Testzylinder für die Luftfahrttechnik im Flugzeugbau -
Test der Flugtauglichkeit des Airbus A380

Unterschiedliche Dichtungskombinationen sind das Erfolgsrezept für den größten Auftrag der Unternehmensgeschichte

Stick-Slip-Freiheit ist eine Grundvoraussetzung, wenn 163 Hydraulik-Zylinder computergesteuert exakt im Takt arbeiten und das größte Passagierflugzeug aller Zeiten testen. Denn um die Betriebsfestigkeit des neuen Airbus A380 im Flugbetrieb zu prüfen, simulieren Hydraulik-Zylinder die an Tragflächen, Triebwerksaufhängungen, Leitwerken, Klappen, Rumpf und Fahrwerk während des Flugbetriebs auftretenden wechselnden Kräfte. Über ein aufwändiges Regelsystem werden die Kräfte aufgebracht, die bei Start, Landung und Flug unter den unterschiedlichsten Normal- und Extrembedingungen auf das Flugzeug einwirken. So lassen sich mögliche Gefahren wie Material-Ermüdung sowie das Schadenstoleranzverhalten feststellen, bevor der A380 erstmals mit Passagieren abhebt.

„Die optimale Abdichtung zwischen Verschluss und Stange ist für Hänchen der Schlüssel zur Qualität“, so fasst es der geschäftsführende Gesellschafter Hartmut Hänchen zusammen. „Unser Technologievorsprung in diesem Bereich ist die Grundlage dafür, dass wir seit 35 Jahren am Test aller Airbus-Modelle beteiligt sind.“ Was Qualität bedeutet, zeigt sich an dem Schaden, den die Fehlfunktion eines einzigen Zylinder verursachen kann: Sie zerstört den teuren Prüfling und das Ergebnis von vielen Testmonaten oder gar Jahren. Der computergesteuerte Gleichtakt muss perfekt sein, um zu simulieren, wie sich das Flugzeug im jahrelangen Dauerbetrieb verhält. Gleichlauf-Zylinder sind für solche sensiblen Test- und Prüfaufgaben ein mechanisch optimaler Antrieb: Denn nur so reagiert eine Hydraulik in beide Hubrichtungen auf den anliegenden Druck mit dem gleichen Verhalten. Normale Zylinder in Differenzial-Bauweise können dagegen nur durch aufwändige elektronische Regelungs-maßnahmen ein weitestgehend symmetrisches Verhalten imitieren. Denn beim Differenzial-Zylinder ist kolbenstangenseitig die wirksame Kreisring-Fläche des Kolbens deutlich kleiner als die Kreis-Fläche auf der Verschluss-Seite. Um – insbesondere für dynamische Prüf- und Test-Aufgaben - in beiden Hubrichtungen dieselbe Fläche mit Druck zu beaufschlagen, verwenden Hydrauliker beim Gleichlauf-Zylinder einen fluidtechnischen Trick: Der Kolben erhält in jeder Hubrichtung eine Kolbenstange, auch wenn die zweite Stange nur die Funktion hat, für die nötige Symmetrie des Antriebs zu sorgen.

Doch die Grundlage für solche hochwertigen Prüfzylinder sind die Dichtungskombinationen, für deren ständige Weiterentwicklung Hänchen einen hohen Forschungs- und Entwicklungsaufwand betreibt.

Schon in der Grundausführung ist die Kolbenstangenführung eines Hänchen Hydraulik- Zylinders mit einem speziellen Kunststoff beschichtet. Ein zusätzlicher druckloser Lecköl- Anschluss mit abschließender Lecköl-Dichtung ermöglicht trotz dieser reibungsarmen Dichtungs-Paarungen eine praktisch leckagefreie Konstruktion mit minimaler Stick-Slip- Neigung. In den letzten Jahren dehnte Hänchen ein Konstruktionsmerkmal auf alle Katalog- Zylinder aus: Bei den meisten Katalog-Zylindern wird eine Kunststoff-Führung aufgespritzt und nachbearbeitet. Damit ist auch eine gewisse Aufnahme-Fähigkeit für Seitenkräfte gegeben. Diese Ausrüstung des kolbenseitigen Verschlusses ist heute unter dem Namen Servoslide® die Basis-Qualität bei Hänchen.

