DE3940439A1 - Reifen fuer flugzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Reifen für ein Fahrwerk (Landing gear) eines Flugzeugs.

Flugzeuge haben an ihren Landefahrwerken Räder mit Reifen, die beim Anschweben nicht rotierend in Ruhe sind. Beim Aufsetzen des Flugzeugs auf den Boden berührt ein Teil der Oberfläche des betreffenden Reifens den Boden, der unter dem Reifen mit Landegeschwindigkeit des Flugzeugs auf den Reifen trifft. Da die Masse des Rades mit dem Reifen eine unmittelbare Beschleunigung auf volle Drehzahl zum Rollen auf dem Boden nicht zuläßt, schleift der Reifen eine Weile auf dem Boden bis das Rad mit dem Reifen die volle Rollgeschwindigkeit erreicht hat. Bei diesem Rutschen nutzt der Reifen erheblich ab, weil das Schleifen mit hoher Geschwindigkeit und unter immer höher werdender Last erfolgt. Dieser Zustand bewirkt oft auch Erschütterungen des Flugzeugs.

Die Reifen der Landeanordnungen der Flugzeuge haben daher noch erhebliche Mängel, die einer Verbesserung bedürfen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Reifen für Landefahrwerksräder von Flugzeugen zu schaffen, bei denen die Reibung zwischen dem Reifen und der Landebahn verringert oder überhaupt verhindert wird.

Diese Aufgabe wird im Bereich der Technik des Gattungsbegriffs des Patentanspruchs 1 nach dem kennzeichnendem Teil des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung befinden sich in den Unteransprüchen 2 bis 7.

Fig. 1 ist ein Blick auf einen Reifen der Erfindung.

Fig. 2 und 3 zeigen Blicke auf Reaktionsteile der Erfindung.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch einen Reaktionskörper.

Fig. 5 und 6 zeigen Schnitte durch einen anderen Körper in unterschiedlichen Zuständen.

Fig. 7 und 8 zeigen Halbkugeln der bekannten Technik.

Fig. 9 zeigt Teile eines Reifens der Erfindung in Ansicht mit Schnitten.

Fig. 10 zeigt ein Berechnungsformular und die

Fig. 11 bis 13 zeigen Berechnungen im Formular der Fig. 10.

Fig. 1 zeigt den Reifen 10 mit einer seiner seitlichen Wände 12. Erfindungsgemäß sind an der Seitenwand 12 Reaktionsmittel 14 angeordnet, die bevorzugterweise Reaktionskörper sind. Diese Reaktionskörper werden im folgenden kurzerhand "Flügel" genannt. Sie sind axial vorstehende Fortsätze an der Seitenwand des Reifens, wenn sie nicht durch Formen bildende Einbuchtungen in den Reifen ersetzt sind. Diese Flügel 14 bilden in Fig. 1 bis 4 vordere Teile mit sichelförmigem Querschnitt und hinten Schwanzteile, die von einem der Enden der vorderen Sichel schräg nach außen und hinten gerichtet sind. Beim Landen setzt der Reifen bei dem Oberflächenteil 16 auf den Boden auf.

Der Fahrtwind bei der Bewegung des Flugzeugs beim Einschweben zur Landung ist durch die Richtungspfeile "A" angegeben. Ein Teil der Luftströmung stößt entlang der gepfeilten Linie A2 in den offenen Bauch der betreffenden Sichel des betreffenden Flügels und bewirkt hier eine Kraft, die den Reifen in Umdrehung entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn antreibt. Diese Antriebsrichtung und spätere Rotationsrichtung des Reifens ist durch den Pfeil F2 angedeutet. Ein Teil der Luftströmung mag durch die Räume zwischen den Flügeln strömen und ist mit dem mittleren Pfeil A1 gezeigt. Der obere Pfeil A1 zeigt eine weitere Strömung und zwar den Luftstrom der auf den oberen Teil des Reifens trifft. Man sieht hier deutlich, daß die Schwanzteile der Flügel diese obere Strömung A1 nach oben ablenken, so daß sie um die Sichelteile der Flügel herumströmt, ohne an den Sichelteilen ähnlich hohe Kräfte zu bewirken wie die Strömung A2 zu den unteren Flügeln des Reifens.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Reaktionskörper, also der Flügel, ist somit erreicht, daß der Fahrtwind eine höhere Kraft am unteren Teil des Reifens ausübt, als am oberen Teil des Reifens. Folglich wird der Reifen durch den Fahrtwind in Umdrehung versetzt, und zwar entgegen der Richtung des Uhrzeigersinns, so daß der untere Teil 16 des Reifens eine Geschwindigkeit erhält, die die Relativgeschwindigkeit zwischen der Achse des Reifens und dem Boden verringert. Beim Aufsetzen auf den Boden ist die Schleifzeit dadurch verkürzt oder überhaupt aufgehoben. Die erfindungsgemäße Aufgabe ist erreicht.

