WO2008028473A1 - Optimierte operationsmethode zur betätigung von luftfahrzeugfahrwerken - Google Patents

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WO2008028473A1
WO2008028473A1 PCT/DE2007/001574 DE2007001574W WO2008028473A1 WO 2008028473 A1 WO2008028473 A1 WO 2008028473A1 DE 2007001574 W DE2007001574 W DE 2007001574W WO 2008028473 A1 WO2008028473 A1 WO 2008028473A1
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aircraft landing
load
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Taehun Seung
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Taehun Seung
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15BSYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B7/00Systems in which the movement produced is definitely related to the output of a volumetric pump; Telemotors
    • F15B7/005With rotary or crank input
    • F15B7/006Rotary pump input
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64CAEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C25/00Alighting gear
    • B64C25/02Undercarriages
    • B64C25/08Undercarriages non-fixed, e.g. jettisonable
    • B64C25/10Undercarriages non-fixed, e.g. jettisonable retractable, foldable, or the like
    • B64C25/18Operating mechanisms
    • B64C25/22Operating mechanisms fluid
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15BSYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B21/00Common features of fluid actuator systems; Fluid-pressure actuator systems or details thereof, not covered by any other group of this subclass
    • F15B21/08Servomotor systems incorporating electrically operated control means
    • F15B21/087Control strategy, e.g. with block diagram

Definitions

  • the actuation of a retractable landing gear is of great importance for the energy balance of an aircraft, wherein the landing gear actuation is preferably accomplished with hydraulic due to the high power density.
  • the hydraulic actuation in terms of 'reset' and 'restart' offers relatively simple control options with few system components.
  • the Electro-Hydrostatic Actuators-EHA for short-have recently become firmly established in primary flight control: the EHA is an actuator with its own hydraulic pump. which is powered by an integrated electric motor.
  • Fig. 1 shows the principle of an EHA schematically. Since the stroke of a hydraulic cylinder is proportional to the flow of the hydraulic fluid (ideally, without leakage), the pump output, and finally the speed of the electric motor, represents the control variable for the control loop. However, due to the high demand, the current EHAs become the positioning accuracy operated in a closed loop. The monitoring of the position requires a relatively high effort. As a 'Power by Wire' system, the EHA principle provides a good starting point for decentralized hydraulic supply to a chassis system (stand alone landing gear). The main difference between EHAs of flight controls and those of landing gears in operation is that the landing gear always performs only the predefined operation in a-more or less-known, predefined situation. The input, u. Extending an aircraft landing gear thus rather corresponds to a routine control, while the flight control system has to respond flexibly to unpredictable load requirements with a closed control loop. State of the art
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of a retractable aircraft landing gear.
  • the operating load of the actuator in Fig. 2 is initially dependent on the dead weight of the chassis.
  • the actuator is usually mechanically connected to the chassis frame via a joint. Consequently, there is a fixed, position-dependent relationship between the stroke of the actuator and the current chassis position during an actuation process. Due to the potential energy difference, the operating load generally increases with the increasing entry angle during the retraction process.
  • the weight load is thus a fixed size, which is determined by the geometric structure of the chassis. In addition to this simple weight force, bearing friction resistances and spring preload forces on the actuating mechanism, etc., are to be mentioned for such fixed sizes.
  • the aircraft experiences load varia- tions and aerodynamic forces during maneuvering.
  • the force required to retract the landing gear at one time therefore also changes according to the momentary load factor and the current aerodynamic forces.
  • Fig. 3 shows a typical, maximum load curve on the actuator relative to the chassis position.
  • the max. allowed load multiple is taken into account in the course of the curve (it generally causes a parallel shift of the curve upwards). It should be noted at this point that this load profile is to be regarded as an inalterable fixed variable.
  • the additional, maximum, aerodynamic Mixed load was not considered here. However, it can be determined separately both numerically and experimentally. If these were taken into account in FIG. 3, the curve would thus not represent a typical maximum load profile but the maximum load limit.
  • the representation in FIG. 3 with the maximum load curve without aerodynamic component is useful here for explaining the control principle to be described.
  • the hydraulic force F is generally written as:
  • F Ap -A GL (1)
  • F force [N]
  • p differential pressure in the piston chamber [Pascal]
  • A area [m 2 ].
