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Systeme der Luft- und Raumfahrt

06. Hydrauliksysteme

PI
von Paul I.

Wie versorgen Segelflugzeuge und kleine Sportmaschinen den Funk sowie deren Avionik-Systeme?

Sie besitzen ein einfaches, batteriebetriebens Gleichstromnetz.


Wie versorgen Verkehrsflugzeuge den Funk, ECS sowie deren Avionik-Systeme?

Verfügen i. d. R. über drei Systeme zur Energieversorgung:

  1. Hydraulik, für hohe Stellkräfte (z. B. Fahrwerk, Steuerflächen)

  2. Elektrik (z. B. Avionik und Kabinensysteme)

  3. Zapfluft (z. B. Bedruckung und Klimatisierung der Kabine)

Welchem ATA Chapter wird die Hydraulik zugeordnet?

ATA 29

Welchem ATA Chapter wird die Elektrik zugeordnet?

ATA 24

Welchem ATA Chapter wird die Pneumatikzugeordnet?

ATA 36

Welche Aufgaben hat das Hydrauliksystem?

  • Stellantriebe der Primärsteuerung versorgen.

  • Stellantriebe der Sekundärsteuerung

  • Triebwerkssysteme (Blattverstellung, Umkehrschub)

  • Fahrwerkssysteme (Bugradlenkung, Radbremsenanlage, Fahrwerksbetätigung)

  • Stellzylinder für einfache Betätigungen (Türen, Treppen, Frachttore)

  • Hydraulikmotoren zum Antrieb von Notgeneratoren


Welche Vorteile haben Hydrauliksysteme gegenüber elektrischen Aktuatoren? (Nenne 4 Vorteile)

  • Hohe Kraftdichte (3000-8000 psi / 209 - 552 bar)

  • Geringes Leistungsgewicht (E-Motor/Hydraulik: 14/1)

  • Gutes Zeitverhalten

  • Geringer Raumbedarf

  • Lineare Bewegung einfach zu erzeugen

  • Günstige Wärmeabfuhr

  • Gute Steuerbarkeit/Regelbarkeit

  • Einfache Energieübertragung


Welche Nachteile haben Hydrauliksysteme gegenüber elektrischen Aktuatoren? (Nenne 4 Nachteile)

  • Hohe Herstellungsgenauigkeiten

  • Relativ hohe Verluste

  • Schmutzempfindlichkeit

  • Gefahr von Leckage und Leitungsbruch

  • Dichtungsprobleme

  • Relativ geringe Federsteifigkeit der Ölsäule

  • Temperaturabhängige Systemeigenschaften

  • Gifigtkeit der meisten Hydraulikflüssigkeiten


Welche Verhältnis haben leistungsgleiche Hydraulikmotoren gegenüber Elektromotoren hinsichtlich der Größe, Gewicht sowie Massenträgheit?

  • Gewicht 12:1

  • Größe 16:1

  • Massenträgheit 50:1

Zähle alle Komponenten auf, die zu einem Hydrauliksystem gehören.

  • Vorratsbehälter (Reservoir)

  • Pumpen

  • Akkumulator

  • Aktuatoren (Arbeitsanlagen)


Wie werden die Pumpen eines Hydrauliksystems unterschieden?

  • konst. Volumenstrom: Zahnradpumpen

  • variabler Volumenstrom: Axialkolbenpumpe


Wie werden die Steller und Akuatoren eines Hydrauliksystems unterschieden?

Können als Aktuator sowie als Servo eingesetzt werden:

  • Translatorische Stellbewegung: Differentialzylinder

  • Rotatorische Stellbeweung: Gleiches Prinzip wie Pumpen


Wie werden die Hydraulikflüssigkeiten eines Hydrauliksystems unterschieden?

  • Mineralöle

  • Schwer entflammbare Öle

  • biologisch abbaubare Flüssigkeiten


Welche Aufgaben habe Hydraulikflüssigkeiten?

  • Druckübertragung

  • Schmierung der Gleitflächen

  • Abfuhr der örtlichen Wärme

  • Korrosionsschutz


Welche Anfoderungen werden an Hydraulikflüssigkeiten gestellt?