In Fig. 2 ist gezeigt, daß eine Anzahl solcher auf die Luftströmung reagierender Körper, Flügel, mit etwa gleichem radialem Abstand von der Achse des Reifens hintereinander angeordnet sind. Die vorderen Sichelteile der Flügel 14 haben hier die Positionsnummer 18, während die Schwänze die Positionsnummer 20 haben. Die Strahl-Linien sind Radialstrahlen von der Achse aus und zeigen, daß die Flügel gleichmäßig winkelmäßig verteilt angeordnet sind. Die Schwanzteile sind durch Winkel-Linien in ihrer Richtung beschrieben, was andeuten soll, daß die Schwänze 20 relativ zur Mittel-Umfangslinie durch den Reifen um etwa 15 ±10 Grad angestellt sein mögen.

In Fig. 3 sind die Abmessungen der Flügel eingetragen, die bei dem Versuchsreifen verwendet werden.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch einen der Flügel. Man kann mit Hilfe dieser Figur die Linien 51 und 52 festlegen, um die mit Radien "ri" und "Ro" die Sichelform des vorderen Teiles des Flügels gebildet wird. Die Sichel beginnt mit der Spitze 56. Am jenseitigen Ende der Sichel geht sie in den Schwanzteil 47 über, der in der Endspitze 55 endet und zwischen den Winkeln "alpha" und "beta" = 53 und 54 gebildet sein mag.

Analyse zur Technik der Erfindung

Fig. 7 und 8 zeigen Hohlkugeln, die von links her mit Luft angeströmt sein sollen. Die Hohlkugelhälfte nach Fig. 7 hat dann nach Hütte I, Seite 797 einen Widerstandsbeiwert von 0,33; während die Hohlhalbkugel nach Fig. 8 danach den Widerstandsbeiwert 1,33 hat.

Die Fig. 7 entspricht dabei annähernd der Sichel des Flügels 14 am unteren Teil des Reifens, während die Fig. 8 angenähert der Sichel des Flügels am oberen Teil des Reifens entspricht. Daher sollen annäherungsweise die Widerstandsbeiwerte der Fig. 7 und 8 für die Flügel 14 des Reifens der Erfindung verwendet werden.

Der Widerstand eines Körpers in einer Luftströmung ist:

K = A Cw (ρ/2) S² (1)

mit

A = Projektionsfläche in m²,
Cw = Widerstandsbeiwert,
S = Luftgeschwindigkeit in m/s,
K = Kraft in kg und
"rho" = Luftdichte = 0,125 kgs/m⁴.

Fig. 9 zeigt einen Querschnitt durch zwei Flügel des Reifens, wobei man im Hintergrund einen Teil 71 des Flugzeugs sieht und unter dem Reifen die Landebahn 73. Der Reifen ist auf das Rad aufgezogen, das die Achse 72 hat. Die Flügel sind unten mit 14 und oben mit 114 bezeichnet und haben den Abstand "Rt" von der Achse 72. Das Flugzeug hat die Geschwindigkeit S = 76. Die Luftströmung zum unteren Flügel 78 hat die Geschwindigkeit "V", die relative Zuströmungsgeschwindigkeit zum oberen Flügel ist "W" = 77. Die Umfangsgeschwindigkeit des Rades oder des Reifens ist "Vr" = 79. Der Teil des Reifens oberhalb der Achse 72 ist der obere, der Teil unterhalb der Achse ist der untere Teil des Reifens, so daß die Flügel 114 am oberen Teil symmetrisch zu den Flügeln 14 am unteren Teil gerichtet sind. Oben erfolgt als im Prinzip eine Anströmung nach Fig. 7 mit Widerstandsbeiwert 0,33 unten aber eine Anströmung nach Fig. 8 mit Widerstandsbeiwert 1,3.

Beim Umlauf des Reifens in dem Uhrzeigersinn entgegengesetzter Richtung nimmt also die Relativströmung W um "Vr" zu, so daß "W = S + Vr" wird, während die relative Anströmungsgeschwindigkeit unten "V = S - Vr" wird. Die Masse des Rades mit dem Reifen sei in der Peripherial- Ebene mit dem Radius "Rt" konzentriert. Der Reifen beschleunigt dann nach Newtons Kraftgesetz Kraft = Masse mal Beschleunigung. Die Kraft ist die Differenz der Angriffskräfte oben und unten. Die Beschleunigung ist dann die Differenz der an den Flügeln wirkenden Kräfte geteilt durch die Massensumme des Rades und Reifens.