  • the differential pressure ⁇ p is nothing other than the pressure in an equilibrium situation (stall pressure, the actuator force is in balance with the external load.)
  • the current total load L changes with the retraction angle of the chassis. It should be noted at this point that the force F due to the efficiency ⁇ m ec h does not exactly equal to the total load L. The efficiency depends on the mechanical conditions and sometimes even on the direction of rotation. The following applies:
  • the hydraulic power P is a product of the differential pressure ⁇ p and the instantaneous flow.
  • the power requirement can be determined from GL (4) and GL (5):
  • the power requirement for a given piston area and a differential pressure depends only on the adjustment speed of the actuator (stroke speed).
  • the end position damping is one of the most important requirements for on and off. Extension of the landing gear. Their task is to in decelerating the large mass of moving mechanical components at the end of the actuation with adequate damping.
  • FIG. 4 shows the relationship between the speed profile and the resulting power requirement at a given load by way of example.
  • the abrupt, step-like change in the velocity profile is due to the fixed end-of-stroke damping (see Fig. 5). It also creates a peak in power requirements.
  • the power difference between minimum and maximum is over 1000 W in the present example.
  • the efficiency is about 0.807.
  • the actuator's adjustment speed can be easily controlled at the EHA by means of the engine speed.
  • the cushioning can thus be easily realized without using additional facilities.
  • the velocity profile of a conventional system can be mimicked. However, this does not make sense, since the efficiency is not high due to the abrupt acceleration and deceleration. 6 shows an improved velocity profile and the associated energy requirement for a given load profile.
  • the speed profile in the final phase has been adjusted with a Cos 2 ramp to allow smooth deceleration. Although only the final phase with the Cos 2 ramp was shown here by way of example, the acceleration can theoretically also be represented during the initial phase by a Cos 2 ramp.
  • the object of the present invention is to achieve the highest possible weight reduction on the drive system of the chassis or a significant system simplification.
  • the present invention is concerned with a new method of operation of an aircraft landing gear.
  • the present invention may be based on the EHA principle of the prior art, but other or different embodiments of the invention are also included.
  • the new method according to the present invention is based on the known (predetermined) overall work for a given actuator size.
  • the mechanical work is defined as:
  • the power is the differential quotient of the work after the time and has the unit [watt] or [joule / sec].
  • V (h) the adjustment speed of the actuator [m / s]
  • A is the piston area [m 2 ] and d is the flow rate per pump revolution [m 3 ].
  • Fig. 2 A schematic diagram of a retractable aircraft landing gear
  • Fig. 3 A typical, maximum load curve on the actuator relative to the chassis position
  • Fig. 5 Reason for the abrupt Verstell quites selectedung, formation of the velocity profile with a constant velocity phase
  • the physical work required to retract the landing gear can be calculated according to GL (9) by determining the area below the power curve. For a given duration of operation, eg 10 sec ( Figures 4 and 6), one can then determine an average power by forming an arithmetic mean by dividing the total work by the time span. Fig. 7 illustrates this situation schematically. If the efficiency is known, you can calculate the absolute average power (ideal: no loss). It is now possible to use the level of the mean value as a new performance curve and to calculate a new velocity profile in combination with a predefined, known load profile. In other words, the velocity profile of FIG. 4 or FIG. 6 has been modified so that the power requirement remains constant over the entire actuation period.
  • Fig. 8 illustrates this situation.
  • the required power of about 540 W compared to 1060 W of Fig. 4 has dropped significantly, although the load was exactly the same.
  • the efficiency improves to the maximum possible value of 0.9 (theoretical consideration).
  • the improvement in efficiency is due to the absence of the (abrupt) deceleration process.
  • the 10% residual loss comes from mechanical parts of the system.
  • the main benefit of this operation method is the reduction of the required level of performance by completely eliminating the peak power requirement.
  • the size of the hydraulic unit can be significantly reduced by this situation.
  • a hydraulic power unit, consisting of a motor and a pump, which only needs a maximum power of 540 W, will certainly be smaller and lighter in size than one with 800-1100 W.
  • motors also have smaller power electronics and thinner cable on.
