Auch Fluglinien müssen ihre Kosten im Griff haben. Verbund-werkstoffe und Titan anstelle von Aluminium und Stahl und neue Fly-by-wire-Systeme helfen Kosten senken 

 

Alle Flugzeugkonstrukteure sind bestrebt, die pro Passagier errechneten Baukosten möglichst gering zu halten. Geringeres Gewicht der Konstruktion und weniger Treibstoffverbrauch durch Fly-by-wire sind die wesentlichen Ansatzpunkte, die als Nebeneffekt auch geringere Umweltbelastung bedeuten. Die Flugzeug-bauer setzen auf neue Werkstoffe wie Verbundwerkstoffe und Titan anstelle von Aluminium und Stahl und die Fly-by-wire-Technik, um die erforderlichen Einsparungen zu realisieren und den Fluggesellschaften über die gesamte Gebrauchsdauer eines Flugzeugs kostengünstigen Betrieb zu ermöglichen. Die Industrie steht immer stärker vor der Herausforderung, Flugzeuge zu bauen, die die Umwelt weniger belasten und, insbesondere bei Verkehrs- und Frachtflugzeugen, mit geringeren Kosten über einen längeren Zeitraum zu betreiben sind. Angesichts der hohen Entwicklungskosten für neue Technologien setzen die Flugzeugbauer verstärkt auf Zusammenarbeit.

Jedes Unternehmen, das auf dem globalen Flugzeugmarkt bestehen will, muss über die erforderliche technische Kompetenz und ein weltweites Netz zur technischen Unterstützung verfügen. Vor drei Jahren rief SKF einen eigenen Flugzeugbereich ins Leben, in dem die fünf Kompetenzgesellschaften der SKF Gruppe der Schlüssel­technologien für aktuelle und zukünftige Flugzeugkonstruktionen zusammenarbeiten.

SARMA bietet dabei ein ganzes Sortiment an Produkten und Technologien für den modernen Flugzeugbau an. SARMA ist der europaweit führende Hersteller von Sonderlagern und integrierten Lagern für die zivile und militärische Luftfahrt. Das Unternehmen besteht seit 1932 und gehört seit 1975 zur SKF Gruppe.

SARMA fertigt drei weitgefächerte Gruppen von Produkten, die an vielen Stellen im Flugzeug zu finden sind:

• Gestänge aus Metall und Verbundwerkstoffen als strukturelle Bauteile und für die Flugsteuerung,
• Wälzlager und Gelenkköpfe für Fahrwerk, Flugregelung, Tragflächen und Motorgestänge und
• eine große Anzahl mechatronischer Bauteile wie Positions- und Kraftmesswandler sowie Hub- und Schwenkzylinder zur Betätigung von Bedienelementen im Cockpit, der Flugsteuerung und der Türen.

 

Die Produktentwicklung bei SARMA ist bestrebt, mit Hilfe neuer Werkstoffe und Bearbeitungsverfahren diese Technologien fortzuentwickeln. Das Unternehmen hat erst vor kurzem als Erweiterung des Hauptsitzes in Frankreich ein neues Zentrum für Fertigung, Forschung und Entwicklung, Prüfung, Qualitäts- und Informationstechnik errichtet.

Prozesstechnologie ist ein Schwerpunkt von SARMA. Bei der Verarbeitung von Verbundwerkstoffen ist das Unternehmen führend. So ist der Resin Transfer Moulding Prozess, RTM, ein Verfahren, das SARMA speziell zur Herstellung von Gestängen aus Verbundwerkstoffen aus Kohlefaser und einem Polymerharz entwickelt hat. Verbundwerkstoffe zeichnen sich durch hervorragende mechanische Eigenschaften und geringe Dichte aus und sind so eine gute Alternative zu Stahl und Aluminium.

