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antriebstechnik 1-2/2021

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antriebstechnik 1-2/2021

GETRIEBE UND

GETRIEBE UND GETRIEBEMOTOREN ZAHNSTANGENGETRIEBE FLUGZEUGBAUTEILE AUF HERZ UND NIEREN GEPRÜFT Flugzeugkabinen können in starke Schwingungen geraten, die den Komfort und die Sicherheit der Passagiere beeinträchtigen. Die Technische Universität Hamburg entwickelt deshalb Dämpfungselemente, die Vibrationen verringern und zudem die Fertigung von Flugzeugteilen in Leichtbauweise ermöglichen sollen. Das Zahnstangengetriebe Lifgo 5.3 von Leantechnik spielt eine zentrale Rolle in dem Forschungsprojekt. 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. Diese Vibrationen entstehen u. a. durch Turbulenzen oder durch die 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. Sven Schürmann ist Marketingreferent bei der Leantechnik AG in Oberhausen Bei einer Unwucht in der Turbine kann es 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. GERINGERER EMISSIONSAUSSTOSS DANK LEICHTBAUWEISE 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 großes Interesse daran, die Kabinenelemente zu dämpfen. Bis­ 28 antriebstechnik 2021/01-02 www.antriebstechnik.de

GETRIEBE UND GETRIEBEMOTOREN her haben sich die Flugzeug-Hersteller allerdings hauptsächlich mit Dämpfungsmaßnahmen einzelner Komponenten, anstatt mit der Dämpfung der Flugzeug-Struktur als solches beschäftigt. Das würde eine aufwändige Grundlagenforschung erfordern, die sehr teuer ist. Deshalb haben sich die Hamburger Wissenschaftler um Projektleiter Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dieter Krause des Themas angenommen. ZIEL DES PROJEKTS Das 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, welche aus einem einstellbaren Federelement und einem einstellbaren Dämpfungselement bestehen. Es können z. B. Hydraulikdämpfer, bestehend aus zwei Fluid-Kammern, die durch einen schmalen einstellbaren Kanal miteinander verbunden sind, verwendet werden. In der Mitte des Elements befindet sich dann die Kolbenfläche, die sich nach links und rechts bewegt, um dabei 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, die eine dämpfende Wirkung hat. 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 (pd|z) 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 und in der Schweiz arbeitet Univ.-Prof. Dr.-Ing. Mirko Meboldt mit seinem Team an Impedanz- Elementen für die Robotik. ZAHNSTANGENGETRIEBE ERMÖGLICHTE TESTS 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 kostenintensiv wäre, entwickeln die Wissenschaftler Impedanz-Elemente, deren Steifigkeits- und Dämpfungsverhalten sich an den jeweiligen Testfall anpassen lässt. 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 Emil Heyden, Doktorand am PKT. „Wir haben am Markt zuerst keine passende Komplett-Lösung gefunden www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2021/01-02 29

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