  • Significant weight reductions result, these contribute significantly to the efficient design of the entire system and also to the increase in payload of the aircraft. If one considers this principle of operation already at the conception phase of the system, the system can be designed substantially more energy-efficient. Furthermore, the system own weight can be significantly reduced compared to the conventional system.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Betätigung von Luftfahrzeugfahrwerken, wobei die Verstellgeschwindigkeit des Luftfahrzeugfahrwerkes über die gesamte oder über einen überwiegenden Teil der Verstelldauer derart gewählt wird, dass der Leistungsbedarf zur Verstellung des Luftfahrzeugfahrwerkes konstant oder annähernd konstant ist.

Description

Optimierte Operationsmethode zur Betätigung von Luftfahrzeugfahrwerken
Technisches Gebiet Die Betätigung eines einziehbaren Fahrwerks, insbesondere der Einziehvorgang ist für den Energiehaushalt eines Flugzeuges von großer Bedeutung, wobei die Fahrwerksbetätigung aufgrund der hohen Leistungsdichte vorzugsweise mit Hydraulik bewerkstelligt wird. Im Vergleich zu einer reinen elektro-mechanischen Betätigungseinheit bietet die hydraulische Betätigung in Puncto .Reset' und .Restart' relativ einfache Steuermöglichkeiten mit wenigen Systemkomponenten an. Aus diesen Gründen, und darüber hinaus auch aus Aspekten der Wartungsfreundlichkeit haben sich die „Electro-Hydrostatic Actuators" -kurz EHA genannt- in der jüngsten Vergangenheit bei der primären Flugsteuerung fest etabliert. Es handelt sich beim EHA um einen Aktuator mit einer eigenen Hydraulikpumpe, die von einem integrierten Elektromotor angetrieben wird.
Fig. 1 zeigt das Prinzip eines EHA schematisch. Da der Hub eines Hydraulikzylinders mit dem Durchfluss der Hydräulikflüssigkeit im proportionalen Verhältnis steht (Idealfall, ohne Leckage), stellt die Fördermenge der Pumpe, letztendlich die Drehzahl des Elektromotors, für den Regelkreis die Stellgröße dar. Jedoch werden die gängigen EHAs aufgrund der hohen Anforderung an die Positioniergenauigkeit im geschlossenen Regelkreis betrieben. Die Überwachung der Position erfordert dabei einen relativ hohen Aufwand. Als 'Power by Wire' -System stellt das EHA-Prinzip eine gute Ausgangsbasis für eine dezentralisierte Hydrau- likversorgung eines Fahrwerksystems dar (Stand alone Landing Gear). Der Hauptunterschied zwischen EHAs von Flugsteuerungen und solchen von Fahrwerken im Betrieb besteht darin, dass das Fahrwerk stets nur die vordefinierte Operation bei einer -mehr oder weniger- bekannten, vordefinierten Situation ausführt. Das Ein-, u. Ausfahren eines Flugzeugfahrwerkes entspricht also eher ei- ner routinenmäßigen Steuerung, während die Flugsteuerung überwiegend gegen unvorhersehbare Lastenanforderungen mit einem geschlossenen Regelkreis flexibel reagieren muss. Stand der Technik
Weil die einziehbaren Fahrwerke der modernen Flugzeuge in der Regel aus bereits erwähnten Gründen hydraulisch betätigt werden, wird es bei den nachfol- genden Betrachtungen anhand einer hydraulischen Betätigung erläutert. Fig. 2 zeigt ein Prinzipschema eines einziehbaren Flugzeugfahrwerkes.
Im Folgenden werden Systemparameter und deren Auswirkung auf den Energiehaushalt bzw. die Hardwaregestaltung näher dargestellt. Für die Betriebslast eines Einziehfahrwerkes gilt Folgendes:
Unabhängig von Bauarten -ob mechanisch oder hydraulisch- ist die Betriebslast des Aktuators in Fig. 2 zunächst von der Eigengewichtskraft des Fahrwerkes abhängig. Der Aktuator ist in der Regel mit dem Fahrwerksgestell mechanisch über ein Gelenk verbunden. Demzufolge besteht ein fester, positionsabhängiger Zusammenhang zwischen dem Hub des Aktuators und der aktuellen Fahrwerks- position während eines Betätigungsvorganges. Bedingt durch die Potentialenergiedifferenz steigt die Betriebslast generell mit dem zunehmenden Einfahrwinkel während des Einziehvorganges an. Die Gewichtslast ist somit eine feste Größe, die durch den geometrischen Aufbau des Fahrwerkes festgelegt wird. Zu derarti- gen Fixgrößen sind außer dieser einfachen Gewichtskraft auch Lagerreibungswiderstände und Federvorspannungskräfte am Betätigungsmechanismus etc. zu nennen.
