Smarte Aktuator Konzepte für Elektromechanische und Elektrohydraulische Antriebe

 

Ziel des vorliegenden Projektes ist die Erforschung der Ausfallursachen von Axialkolbenmaschinen in EHAs (EHA-AKM) in der primären Flugsteuerung, sowie die Erarbeitung möglicher Optimierungsmaßnahmen.

 

Robustheit

Für den Schritt zum elektrifizierten Flugzeug sind höchstzuverlässige Linearaktoren in der Power-By-Wire Technologie für die primäre Flugsteuerung unerlässlich. Elektro-hydrostatische Aktuatoren (EHA) stellen den vielversprechendste Ansatz dar, erreichen jedoch aufgrund der Robustheit der eingesetzten Axialkolbenmaschinen (AKM) nicht die erforderlichen Standzeiten. Ziel des vorliegenden Projektes ist daher die Erforschung der Ausfallursachen von EHA-AKMs in der primären Flugsteuerung, sowie die Erarbeitung möglicher Optimierungsmaßnahmen.

Nutzen	Vorgehen
Robuste EHAs für die primäre Flugsteuerung	Identifizierung kritischer Verschleißstellen in der AKM
Erarbeitung von Optimierungspotentialen für EHA-AKM	Experimentelle tribologische Untersuchung der identifizierten Kontakte
Erkenntnisse über Pumpenverschleiß bei hochdynamischem Betrieb	Simulative Abbildung des Verschleißbilds
	Ableitung von Optimierungspotentialen

 

Aus hydraulischer Sicht ist die Pumpe einer EHA die verschleißanfälligste Komponente. Daher hängt die Lebensdauer einer EHA primär von der Lebensdauer der Pumpe ab. Verstärkt wird der Effekt durch die einsatzbedingten Betriebspunkte der EHA. Im Einsatz treten während des Betriebs von Luftfahrtgeräten kurzfristig hohe Stellgeschwindigkeiten, Lasthaltebetriebe, sowie häufige Drehrichtungswechsel auf. Bezogen auf die Betriebspunkte der eingesetzten Hydraulikpumpe bedeutet das zum einen die notwendige Bereitstellung von großen Leistungsreserven und zum anderen die Möglichkeit hohe Drücke bei möglichst niedrigen Drehzahlen halten zu können. Bei häufig auftretenden Drehrichtungswechseln wird das Mischreibungsgebiet durchfahren. Die Betriebsbedingungen im Einsatz sind somit höchst anspruchsvoll.

Im Rahmen dieses Projektteils wird daher das Verschleißverhalten bestehender AKMs bei Betrieb mit für EHAs typischen Lastkollektiven eingehend untersucht. Eine allgemeine Untersuchung auf Dauerlaufprüfständen von Liebherr Lindenberg (LLI) ermöglicht zunächst einen generellen Überblick über auftretenden Verschleiß und betroffene Kontaktstellen. Weiter wird hier eine experimentelle Datenbasis erhoben, die im weiteren Projektverlauf zur Validierung von Berechnungen und Simulationen in diesem und weiteren Arbeitspaketen dient.

Die gezielte Untersuchung kritischer Einzelkontakte, wie des Kolben-Buchse Kontakts oder des Gleitschuh-Steuerspiegel Kontakts, erlaubt schließlich eine wissenschaftliche Aufarbeitung der einzelnen Verschleißmechanismen.

Auf Basis der Erkenntnisse der experimentellen Untersuchungen der Einzelkontakte wird eine numerische Verschleißberechnung implementiert. Diese wird anschließend mit der aus den Dauerlaufversuchen ermittelten experimentellen Datenbasis validiert. Die so entstandene Verschleißmodellierung dient dem generellen Verständnis auftretender Verschleißmechanismen, sowie der Bewertung potenzieller Optimierungsmöglichkeiten. In einem abschließenden Arbeitsschritt werden schließlich Optimierungsmöglichkeiten abgeleitet.

 

Zustandsüberwachung

Durch die aktuell noch limitierte Lebensdauer von hochdynamischen Axialkolbenpumpen im Anwendungsgebiet der Luftfahrt bedarf es einer intelligenten Zustandsüberwachung zur Bestimmung des aktuellen Verschleißzustands und zur Ermittlung der Restlebensdauer der Pumpe. Im Verlaufe des Projekts werden in diesem Arbeitspaket für eine detaillierte Überwachung Sensoren in das Pumpengehäuse integriert über die Temperatur, Druck, und Körperschall gemessen werden. Zusätzlich wird im Rahmen des Arbeitspakets die Kontamination des Öls mittels Sensoren zu definierten Zeitpunkten überwacht, wodurch auf den Verschleiß der Pumpe rückgeschlossen werden soll. Zur Reduzierung der Testdauer wird eine Verschleißmatrix erstellt und definierte Verschleißzustände schrittweise manuell eingebracht. Die gewonnenen Erkenntnisse werden im Anschluss in Dauertests validiert.