Mit diesen Grundlagen ist das Berechnungsformular der Fig. 10 aufgestellt und in den Fig. 11 bis 13 sind im Formular der Fig. 10 Berechnungen durchgeführt. Dabei ist die Flugzeuggeschwindigkeit "S" in Fig. 11 = 40 m/s, in Fig. 12 = 60 m/s und in Fig. 13 = 20 m/sec. Die Summe der Angriffsflächen der Flügel ist mit 6 Flügeln a 10 × 10 cm angenommen, die Summe der Masse des Rades plus des Reifens mit 100 kg.

Die Rechnung erfolgt in Intervallen der Zeit nach Ausfahren des Landefahrwerks in waagerechten Zeilen. In den Figuren sind Zeitintervalle von je 10 Sekunden verwendet. In der rechtesten senkrechten Spalte erhält man die Umfangsgeschwindigkeit "Vr" des Reifens nach Ende des betreffenden Zeitintervalls. Die relative Anströmgeschwindigkeit des unteren Flügels findet man in der senkrechten Spalte 33, deren Kraft auf den Flügel 14 in der senkrechten Spalte 36, die relative Anströmgeschwindigkeit der oberen Flügel 114, also die Geschwindigkeit "W" findet man in der senkrechten Spalte 37, deren Kraft auf die oberen Flügel 114 in der senkrechten Spalte 40 und die Reifen Beschleunigung gemittelt im betreffenden Zeitintervall in der senkrechten Spalte 42.

Man sieht, daß die obere Anströmgeschwindigkeit "W" ständig zunimmt, die untere Anströmgeschwindigkeit "V" aber ständig abnimmt, je schneller der Reifen rotiert. Der daraus entstehenkönnende Eindruck, daß der Reifen dann oben mehr bremsen müsse, als er unten angetrieben wird, aber täuscht. Denn infolge der unterschiedlichen Widerstandsbeiwerte oben und unten ist die Kraft unten trotzdem so lange stärker, als oben, bis sich ein Kräftegleichgewicht einstellt. Das stellt sich bei den gewählten Ausgangsdaten bei allen drei Fluggeschwindigkeiten bei etwa 35 Prozent der Flugzeug Einschwebgeschwindigkeit ein.

Unabhängig von der Fluggeschwindigkeit bewirkt der Reifen der bisher beschriebenen Figuren der Erfindung also eine Oberflächengeschwindigkeit des Reifens von etwa 35 Prozent der Anschwebe-Geschwindigkeit des Flugzeugs. Die Auswirkung der Erfindung ist also verblüffend gut. Die Relativgeschwindigkeit zwischen Reifen und Landebahn ist also alleine durch die Flügel 14, 114 der Erfindung bei den gewählten Ausgangs- Abmessungen der Berechnungen um 35 Prozent reduziert.

Beschreibung der weiteren Figuren

Aus der voraufgegangenen Analyse zur Technik der Erfindung ergibt sich, daß das Mittel, das weitere Beschleunigung des Reifens zu noch höherer Drehzahl behindert, der Widerstand der Reaktionskörper 114 am oberen Teil des Reifens ist, weil dieser infolge des Quadrats der Anströmgeschwindigkeit mit hoher Umlaufgeschwindigkeit "Vr" des Reifens stark zunimmt.

Daher sind in den Fig. 5 und 6 Querschnitte durch einen flexiblen Flügel in unterschiedlichen Lagen dargestellt. Am Reifen 49 ist der Flügel mit der Wurzel 57 angeordnet. Der Flügel hat Querschnitte mit seitlich vom Reifen aus beweglichen Schenkeln 48, 60, 62, 148, 160, 162 und Schwingwurzeln 59, 61, 57 oder 157, 161, 159. In Fig. 5 ist der seitliche Außenteil mit Spitze 64 nahe am Reifen, in Fig. 6 ist die Spitze 165 weiter entfernt vom Reifen. Der Reifen der Fig. 5 ist daher mit der Spitze vom Reifen aus um die kurze Abmessung 65, in der Fig. 6 aber um die lange Abmessung 165 entfernt. Der Flügel der Fig. 5 und 6 hat also mindestens ein flexibles Teil 58, 60, 62 bzw. 158, 160, 162 durch das die Angriffsfläche des Flügels im Luftstrom nach der Seite des Reifens verlängert oder verkürzt werden kann.