Des Weiteren erfährt das Flugzeug im Flugbetrieb -je nach Manöver- Lastvielfa- che und aerodynamische Kräfte. Die erforderliche Kraft zum Einziehen des Fahrwerkes an einem Zeitpunkt ändert sich also zusätzlich nach dem momentanen Lastvielfachen und den aktuellen aerodynamischen Kräften.
Fig. 3 zeigt einen typischen, maximalen Lastenverlauf am Aktuator bezogen auf die Fahrwerksposition. Das max. erlaubte Lastvielfache ist im Kurvenverlauf mitberücksichtigt (Es verursacht generell eine Parallelverschiebung der Kurve nach oben). Es ist an dieser Stelle anzumerken, dass dieser Lastenverlauf als unbe- einflussbare Festgröße zu betrachten ist. Die zusätzliche, maximale, aerodyna- mische Last wurde hier nicht berücksichtigt. Sie ist jedoch sowohl numerisch als auch experimentell separat bestimmbar. Wäre diese in Fig. 3 berücksichtigt, würde der Kurvenverlauf somit keinen typischen Maximallastenverlauf, sondern die maximale Lastgrenze darstellen. Die Darstellung in Fig. 3 mit dem Maximal- lastenverlauf ohne aerodynamischen Anteil ist hier zum Erläutern des zu beschreibenden Steuerprinzips zweckdienlich.
Die Grundlagen der vorliegenden Erfindung sowie die Zusammenhänge zwischen der Verstellgeschwindigkeit des Aktuators und der Energiebedarf während des Einziehvorganges werden im Folgenden beschrieben:
Die hydraulische Kraft F wird im Allgemeinen geschrieben als:
F = Ap -A GL(1) wobei F : Kraft [N] p : Differentialdruck in der Kolbenkammer [Pascal] A: Fläche [m2] sind.
Mit GL. (1 ) kann man den erforderlichen Differentialdruck bei einer vorgegebe- nen Kraft und bekannten Aktuatorabmessungen leicht bestimmen. Die Beziehung lässt sich auch formulieren als:
Ap - F ~L GL(2)
Hierbei ist der Differentialdruck Δp nichts anders als der Druck bei einer Gleichgewichtssituation (Stall Pressure, die Aktuatorkraft steht mit der Außenlast im Gleichgewicht.) Die aktuelle Gesamtlast L ändert sich mit dem Einziehwinkel des Fahrwerkes. Es ist an dieser Stelle zu bemerken, dass die Kraft F aufgrund des Wirkungsgrades ηmech nicht exakt der Gesamtlast L entspricht. Der Wirkungsgrad hängt von den mechanischen Begebenheiten und manchmal sogar von der Laufrichtung ab. Es gilt:
F =- GL(3)
V1 mech
Die hydraulische Leistung P ist ein Produkt von Differentialdruck Δp und dem momentanen Durchfluss.
Die Definition läßt sich schreiben:
P = Ap -Q GL(4)
Bei einer bekannten Kolbenfläche A ist die Hubgeschwindigkeit v eines Aktua- tors:
v = -^ GL(5)
Der Leistungsbedarf lässt sich aus GL(4) und GL(5) ermitteln:
P = Ap -V- A GL(6)
Nach der GL(6) hängt der Leistungsbedarf bei einer vorgegebenen Kolbenfläche und einem Differentialdruck nur von der Verstellgeschwindigkeit des Aktuators (Hubgeschwindigkeit) ab.