Unter dem geschützten Markennamen Servocop® bietet Hänchen eine Dichtungskombination, die trotz sehr hoher Leistung noch im mittleren Preissegment liegt. Durch einen zusätzlichen kolbenstangenseitigen Teflon-Ring und eine besonders hohe Fertigungsgenauigkeit werden ein geringes Führungsspiel und eine äußerst stick-slip-arme Bewegungen auch bei sehr niedrigen und sehr hohen Kolbengeschwindigkeiten erreicht: Selbst Geschwindigkeiten unter 0,02 m/s erfolgen völlig gleichmäßig, ein stick-slip-artiger Effekt tritt erst bei noch geringeren Geschwindigkeiten auf. Die Servocop®-Qualität deckt ein weites Spektrum von Prüfaufgaben ab, sodass alle Testzylinder-Typen mit dieser Dichtungs-Qualität ausgestattet werden können. Bei den Katalog-Zylindern sind dies die Reihen 126 Gleichlauf/Differenzial, 166 Gleichlauf, 306 Gleichlauf/Differenzial sowie 327 Gleichlauf. Die letztgenannte Baureihe entstand im Umfeld früherer Airbus-Versuche und ist besonders versteift. Die Servocop®-Qualität ermöglicht Geschwindigkeiten bis zu 4 m/s und kommt auch beim Test des Supervogels vielfach zum Einsatz, teilweise auch in Synchron-Zylindern mit verkürzter Bau-weise.

Wo bei dieser Simulation noch höhere Anforderungen bestehen, kommt die patentierte schwimmende Ringspalt-Dichtung der Servofloat®-Ausführung zum Einsatz. Hier verformt sich eine Büchse aus Stahl durch einen Drosselspalt und erzeugt so einen berührungsfreien Dichtspalt von wenigen 1/100 mm. Dieses Verfahren funktioniert aber nur bei einer Produktionsgenauigkeit im Bereich weniger µm, da ansonsten die Leckage zu hohen hydraulischen Verlusten führt. Diese Baureihe 328 unterscheidet sich nur in der etwas höheren Empfindlichkeit für Seitenkräfte von einem Kolben mit hydrostatisch gelagerter Kolbenstangenführung, bringt aber einen Kostenvorteil von rund 30%. Zylinder in Servofloat®- Qualität bieten durch ihre vernachlässigbare Reibung höchste Positionier- und Wiederholgenauigkeit, sind stick-slip-frei und für äußerst langsame und schnelle Bewegungen geeignet.

Für höchste Anforderungen sind Zylinder mit hydrostatisch gelagerter Kolbenstangenführung eine optimale Konstruktion. Bei ihnen wird die Kolbenstange durch das Aufbringen von hydraulischem Druck in vier Taschen im Ölstrom schwebend hydraulisch eingespannt. Nur die Abstreifer verursachen ein vernachlässigbares Mindestmaß an Reibung. Da die Hydrostatik in diesen Dichtungskombinationen für eine Zentrierung der Kolbenstange entgegen potenziellen Querkräften sorgt, lassen sich so Antriebslösungen im Grenzbereich des Machbaren realisieren. Für den Airbus war dieser Aufwand nicht nötig. Hänchen setzt diese Technik aber für andere Flugzeugtests ebenso ein wie in unterschiedlichen Industrie-Anwendungen mit einem mechanisch anspruchsvollen Umfeld.

„Die Herausforderung beim aktuellen Airbus-Auftrag lag in der Größe des Prüflings, der teilweise die doppelten Dimensionen früherer Testparameter nötig machte“, fasst Hänchen zusammen. „Wir mussten die Herausforderung durch deutlich größere Baulängen, Hübe, Kräfte und Geschwindigkeiten mit der bewährten Präzision bewältigen. Damit ist der neue Airbus auch auf der technischen Seite zu einem Meilenstein der modernen Hydraulik geworden.“ Die Hydraulik- Spezialisten aus Ostfildern bei Stuttgart haben damit gezeigt, was moderne Dichtungskombinationen leisten können. Diese Erfahrungen fließen natürlich in alle Serien- und Sonder-Produkte des Hauses ein.

Jörg Beyer