Nutzen	Vorgehen
Signalbasierte Darstellung des aktuellen Pumpenzustands	Differenzierung bekannter Verschleißzustände
Modell zur Berechnung der Restlebensdauer	Sensorintegration in Prüfstand
Identifikation der Einflüsse unterschiedlicher Verschleißzustände	Zyklen Messungen mit definiertem Verschleiß
	Entwicklung eines intelligenten Zustandsüberwachungssystems

 

Zur Steigerung der Zuverlässigkeit der Hydraulikkomponenten, zur Vorhersage von Schadensfällen sowie zur geplanten Wartung werden Zustandsüberwachungen implementiert. Die Implementierung erfolgt nach aktuellem Stand unter hohem Einsatz von Expertenwissen, iterativ und experimentell. Weiterhin ist der Einsatz in der Luftfahrt aufgrund erhöhter Zuverlässigkeitsanforderungen und Zulassungswegen stark eingeschränkt.

In diesem Arbeitspaket wird der Lösungsraum für eine für die Luftfahrt geeignete Zustandsüberwachung der EHAs erarbeitet. Als Hauptverschleißteil liegt das Augenmerk hier stark auf den verbauten Pumpen. Dabei wird ein physikalisch motivierter und wissensbasierter Ansatz gewählt. So kann die erforderliche Nachvollziehbarkeit und Eindeutigkeit sichergestellt werden.

Nach einer initialen Systemevaluation werden verschiedene physikalische Größen bezüglich ihrer Eignung für eine Zustandsüberwachung betrachtet, ihre tatsächliche Korrelation mit fortschreitendem Verschleiß untersucht und physikalisch basiert modelliert. Betrachtete Größen sind der Fluidzustand, der thermische Haushalt, Druckimpulse sowie der Körperschall.

Die Überwachung des Fluidzustands stellt eine wichtige Größe für Zustandsüberwachungen dar. In einem ersten Arbeitspaket werden relevante, partikelproduzierende Betriebspunkte und tribologische Kontakte ermittelt. Ziel ist die Quantifizierung und Festlegung der Hauptakteure bei der Partikelentstehung. Anhand von Modellversuchen an Dauerlaufprüfständen des LLI soll eine realitätsnahe, empirische Abbildung des Partikelproduktionsmechanismus ermöglicht werden.

Für die Betrachtung des thermischen Haushalts der EHA wird eine thermo-hydraulische Systemsimulation aufgebaut. Anschließend wird die Thermik der relevanten tribologischen Kontakte simulativ betrachtet und in geeigneter Weise mit dem thermo-hydraulischen Simulationsmodell gekoppelt. So sind physikalische Rückschlüsse von Temperaturmessung auf den Zustand der Komponenten der EHA erreichbar.

Die Betrachtung des Körperschalls erfolgt mit Hilfe einer Mehrkörpersimulation der Pumpe. Auch hier wird zunächst ein herkömmliches Modell implementiert und schließlich mit einer Simulation der tribologischen Kontakte gekoppelt. So können typische Betriebszustände in variierenden Verschleißzuständen simuliert werden. Dabei werden neben der unbeschädigten Einheit ebenfalls verschlissene Bauteile montiert und vermessen. Ergebnis ist schließlich eine ganzheitliche Abbildung der Entstehungsmechanismen und des Übertragungspfades des Körperschalls. So können basierend auf den gemessenen Oberflächenbeschleunigungen physikalische Rückschlüsse auf den Zustand der Komponenten der EHA gezogen werden.

Zum Abschluss des Arbeitspakets Zustandsüberwachung steht eine Bewertung sowie die Ableitung eines für die Luftfahrt geeigneten Gesamtkonzepts.

 

Fluidkonditionierung und -Wartung

Die starke Kompaktheit hochintegrierter elektrohydraulischer Antriebe bedingt, dass die Eigenschaften der Hydraulikflüssigkeit das Systemverhalten maßgeblich bestimmen. Ein fehlerarmer initialer Befüllvorgang und die stringente Wartung bildet dabei die Grundlage für einen zuverlässigen Betrieb und große, sicher bestimmbare Standzeiten. Deshalb soll im Rahmen dieses Arbeitspakets die Hardware und Methodik für die direkte Befüllung und den Ölwechsel solcher Einheiten erarbeitet werden.

Nutzen	Vorgehen
Steigerung der Zuverlässigkeit	IBewertung und Klassifizierung möglicher Fehler
Längere Lebensdauer	Entwicklung von Methoden und Vorrichtungen für das initiale Befüllen und Wartung
Indirekte Kostenreduktion	Bau und Funktionsnachweiß am Demonstrator

 

Aufgrund der geringen Menge an Hydraulikflüssigkeit innerhalb eines elektrohydraulischen Antriebs beeinflusst die Fluidkontamination das Systemverhalten maßgeblich. Deshalb bilden ein definierter initialer Befüllvorgang und ein standardisierter Wartungsprozess die Grundlage für höhere Zuverlässigkeit, längere Lebensdauer und größere Standzeiten solcher Antriebe.