Für die Geschwindigkeitskontrolle während der Endphase der Betätigung gilt Folgendes:
Neben der allgemeinen Geschwindigkeitskontrolle (d.h.: Begrenzung der maximalen Geschwindigkeit) stellt die Endlagendämpfung eine der wichtigsten Anfor- derungen beim Ein- u. Ausfahren des Fahrwerkes dar. Ihre Aufgabe besteht dar- in, die große Masse der bewegten mechanischen Komponenten am Ende der Betätigung mit adäquater Dämpfung abzubremsen.
Zur Endlagendämpfung benutzen konventionelle Hydraulikaktuatoren, die mit konstantem Versorgungsdruck betrieben werden, in den meisten Fällen Widerstandsdrosseln, die streckenabhängig geschaltet werden. Nicht selten werden so genannte Schwimmkolben zusätzlich als Ergänzung eingesetzt. Derartige Einrichtungen werden in der angelsächsischen Literatur ,Snubbing device' bezeichnet. Es handelt sich bei diesen Einbauten um eine Einrichtung, die ab einer be- stimmten Kolbenposition die Fließmenge der hydraulischen Flüssigkeit so einschränkt, dass die Geschwindigkeit des Systems - und damit letztendlich die Stoßwirkung an der Systemstruktur - gedämpft wird. Im konventionellen System mit konstantem Versorgungsdruck sind die Parameter einer derartigen Einrichtung vorab festgelegt und während des Betriebes nicht veränderbar. Als Para- meter sind zum Beispiel Startposition der Dämpfung bzw. deren Wirkungsstärke, Richtungsabhängigkeit usw. zu nennen.
Fig. 4 zeigt den Zusammenhang zwischen Geschwindigkeitsprofil und resultierendem Leistungsbedarf bei einer vorgegebenen Last beispielhaft. Die abrupte, stufenartige Änderung im Geschwindigkeitsprofil ist auf die feste Endlagendämpfung zurückzuführen (siehe Fig. 5). Es entsteht außerdem eine Spitze im Leistungsbedarf. Die Leistungsdifferenz zwischen Minimum und Maximum beträgt über 1000 W bei dem vorliegenden Beispiel. Der Wirkungsgrad beträgt etwa 0,807.
Wird die Systemoperation mit optimierter Endlagendämpfung anhand des EHA- Prinzips durchgeführt, ergibt sich Folgendes: Die Verstellgeschwindigkeit des Aktuators ist am EHA mit Hilfe der Motordrehzahl leicht zu steuern. Die Endlagendämpfung kann somit leicht realisiert werden, ohne zusätzliche Einrichtungen zu benutzen. Im Prinzip kann das Geschwindigkeitsprofil eines konventionellen Systems nachgeahmt werden. Jedoch ist dies nicht sinnvoll, da der Wirkungsgrad durch die abrupte Beschleunigung und Abbremsung nicht hoch ist. Fig. 6 zeigt ein verbessertes Geschwindigkeitsprofil und den dazugehörigen Energiebedarf bei einem vorgegebenen Lastenverlauf. Das Geschwindigkeitsprofil in der Endphase wurde mit einer Cos2-Rampe angepasst, damit eine sanfte Abbremsung ermöglicht wird. Obwohl hier beispielhaft nur die Endphase mit der Cos2-Rampe dargestellt wurde, lässt sich die Beschleunigung theoretisch auch während der Anfangsphase durch eine Cos2-Rampe darstellen. Es ist an dieser Stelle anzumerken, dass die Last in Fig. 6 denselben Verlauf wie in Fig. 4 aufweist. Die Leistungskurve ergibt sich durch die beiden wegabhängigen Parameterverläufe von Lastprofil und Verstellgeschwindigkeit automatisch. Im Vergleich zu der konventionellen Methode in Fig. 4 weist diese Operationsmethode mit optimierter Endlagendämpfung einen reduzierten Maximalleistungsbedarf auf. Das Maximum beträgt nur noch 826 W und die Differenz zwischen dem Maximum und Minimum beträgt weniger als 800 W. Der Wirkungsgrad weist mit 0,887 ebenfalls eine Verbesserung gegenüber dem in Fig. 4 dargestellten kon- ventionellen System auf. Die Verbesserung des Wirkungsgrads ist auf die sanfte Abbremsung zurückzuführen.
