie dem
daran befestigten Belgenteil 2 besteht. Mit dem Felgenkörper
3 formschlüssig verbunden sind die Turbinenschaufeln 6, über die das Äntriebsmoment
auf den Felgenkörper 3 und damit auf das gesamte Fahrwerkrad übertragen wird. Durch
die im Felgenkörper 3 angebrachten Bohrungen 7 kann die in dem dem Turbinenaggregat
gegenüberliegenden Felgenteil beim Abbremsen des Flugzeuges entstehende Wärme abgeführt
werden. Der Felgenkörper bildet einen nabenartigen 21 und einen radscheibenartigen
22 Teil.
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Die sich im Felgenkörper 3 befindenden fcegelrollenlager 8, 9 werden
eins durch einen Dichtungsring sowie auf der Turbinenseite mittels eines mit einem
Dichtungsring 13 versehenen Lagerdeckels 10 abgedichtet. Die Wellenmutter 12 und
die dazugehörige Druckscheibe 11 dienen zur Einstellung der Radlager.
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Rechts neben dem Lagerdeckel 10 befindet sich das mit dem feststehenden
Tragzapfen 14 durch eine Paßfeder 23 formschlüssig verbundene gesamte Turbinengehäuseteil
4 dessen Spiralgehäuse in den Eintrittsstutzen 18 übergangslos einmündet. Dabei
dienen Scheiben 15 der genauen axialen Einstellung des feststehenden Gehäuses 4
gegenüber den rotierenden Turbinen- bzw.
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Felgenteilen. Die Abdichtung des Gehäuses 4 gegenüber dem Außenraum
erfolgt mittels eines in Ringraumhöhe angebrachten auswechselbaren Dichtungsringes
5. Das Gehäuse 4 ist durch eine Mutter 16 arretiert, die durch eine Abschlußkappe
17 geschützt ist.
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Die Verbindungsstege 19 zwischen Gehäuse-Nabenteil und Gehäuse-ußenteil
sind entsprechend profiliert und damit verwindnngssteif ausgebildet. Diesem Zweck
dienen ebenfalls die radialen Stege 20 zwischen Spiralgehäuse und dem inneren Gehäuseteil.
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Wie Figur 1 zeigt, ist in dem dargestellten Beispiel die Turbine in
der rechten Hälfte der Fahrwerkradfelge angeordnet,
wobei zweckmäßigerweise
die dem Fahrwerksbein abgewandte Seite dafür vorzusehen ist. Die andere Seite kann
dann die Bremseinrichtungen aufnehmen.
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Die Mündung des Lufteintrittsstutzens 18 liegt in einer im wesentlichen
vertikalen, parallel zur Fahrwerksradachse verlaufenden Ebene. Die Eintrittsöffnung
zeigt dabei in Flugrichtung.
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Der konstruktive aufwand des erfindungsgemäßen Antriebs hält sich
in Grenzen. Auch die bereits fertigen Fahrwerke können nach Überprüfung der räumlichen
Gegebenheiten der Felge bzw.
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des Fahrwerkschachtes mit den erfindungsgemäßen Antrieben ausgerüstet
werden.
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In Verbindung mit anderen verschleißmindernden Einrichtungen (11Anti-Skid11-Einrichtungen)
wird durch den erfindungsgemäßen Antrieb der Verschleiß der Fahrwerkradreifen weiterhin
verringert und damit die Lebensdauer der Reifen wesentlich erhöht.
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In Betracht gezogene Druckschriften: DU-AS 1 106 184 DU-AS 1 273 334
DU-AS 1 273 335 DT-OS 1 756 749 I)-0S 1 756 798