Alle Bauteile werden mit einem CAD-System entwickelt, das selbstverständlich Konstruktions- und Belastungsberechnungen einbezieht. Der Kohlefaserwerkstoff wird vollautomatisch zugeschnitten, damit die Abmessungen möglichst genau eingehalten werden; dann folgen Vorformen und Spritzgießen. Das Harz muss so eingespritzt werden, dass es sich absolut gleichmäßig in der Form verteilt. Eine Vakuumpumpe auf der Gegenseite der Form „zieht“ das Harz gleichmäßig durch den Werkstoff. Nach der Entnahme aus der Form wird das Werkstück poliert, mechanisch bearbeitet, geprüft und verpackt. Mit RTM können komplexe Formen mit wiederholbarer Genauigkeit und höchster Oberflächengüte hergestellt werden.

Bei Bauteilen aus Metall wendet SARMA auch das Gesenkschmieden an, bei dem ein symmetrisches oder asymmetrisches Rohrprofil auf einen bestimmten Durchmesser reduziert wird. Der Durchmesser eines Rohrs wird mit Eintauch-Gesenkschmieden verringert. Dabei wird das Rohr axial in die geöffneten Formen eingeführt; die Formen schließen und die eigentliche Formgebung findet statt. Beim Gesenkschmieden mit stillstehender Spindel wird das Rohr, das sich um die eigene Längsachse dreht, axial mit gleichbleibender Geschwindigkeit durch oszillierende Formen geführt. So kann man beispielsweise das Rohr mit einem Innenprofil versehen.

Flugwerkgestänge aus Metall oder Kompositwerkstoff betätigen die Flugsteuerung, das Fahrwerk und den Flügelkasten. Der Flügelkasten ist in den Rumpf integriert und wird vom Vorder- und Hinterholm in Position gehalten. Auf ihn wirken Zug- wie auch Druckbelastungen. Daneben dient der Flügelkasten auch als Treibstofftank, so dass das Gestänge, das die Konstruktion stabilisiert und hält, kerosingetränkt ist. Die SARMA-Ingenieure haben die Möglichkeit zur Gewichtseinsparung bei Verwendung von Verbundwerkstoffen und Aluminium untersucht. Wenn die Streben im Flügelkasten als Verbundwerkstoff-Gestänge ausgeführt werden, wird die Konstruktion um 40 % leichter.

Die Aufgabe von SARMA war ursprünglich die Entwicklung von Lagersystemen. Heute umfasst das Sortiment gesenkgeschmiedete Gelenkköpfe, patentierte Speziallager (geteilte Kugel) und geteilte Gleitlager. 2004 kündigte SKF ein Sortiment leichter Titan-Gleitlager an, die in Anwendungen wie Fahrgestell, Pylone und Tragflügel Gewichtseinsparungen von bis zu 40 % ermöglichen. Zehn verschiedene Anwendungen wurden festgelegt, unter anderem ein Lager zur Pylonenbefestigung am Tragflügel, ein Zapfenlager und zur Betätigung des Querruders eine Strebe mit Gelenkkopf. Zum ersten Mal wird dieses Lager im Airbus A380 eingesetzt, der 2006 in Dienst gestellt wird. Mit diesem Lager kann der A380 pro Fahrwerk 45 kg Gewicht einsparen, das Bugfahrwerk mitgerechnet, insgesamt also 110 kg pro Flugzeug.

Für dieses Lager mussten die Oberflächeneigenschaften von Titan verändert werden, da sich Titan nicht so bearbeiten lässt wie die herkömmlichen Werkstoffe. Dazu waren ein gewisses Maß an technischer Neuentwicklung, ein neuer Fertigungsprozess und hochentwickelte Legierungen und Beschichtungen erforderlich. Das Ergebnis ist ein patentiertes geteiltes Kugellager.

Der dritte große Bereich von SARMA ist die Fly-by-wire-Technologie. Als Entwicklungspartner für die Flugsteuerung im Airbus A320 hat das Unternehmen bereits sehr früh auf Fly-by-wire gesetzt. Dieses Konzept ist außerordentlich vielseitig: als Schnittstelle zwischen dem Piloten und den Rechnern zur Flugsteuerung, zur Steuerung des Flugzeugs beim An- oder Ausrollen bei Start oder Landung; zur Steuerung des Vorwärts- und Rückwärtsschubs jedes Triebwerks; zur Betätigung von Bremsklappen und Bremsen sowie zur Betätigung von Nebenaggregaten wie Türen und Klimaanlage. So hat SARMA einen Hubzylinder für die Tür in den Businessjets Dassault Falcon 900 und 2000 entwickelt, der im Betätigungsmechanismus eingebaut ist.