Darstellung der Erfindung Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst hohe Gewichtsreduzierung am Antriebssystem des Fahrwerkes bzw. eine signifikante Systemvereinfachung zu erzielen. Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit einer neuen Betriebsmethode eines Flugzeugfahrwerkes. Die vorliegende Erfindung kann auf dem EHA-Prinzip aus dem Stand der Technik basieren, jedoch sind auch andere bzw. davon abweichende Ausgestaltungen von der Erfindung umfasst.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Vorteil- hafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Systemoperation mit Konstantleistung zur Betätigung eines Flugzeugfahrwerkes wird im Folgenden beschrieben. Danach werden weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert:
Das neue Verfahren nach der vorliegenden Erfindung basiert auf der bekannten (vorab bestimmten) Gesamtarbeit bei vorgegebener Aktuatorgröße.
Die mechanische Arbeit ist definiert als:
W = F -d GL(7)
wobei W : Arbeit [Joule] = [Nm] = [ws] F : Kraft [N] d : Abstand [m] sind.
Der Abstand ist hier nichts anderes als der Hub h im Falle eines Aktuators. Nach GL(2) hängt die Kraft F von der aktuellen Position ab.
Also ist F eine Funktion von h:
F = /(A) GL(8)
Beim Einziehen des Fahrwerkes ist der erforderliche Differentialdruck Δp nach GL(2) vorgegeben. Der Druck ist von der aktuellen Position abhängig.
Mit Hilfe von GL(7) und GL(8) kann die Gesamtarbeit Wtotai über den gesamten Hub bestimmt werden.
Die gesamte mechanische Arbeit Wtotai für den Einziehvorgang ist somit:
K,ai GL(9)
Figure imgf000009_0001
Die Leistung ist der Differentialquotient der Arbeit nach der Zeit und hat die Einheit [watt] oder [Joule/sec].
Der Mittelwert der Leistung Pm bei einer vorgegebenen nominalen Betätigungs- dauer Δt ist deshalb:
Pm = ^f GL(10)
Nach GL(4) kann der aktuelle Durchfluss an einem beliebigen Punkt h wie folgt geschrieben werden:
[
Qm =- GL(11)
AP, (JO
Die aktuelle Geschwindigkeit an einem beliebigen Punkt h ergibt sich aus GL(5) und GL(11):
Figure imgf000010_0001
Sollte das System durch eine vorgegebene Leistungsgrenze eingeschränkt werden, wie z.B. mit einem arithmetischen Mittelwert der Leistung über die Betäti- gungszeit von der GL(10), ergibt sich die aktuelle Verstellgeschwindigkeit aus GL(3), (9), (10) und (12):
Figure imgf000010_0002
Diese gefundene Verstellgeschwindigkeit v(h) ist die singuläre Geschwindigkeit, womit der Leistungsbedarf während der gesamten Betätigungsdauer konstant gehalten wird. Da die Verstellgeschwindigkeit mit der Drehzahl der Pumpe gesteuert wird, ist die Drehzahl der Pumpe noch zu bestimmen:
6 ~0~ -v V,, (A„) -A n X(hh)) = - GL(14)
wobei ri(h) die Umdrehung pro Minute [UPM],
V(h) die Verstellgeschwindigkeit des Aktuators [m/s],
A die Kolbenfläche [m2] und d die Fördermenge pro Pumpenumdrehung [m3] sind.
Mit dieser positionsabhängigen Pumpendrehzahl ist man in der Lage, den Leistungsbedarf über die gesamte Betätigungsdauer konstant zu halten.