  • Geringe Abhänigkeit der Viskosität von Druck und Temperatur

  • Niedrigker Stockpunkt

  • Hoher Flammpunkt

  • Gutes Verschleißschutzvermögen

  • Gutes Luft- und Wasserabscheidevermögen sowie geringe Schaumneigung

  • Chemische Stabilität, hohe Alterungsbeständigkeit

  • Geringe Dichte und Viskosität


Welche Hydraulikflüssigkeit kommt am häufigsten in der zivilen Luftfahrt zum Einsatz? Nenne je 2 Vor- und Nachteile dieser Flüssigkeit

HFD-Flüssigkeiten.


Vorteile:

  • großer Temperaturbereich

  • Schwer entflammbar

Nachteile:

  • giftig

  • viele Dichtungsstoffe werden angegriffen

  • hohe Dichte teilweise problematisch bei Pumpen



Wie viele Zahnräder fördern bei der (Außen-) Zahnradpumpe (Fixed Displacement Pumps = FDP) die Flüssigkeit?

2

Bezeichne die Komponenten der FDP (Fixed Displacement Pump)




Bezeichne die Komponenten der VDP (Variable Displacement Pump)



Welche Arten von Aktuatoren existieren?

  • Differentialzylinder

  • Gleichgangzylinder / Gleichlaufzylinder

Gleiches Ein- & Augsgangsvolumen, gleiche Kraft in beide Richtungen


Welchen Vorteil haben Servo-Systeme gegenüber reinen Hydrauliksystemen?

  • Flugzeugkomponete trotz Ausfall der Hydraulik funktionsfähig

  • Direktes Feedback bezüglich der benötigten Stellkräfte


Welches Aktuator-System wird heute verstärkt eingesetzt und was wird in Zukunft noch kommen?

Elektro-hydraulischer Aktuator (EHA)

  • Pumpe elektrisch angetrieben

  • Steuerung und Regelung erfolgt elektrisch

  • Feedback direkt möglich

Nächste Stufe: Elektro-mechanische Aktuatoren (EMA)

  • Verzicht auf Hydraulik (s. B 787 Spoiler)


Welche Einlüsse sind Problematisch für die Hydraulikreservoirs?

Welche Lösungen gibt es dafür?

  • Druckunterschiede -> Bedruckung der Reservoirs durch Druckluft

  • starke Beschleunigungen -> Horizonalte Bleche im Tank


Was sind die Aufgaben des Akkumulators im Hydrauliksystem?

  • Abfangen von Lastspitzen über kurze Zeitspannen

  • Notversorgung bei Ausfall einer Pumpe bis Backup-System aktiv ist

  • Dämpfung von Druckimpulsen bei Ein und Ausschalten von Arbeitsanlagen


Beschreibe die Komponenten des Akkumulator




Beschreibe die unterschiedlichen Komponenten des Filters:



Welche Filtersysteme werden im Hydrauliksystem eingesetzt?

  • Mikronfilter

    • Papierelement zum Abfangen von Partikeln

  • Offenporiger Sintermetallfilter

  • Magnetfilter

    • Filtern metallische Partikel aus der Hydrualikflüssigkeit


Was passiert wenn der Filter verstopft ist?

Die Systeme besitzen ein Bypass-Ventil.

Welche Funktion hat eine Power-Transfer-Unit (PTU)?

Bei Ausfall eines Hydraulikkreises kann die PTU Energie zwischen zwei Systemen übertragen.

  • Systeme besitzen getrennte Ölkreise

  • Energieaustausch in beide Richtungen möglich


Wie viele unabhängige Hydrauliksystem haben zivile Luftfahrzeuge in der Regel?

3 unabhängige Systeme:

  • Blau

  • Grün

  • Gelb

Jede Analage kann min. von zwei Systemen versorgt werden


Wo werden normalerweise die Hydrauliksysteme positioniert und warum?

  • Zur Wartung der Systeme müssen diesen gut zugänglich sein

  • Diese finden sich meist im Belly-Fairings

Welche Schritte beinhaltet die Standardwartung der Hydrauliksysteme?

  • Nachfülllen der Hydraulikflüssigkeit

  • Probenahme von Hydraulikflüssigkeit

  • Überprüfungauf ußere und innere Undichtigkeiten

  • Überprüfung der Filter und Austausch bei zu starker Verschmutzung


Wie können äußere Undichtigkeiten erkannt werden?