Im oberen Reifenteil bläst der Fahrtwind gegen die Schenkel und Gelenke und hilft bei der Verkürzung der Abmessung 65. Am unteren Reifenteil bläst der Fahrtwind in der Figur von rechts her gegen die Gelenke und Schenkel 158, 160, 159, 162 und hilft bei der Vergrößerung der Abmessung 165. Aufgrund der Analyse der Erfindung wird angestrebt, den Flügel am oberen Reifenteil so eng an den Reifen oder in ihn herein zu bringen, daß die Abmessung 65 zu null wird, während die Abmessung 165 am unteren Reifenteil ein Maximum sein soll. Wird die Abmessung 65 am oberen Reifenteil zu "null", dann entfällt der Widerstand durch Flügel im Luftstrom am oberen Reifenteil. Der Reifen beschleunigt dann auf die Umfangsgeschwindigkeit "Vr", die der Anschwebegeschwindigkeit des Flugzeugs entspricht. Jedes Schleifen des Reifens auf der Rollbahn ist dann verhindert, denn der Teil des Reifens, der beim Aufsetzen des Flugzeugs auf die Landebahn den Boden berührt, hat dann genau die gleiche Geschwindigkeit, wie der Boden unter ihm. Boden und aufsetzender Reifen haben also gleiche Geschwindigkeiten, sie sind relativ zueinander in Ruhe. Der erste Berührungspunkt des Reifens setzt sich einfach auf den Boden auf.

In der Praxis ist es aber bereits ein guter Erfolg, wenn der Reifen etwas beschleunigt wird, da dann die Relativgeschwindigkeit bei der ersten Bodenberührung geringer ist, als beim herkömmlichen Flugzeugreifen und somit der Rutsch-Schleif-Vorgang verringert und die Lebensdauer des Reifens erhöht wird.

In dieser Hinsicht kommt den Schwänzen der Sicheln der Widerstandskörper der Erfindung besondere Bedeutung zu. Denn, wie man aus Fig. 1 schon sieht, lenken die Schwänze 47 der Fig. 4 den Luftstrom am oberem Teil des Reifens nach oben ab, so daß der Luftstrom am oberen Teil des Reifens über die Sichelteile der Flügel ganz oder teilweise hinwegströmt. Der Widerstandsbeiwert am oberen Teil des Reifens wird dadurch noch erheblich verringert, zumindestens wird am oberen Teil des Reifens die durch den Luftstrom auf die Körper 14-47 wirkende Kraft verringert, weil der Luftstrom die Widerstandskörper nicht mehr, oder nur noch teilweise, trifft. Am unteren Teil des Reifens hingegen wird der Luftstrom durch die Schwanzteile 47 in die offenen Sicheln hereingelenkt. In der Praxis der Erfindung ist daher der Widerstandsbeiwert unten am Reifen größer, als 1,3; oben am Reifen aber wesentlich geringer als 0,3. Folglich erreicht der Reifen der Erfindung eine Beschleunigung des Landerades auf weitaus mehr, als die oben errechneten 35 Prozent der Anschwebe- Geschwindigkeit des Flugzeugs. Der Effekt der Erfindung ist also überraschend gut und er ist erreicht worden mit den einfachsten und kostenlosensten Mitteln. Denn der Reifen kostet in der Praxis etwa das gleiche Geld, gleichgültig, ob man die Seitenwände in einer glatten Form oder in einer Form mit den Widerstandskörpern 14-47 der Erfindung herstellt.

Da die Erfindung in den jetzigen oder zukünftigen Patentansprüchen noch näher beschrieben sein wird, sollen die Patentansprüche als Teil der Beschreibung der Erfindung gelten.

Claims (7)

1. Reifen für ein Fahrwerksrad eines Flugzeugs mit seitlichen Reifenwänden zwischen dem Rade und dem radial äußeren Oberflächenstück des Reifens, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Seitenwände 12 des Reifens 10 mit Widerstandskörpern 14 versehen ist.

2. Reifen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandskörper 14 mit gleichmäßigen peripherialen Abständen voneinander mit etwa gleichem Radius von der Achse aus um den ganzen Umfang an der Seitenwand 12 angeordnet sind.

3. Reifen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper 14 als axial nach außen vorstehende Flügel ausgebildet sind.

4. Reifen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper 14 einen etwa sichelförmigen Teil enthalten, der am unteren Teil des Reifens die Sichel in Flugrichtung des Flugzeugs offen und im oberen Teil die Sichel mit dem Rücken verschlossen in Flugrichtung angeordnet ist.

5. Reifen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das am Reifen radial nach außen gerichtete Ende der Sichelform mit einem etwa 15 Grad (±10 Grad) nach außen und hinten erstreckten Schwanzteil 47 versehen ist.

6. Reifen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandskörper mit einem axial nach außen von der Seitenwand fort und der Seitenwand zu schwenkbaren flexiblen Teil 62, 57 bis 64, 162, 158 bis 164 versehen ist.

7. Reifen nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reifen mit einem Merkmal der Figuren oder dieser Schrift versehen ist.