Kurze Beschreibung der Figuren Es zeigen:
Fig. 1 : Das Prinzip eines EHA (Electro-Hydrostatic-Actuator)
Fig. 2: Ein Prinzipschema eines einziehbaren Flugzeugfahrwerkes
Fig. 3: Ein typischer, maximaler Lastenverlauf am Aktuator bezogen auf die Fahrwerksposition
Fig. 4: Zusammenhang zwischen Geschwindigkeitsprofil und resultieren- dem Leistungsbedarf bei einer vorgegebenen Last;
obere Darstellung: Last ~ Δp, Druck am Zylinder fest vorgegeben durch Geometrie etc.; zweite Darstellung: Verstellgeschwindigkeit ~Q, Durchfluß fest bedingt durch Endlagendämpfung; dritte Darstellung: Leistungsbedarf Ergebnis: Leistungsprofil als Resultat von Last und Verstellgeschwin- digkeit; unterste Darstellung: Position
Resultat
Fig. 5: Grund der abrupten Verstellgeschwindigkeitsänderung, Entstehung des Geschwindigkeitsprofils mit einer Konstantgeschwindigkeits- phase
Fig. 6: Zusammenhang zwischen Geschwindigkeitsprofil und resultierendem Leistungsbedarf bei einer vorgegebenen Last - optimierte Endlagendämpfung anhand des EHA-Prinzips;
obere Darstellung: Last ~ Δp, Druck am Zylinder fest vorgegeben durch Geometrie etc.; zweite Darstellung: Verstellgeschwindigkeit ~Q, Durchfluß fest bedingt durch Endlagendämpfung; dritte Darstellung: Leistungsbedarf Ergebnis: Leistungsprofil als Resultat von Last und Verstellgeschwindigkeit; unterste Darstellung: Position
Resultat
Fig. 7: Arith metrische Mittelwertbildung für die erforderliche physikalische
Arbeit;
obere Darstellung: Physikalische Arbeit für die gegebene Rahmenbedingung als fixe Größe = Fläche unter dem Verlaufsprofil
untere Darstellung: Equivalente Arbeit = gleich große Fläche wie bei oberer Darstellung jedoch ohne Verlaufsprofil Fig. 8: Zusammenhang zwischen Geschwindigkeitsprofil und resultierendem Leistungsbedarf bei einer vorgegebenen Last - Operation mit Konstantleistung;
obere Darstellung: Last ~ Δp, Druck am Zylinder fest vorgegeben durch Geometrie etc.; zweite Darstellung: Verstellgeschwindigkeit ~Q, Durchfluß als Resultat; dritte Darstellung: Leistungsbedarf Ergebnis: Leistungsprofil als neue vorgegebene Bedingung unterste Darstellung: Position
Resultat
Bester Weg zur Ausführung der Erfindung Der geschilderte Sacherhalt wird zur praktischen Ausführung anhand einiger Figuren grafisch noch einmal erläutert:
Die physikalische Arbeit, die zum Einziehen des Fahrwerkes benötigt wird, kann man gemäß GL(9) durch Bestimmung der Fläche unterhalb der Leistungskurve berechnen. Bei einer vorgegebenen Betätigungsdauer, z.B. 10 sec (Fig. 4 und Fig. 6), kann man dann eine Durchschnittsleistung bestimmen, indem man durch Dividieren der Gesamtarbeit durch die Zeitspanne einen arithmetischen Mittelwert bildet. Fig. 7 verdeutlicht diesen Sachverhalt schematisch. Sollte der Wirkungsgrad bekannt sein, kann man den absoluten Leistungsmittelwert berechnen (Idealfall: kein Verlust). Man kann nun das Niveau des Mittelwertes als neu- en Leistungsverlauf nutzen und in Kombination mit einem vorgegebenen, bekannten Lastverlauf ein neues Geschwindigkeitsprofil berechnen. Mit anderen Worten wurde das Geschwindigkeitsprofil von Fig. 4 bzw. Fig. 6 so modifiziert, dass der Leistungsbedarf über die gesamte Betätigungsdauer konstant bleibt. Die obligatorische Bedingung hierbei ist, dass die absolute Gesamtarbeit für die Mission gleich bleibt. Bei dem vorliegenden Fall eines Flugzugfahrwerkes ist diese Vorgehensweise möglich, weil die erforderliche Gesamtarbeit von der Auslegung/Simulation her bekannt ist und das Ein-, u. Ausfahren eines Flugzeugfahrwerkes eine stets unter ähnlichen Bedingungen verlaufende Routine darstellt. Da es sich bei der Lastkurve in Fig. 4 und Fig. 6 um die Maximallast als die Obergrenze aus numerischen Simulationen handelt, liegt der tatsächliche Leistungsbedarf im Realfall immer unterhalb der Kurve.