Durch austretende Hydraulikflüssigkeit

Wie können innere Undichtigkeiten erkannt werden?

  • Leak test system einsetzten

  • Lecks durch defekte Dichtungen in Aktuatoren

    • führt zu Flüssigkeitsaustausch zwischen den Druckkammern (zusätzlicher Massenstrom

    • erkennen durch:

Bedruckung des Systems & Messen des Massenstroms

-> erhöhter Massenstrom kann Leck sein


Welche Probleme können bei Reservoirs auftreten und welche Lösungen gibt es dafür?

  1. Zu wenig Hydrauliköl im System durch Änderung des Luftdrucks

  2. Aufschäumen, Verdampfen und Kaviation

  3. Schwappen der Flüssigkeit durch zu große Beschleunigungen->nicht genug Flüssigkeit im System verfügbar

Lösungen:

  • Bedrucken des Systems auf 50psi (3.4 bar) mit Zapfluft

  • Horizontale Bleche im Reservoir verhindern Schwappen


Wie kann ein Reservoir für Hydraulikflüssigkeit bedruckt werden?

  1. Bedruckung mit Zapfluft

  2. Selbstbedruckung mit Hydraulikdruck -> Bootstrap-Prinzip

  3. Mechanische Bedruckung mittels Feder


Was ist der Unterschied zwischen einem Akkumulator und einem Reservoir?

Akkumulator: Energiespeicher

Reservoir: Flüssigkeitsspeicher

Mit welchem Druck muss der Akkumulator bedruckt sein?

Mit dem Arbeitsdruck des Hydrauliksystems

Welche Aufgaben hat ein Akkumulator?

  • Abfangen von Lastspitzen

  • Notversorgung bei Ausfall einer Pumpe, bis das Backup-System eingreift

  • Dämpfung von Druckimpulsen bei Ein- und Ausschalten


Warum werden Filter im Hydrauliksystem eingesetzt?

Um die Kontamination mit Fremdstoffen zu reduzieren und den Verschleiß der Komponenten zu minimieren.

Wo werden die Filter im Hydrauliksystem eingesetzt?

In den Hochdruck- und Rücklaufleitungen

Welche Filtersysteme werden in Hydrauliksystemen eingesetzt?

  • Mikronfilter

    • Enthalten ein Papierelemen, welches Partikel beim Druchfluss auffängt

  • Offenporige Sintermetallfilter

  • Magnetfilter

    • Filtern metallische Partikel


Was passiert, wenn die Filter verstopft ist?

Um eine Funktionsunfähigkeit des Hydrauliksystems zu vermeiden, existiert ein Bypassventil.

Wie kann weiterhin ein Hydrauliksystem versorgt werden, wenn die Bedruckung des Systems ausgefallen ist?

Durch die Power Transfer Unit (PTU) kann Energie zwischen zwei Hydrauliksystemen übertragen werden. Die Ölkreisläufe bleiben getrennt und der Austausch ist in beide Richtungen möglich.

Welche Besonderheit hat die Systemarchitektur des A380?

Er hat anstatt 3 nur 2 Hydrauliksysteme und ein elektrisches System als Backup.

Anstatt 3000psi beträgt der Hydraulikdruck 5000psi um kleinere Rohrleitungen zu verwenden.

-> Masseneinsparung von 1200kg.

Welche Besonderheit hat die Systemarchitektur der B747-400?

Sie besitzt aufgrund der Redundanzforderungen 4 unabhängige Hydrauliksysteme und jeweils 2 verschiedene Pumpensysteme (EDP und ADP)

Welche Parameter werden bei der Auslegung eines Hydrauliksystems bestimmt?

  • Druckniveau

  • Fläche des Kolbens und Kolbenhub

  • Stellgeschwindigkeit

  • max. Fluidfluss

  • Rohrdurchmesser


Was sind Vorteile eines kleineren Rohrdurchmessers?

Für den min. Rohrdruchm. gibt es Abschätzungsformeln

  • Geringere Masse

  • Geringere Reibungungsverluste

  • Kl. Druckdifferenzen am Verbraucher

  • Geringere benötigte Kolbenfläche

    • ->Geringere Aktuatorgewichte


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Paul I.

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