Um diese positiven Effekte zu nutzen wird in einem ersten Schritt der aktuelle Stand bezüglich Konstruktion und Prozess eingehend untersucht, um mögliche Fehler bei der Inbetriebnahme und Wartung offenzulegen. Anhand einer Bewertung der Fehlerauswirkung auf den Betrieb entsteht eine Fehlerklassifizierung, um die fundamentalen Einflussfaktoren auf die Güte des Fluids zu bestimmen.

Abschließend entstehen auf Basis der Untersuchungen Methodiken und detaillierte Ablaufpläne zur Fluidkonditionierung und Wartung. Der Funktionsnachweiß der Methoden erfolgt an einem speziell entwickelten Demonstrator.

 

Autofrettage

Aluminium weist im Vergleich zu Stahl niedrigere Festigkeitskennwerte auf, weshalb in hydraulischen Systemen der dauerhaft ertragbare Betriebsdruck von Aluminiumkomponenten deutlich geringer ausfällt. Dem kann durch das Erzeugen von Werkstoffeigenspannungen mittels des Autofrettageprozesses entgegengewirkt werden, jedoch existieren zurzeit keine definierten Auslegungs- und Berechnungsrichtlinien für solche Bauteile. Deshalb ist das Ziel dieses Arbeitspakets den Einfluss der Autofrettage auf die mechanischen Eigenschaften von Aluminiumkomponenten zu untersuchen und eine Gestaltungs- und Berechnungsmethodik herzuleiten.

Nutzen	Vorgehen
Wesentliche Steigerung der Dauerfestigkeit	Experimentelle Ermittlung der Werkstoffkennwerte
Reduktion der Bauteilmasse	Simulative Abbildung des Autofrettageprozesses
Fundiertes Modell der Lebensdauerberechnung	Analytische Vorhersage der Lebensdauer
	Validierung des Modells am Prüfstand

 

Autofrettage bietet die Möglichkeit die Lebensdauer hydraulischer Bauteile signifikant zu erhöhen. So kann die Zuverlässigkeit gesteigert werden, der Materialeinsatz sinkt und leistungsfähigere Komponenten können realisiert werden. Zum derzeitigen Zeitpunkt fehlen jedoch die nötigen Berechnungsgrundlagen der Lebensdauer autofrettierter Aluminiumbauteile.

Zur Herleitung einer Berechnungsmethodik werden rechnergestützte Methode zur Lebensdauerberechnung erarbeitet und die Ergebnisse mit Daten aus Lebensdauertests an autofrettierten Referenzbauteilen verglichen. Darauf folgend wird die Güte des Berechnungsmodells bestimmt.

Abschließend werden, auf Basis der gewonnenen simulativen als auch experimentellen Erkenntnissen, günstige Designparameter autofrettierter Aluminiumbauteile ermittelt und in Form einer Konstruktionsrichtlinie zusammengestellt.

 

Danksagung

Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) innerhalb des Rahmenkonzeptes „LuFo VI“ gefördert und vom Projektträger Luftfahrtforschung im DLR e.V. (PT-LF) betreut. Das ifas bedankt sich herzlich bei allen Projektteilnehmern.

  Urheberrecht: © BMWK   Urheberrecht: © DLR  

Veröffentlichungen

Titel	Autor(en)
Modellversuch für die experimentelle Untersuchung des Verschleißverhaltens des Gleitschuh-Schrägscheibe Kontakts Fachzeitschriftenartikel (2023)	Merkel, Philip Amos (Corresponding author) Schlegel, Felix Schmitz, Katharina
Identification of wear progression due to variating operation modes of small high dynamic piston pumps used in frontline flight control application Beitrag zu einem Tagungsband (2023)	Merkel, Philip Amos (Corresponding author) Duensing, Yannick Schmitz, Katharina
Degradation Identification of an EHA Piston Pump by Analysis of Load-Holding States Beitrag zu einem Tagungsband (2022)	Duensing, Yannick (Corresponding author) Merkel, Philip Amos Schmitz, Katharina
Modellversuch für die experimentelle Untersuchung des Verschleißverhaltens des Gleitschuh-Schrägscheibe Kontakts Buchbeitrag, Beitrag zu einem Tagungsband (2022)	Merkel, Philip Amos (Corresponding author) Schlegel, Felix Schmitz, Katharina
Investigating the Condition Monitoring Potential of Oil Conductivity for Wear Identification in Electro Hydrostatic Actuators Buchbeitrag, Beitrag zu einem Tagungsband (2021)	Duensing, Yannick (Corresponding author) Richert, Oliver (Corresponding author) Schmitz, Katharina (Corresponding author)
Electro-hydrostatic actuators in primary flight control - lifetime and reliability Beitrag zu einem Tagungsband (2021)	Merkel, Philip Amos Duensing, Yannick Schmitz, Katharina