Fig. 8 veranschaulicht diesen Sachverhalt. Es gibt keine extremen Werte in der Leistungskurve mehr, da deren Verlauf als arithmetischer Mittelwert einen horizontalen Verlauf aufweist. Im vorliegenden Beispiel ist die erforderliche Leistung mit ca. 540 W im Vergleich zu 1060 W aus Fig. 4 erheblich gesunken, obwohl die Last genau dieselbe war. Der Wirkungsgrad verbessert sich auf den maximal möglichen Wert von 0,9 (bei theoretischer Betrachtung). Die Verbesserung des Wirkungsgrades ist auf die Abwesenheit des (abrupten) Abbremsvorgangs zurückzuführen. Der 10%ige Restverlust rührt von mechanischen Teilen des Systems her.
Gewerbliche Anwendbarkeit Der Hauptgewinn dieser Operationsmethode ist die Reduzierung des erforderlichen Leistungsniveaus durch die vollständige Eliminierung der Spitze am Leistungsbedarf. Die Größe des Hydraulikaggregates kann durch diesen Sachverhalt erheblich reduziert werden. Ein Hydraulikaggregat, bestehend aus einem Motor und einer Pumpe, das nur noch eine maximale Leistung von 540 W benö- tigt, wird mit Sicherheit kleiner und leichter dimensioniert sein als eines mit 800- 1100 W. Des Weiteren weisen derartige Motoren auch eine kleinere Leistungselektronik und dünnere Kabel auf. Es ergeben sich nennenswerte Gewichtsreduzierungen, diese tragen zur effizienteren Gestaltung des gesamten Systems und darüber hinaus auch zur Nutzlasterhöhung des Flugzeuges wesentlich bei. Sollte man dieses Operationsprinzip schon bei der Konzeptionsphase des Systems berücksichtigen, lässt sich das System wesentlich energieeffizienter gestalten. Des Weiteren kann das Systemeigengewicht im Vergleich zum konventionellen System signifikant reduziert werden.
Es ist anzumerken, dass das beschriebene Operationsprinzip mit der Konstantleistung unabhängig von der Betätigungsart einzusetzen ist. Es ist also sowohl für mechanische als auch für hydraulische Betätigungen gleichermaßen anwendbar.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Betätigung von Luftfahrzeugfahrwerken, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellgeschwindigkeit des Luftfahrzeugfahrwerkes über die gesamte oder über einen überwiegenden Teil der Verstelldauer derart gewählt wird, dass der Leistungsbedarf zur Verstellung des Luftfahrzeugfahrwerkes konstant oder annähernd konstant ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verstel- lung des Luftfahrzeugfahrwerkes ohne Endlagendämpfung erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leistungsmittelwert bestimmt wird und dass die Verstellgeschwindigkeit bei vorgegebener Last aus dem Leistungsmittelwert bestimmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtarbeit zur Betätigung des Luftfahrzeugfahrwerkes bei vorgegebener Last ermittelt wird und dass der Leistungsmittelwert aus der Gesamtarbeit über die Verstelldauer gebildet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der vorgegebenen Last um eine maximale Last handelt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass eine durch Auslegung ermittelte maximale Leistungsgrenze für eine Antriebseinheit zur Betätigung von Luftfahrzeugfahrwerken existiert und dass die Verstellgeschwindigkeit derart gewählt wird, dass der tatsächliche Leistungsbedarf über die gesamte Verstellbewegung unterhalb der maximalen Leistungsgrenze liegt.
7. Verfahren zur Auslegung einer Antriebseinheit zur Betätigung von Luftfahrzeugfahrwerken, dadurch gekennzeichnet, dass bei vorgegebener Last ein Leistungsmittelwert bestimmt wird, der zur Betätigung des Luft- fahrzeugfahrwerkes benötigt wird und dass dieser Leistungsmittelwert der Auslegung zugrundegelegt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtarbeit zur Betätigung des Luftfahrwerkes bestimmt wird und dass der Leistungsmittelwert aus der Gesamtarbeit bestimmt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Last eine maximale Last darstellt.
PCT/DE2007/001574 2006-09-04 2007-09-03 Optimierte operationsmethode zur betätigung von luftfahrzeugfahrwerken WO2008028473A1 (de)

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DE200610041483 DE102006041483A1 (de) 2006-09-04 2006-09-04 Optimierte Operationsmethode zur Betätigung von Luftfahrzeugfahrwerken

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