Der Hubzylinder ersetzt ein äußerst wartungsintensives mechanisches System, das zu viel Reibung aufwies und mit einer für die Anwendung zu hohen Geschwindigkeit lief. Die Einheit besteht aus zwei Baugruppen: der Haupt-Baugruppe aus einem vierstufigen Untersetzungsmotor, einem bürstenlosen Drehstrommotor und einem Potentiometer, das die Stellung der Tür überwacht.

Eine zweite Baugruppe steuert den Motorstrom und damit die Geschwindigkeit, mit der die Türen öffnen und schließen.
Für solche Anwendungen setzt SARMA Fly-by-wire- Technik, Positions-, und Kraftmesswandler sowie Hub- und Schwenkzylinder ein. Ein Beispiel ist die Drosselung, die die „Anweisungen“ des Piloten an das Triebwerk übermittelt. In dieser Plug-and-Play-Unit sind analoge und digitale Steuertechnik und Schnittstellen mit der Steuerung und Überwachung des Triebwerks verknüpft. Zu den Funktionen gehören eine Selbstdrosselung und andere ergonomische Funktionen.

Im neuen A380 soll ein Trimmsystem als Bestandteil der Heck-Sektion eingesetzt werden, mit dem das Leitwerk zur Stabilisierung des Flugzeugs von +2 ° auf -10 ° eingestellt werden kann. Das System besteht aus einer Lagerung, die Dreh- und Befestigungspunkt für den trimmbaren horizontalen Stabilisator bildet, der die horizontale Lage (Nicken / Kippung) des Flugzeugs regelt. Ein Hubzylinder steuert langsam das Drehgelenk, um den Winkel des horizontalen Stabilisators einzustellen und jede Abweichung des Höhenruders auf Befehle des Piloten oder Autopiloten auszutrimmen. In diesem Fall dreht sich der horizontale Stabilisator um die beiden horizontalen Gelenklager.

Die Lagerung des Trimmsystems besteht aus einer ausfallsicheren Verbindung und einem Metall-Metall-Gelenklager. Der Körper dieser Gelenkverbindung besteht aus Titan und wird zum Schutz vor galvanischer Korrosion eloxiert. Er muss den durch diese Belastungen hervorgerufenenRadial-Druckbelastungen, Axial-Zugbelastungen und Ermüdungsbelastungen standhalten. Die Maximalbelastung des äußeren Gelenks beträgt 1.300 kN, die Axialbelastung des Gelenkgestänges 500 kN. Das Leitwerk und sein Betätigungssystem sind für die Sicherheit des Flugzeugs außerordentlich wichtig, und daher wurde ein zweites „Sicherheits“-System installiert.

Stabilität und Steuerung sind auch am Bug wichtig. Der Airbus A320 und A330/340 hat eine Bugrad-Lenkeinheit von SARMA. Diese neue Steuerung des Flugzeugs auf der Start- und Landebahn vor dem Abheben und nach der Landung tritt nun an die Stelle eines mechanischen Systems. Die Steuerung „per Draht“ ist genauer und leichter, weil die mechanische Verbindung zwischen Cockpit und Hydrauliksystem wegfällt.
In jedem Flugzeug sitzen zwei solcher Einheiten, die die Position des Steuerknüppels an den Brems- und Steuercomputer übertragen. Dann geht der Befehl an die Hubzylinder der Servohydraulik, die das Bugrad bewegen. Für A330/340 haben die SARMA-Ingenieure auch eine Version mit Dämpfer entwickelt, die die Seitwärtsbewegungen des Hecks verringert, die beim Rollen den Komfort des Flugzeugs erheblich beeinträchtigen.

Die Tatsache, dass zahlreiche SARMA-Technologien und ­Produkte im A380 eingesetzt werden, ist der beste Beweis für das profunde Wissen und die Erfahrung des Unternehmens. SARMA arbeitet auch mit anderen großen Luftfahrtunternehmen (Boeing, Embraer, Bombardier) zusammen, die betriebliche Parameter ihrer Flugzeuge verbessern möchten.