Linearantrieb im Test- und Prüfstand für die Luftfahrtindustrie

Bevor der Flieger serienmäßig abhebt, muss er auf den hydraulischen Teststand. Dort hat er in einer harten Erprobung mindestens 2-3 Flugzeugleben mit allen denkbaren "Echtsituationen" zu überstehen. Dabei sind gut 90 Hydraulik-Zylinder mit hohem Steuerungsaufwand zu koordinieren. Eine Trockenübung, die sich für alle Flugzeuge in der Luft auszahlt. Die Test-Zylinder von Hänchen sorgen dabei nicht nur für ein "echtes" Fluggefühl, sondern auch für dauerhafte und hochgenaue Reproduzierbarkeit aller Bewegungen.

Weit über 20.000 Flüge hat der Airbus 340 bereits hinter sich: Taxirollen auf der Startbahn, den Druck des Fahrwerks auch bei Bodenunebenheiten, Start, Flug und Landung bei Schönwetter ebenso wie bei Vertikal-Turbulenzen mit 7,6 m/s Böengeschwindigkeit. Dieses Szenario findet auf einem hydraulischen Teststand der IABG in Ottobrunn bei München statt. »Seit 1970, seit dem ersten Betriebsfestigkeitsversuch am Airbus A 300, arbeiten wir mit Hänchen Hydraulik-Zylindern. Miteinander haben wir die nötigen Einheiten definiert, entwickelt, getestet. Und selbst bei extremen Sonderkonstruktionen wie Synchronzylindern mit 5 Metern Hub bei 6 Metern Baulänge mussten die schwäbischen Zylinderbauer im Gegensatz zu anderen Unternehmen nie passen«, berichtet Dipl.-Ing. Siegfried Schmid, Leiter der Gruppe Hydraulische Belastungsanlage bei der IABG. Die Hydraulik-Anlage für die Airbus-Tests ist ein Fluidsystem der Superlative: 90 Hydraulik-Zylinder und 2 Hydraulik-Motoren werden von 6 Fluidpumpen mit bis zu 2.000 l Öl pro Minute bei einem Stromverbrauch von 1,2 MW versorgt.

Die Raffinessen des Mega-Prüfstandes zeigen sich im Detail

Bis zu 1600 kN Last - je nach Zylindergröße - überträgt der Zylinder bei einem Arbeitsdruck von 210 bar auf die Konstruktion. Damit werden Zustände simuliert, bei denen die Flügel mit bis zu 250 Tonnen belastet werden, denn der A 340 ist ein Großraum-Fernstrecken-Flugzeug mit einer Spannweite von 60 Metern. Dieser ganze Doppelflügel mit dem zentralen Rumpfelement ist in der Halle des Ottobrunner 'Super-TÜV' komplett aufgebaut - neben Versuchen an Bauteilen für die Europarakete Ariane V und anderen Flugzeugen.

Trotz dieser Gigantomanie liegen die Probleme mit der Test- und Versuchsanlage eher im Detail. Denn die Koordination von 90 Kraftquellen erfordert einen hohen Aufwand in der Steuerung, zumal die Bewegungen exakt der Echtsituation entsprechen sollen: Teure Servoventile und möglichst stick-slip-arme Zylinder mit einer Reibung deutlich unter 1% bei 10 bis 100% Nennlast, die auch bei schräger Montage und bei bis zu 10% Seitenkräften nicht verkanten, sind ebenso wichtig, wie eine ausgereifte Steuertechnik.

Das eigentliche Prüfprogramm, ein Zyklus von 2.000 Flügen mit unterschiedlicher Charakteristik, der 20 mal abgespielt wird, bezieht seine Werte aus den Vorgaben der Airbus-Produzenten. Da rein statische Flugphasen für den dynamischen Test irrelevant sind, besteht jeder simulierte Flug aus 5 Minuten bis 2 Stunden, in denen die dynamischen Abschnitte zusammengefasst werden. Die Testwerte sind in einer Matrix hinterlegt, die für jeden Zylinder die augenblickliche Sollkraft definiert.

Ohne Hochleistungsrechner läuft überhaupt nichts

Umfangreiches Fachwissen und große Rechnerkapazitäten sind nötig, um diese Matrix zu erstellen. Deren Werte werden über einen Mikroprozessor je Zylinder an eine eigene elektronische Regeleinheit übertragen, die das jeweilige Regel- beziehungsweise das Proportionalventil steuert. Die damit ausgelöste Kolbenbewegung wiederum wirkt über einen Stempel auf je ein Netz von Druckpunkten, das eine möglichst gleichmäßig verteilte Einwirkung der Kräfte bewirken soll. Zwischen Stempel und Zylinderstangenende sitzt dann eine Kraftmessdose mit doppeltem Sensor. Der erste Sensor schließt den Regelkreis und beliefert die jeweilige elektronische Regeleinheit mit dem Ist-Wert, der zweite Sensor schickt sein Signal an den zentralen Testrechner. Diese Redundanz ermöglicht eine Kontrolle durch zwei getrennte Systeme, die bei Störungen unabhängig von einander einen Versuchsstop veranlassen können.

Hier wird ein entscheidender Punkt der Prüfstrategie deutlich: Durch den Wert des Prüflings, die Dauer des Versuchs, den Aufwand bei einer Wiederholung und die Komplexität des Vorgangs darf - anders als etwa bei Tests in der Automobilindustrie - der Prüfling auf keinen Fall durch nicht im Testprogramm vorgesehene Faktoren beschädigt werden.

Bei den beiden Zylindern zur Simulation der Fahrwerk-Belastung führte dies zu einer Sonderentwicklung, die auch für die Hänchen Konstrukteure eine Herausforderung war: Da das Fahrwerk im Labor nicht vorhanden ist und nach dem Abheben auch Positionen unterhalb der Normalposition simuliert werden, befindet sich der Kolben im 'gelandeten' Zustand nicht in der Endlage. Es musste also eine Verriegelung bei minimalem Platzbedarf gefunden werden, die diese Lage sicherstellt. Eine Klemmeinheit schied bei der Maximallast von 90 t aus. Deshalb wurde in den Zylinder ein zweiter, ein Endlagen-Kolben integriert, der während des Betriebs im Boden des Hauptzylinders versenkt ist. In Ruhestellung wird er aus dem Boden ausgefahren und bietet dem Hauptzylinder so eine Endlage.

Ein seitlich angebrachter Hilfs-Zylinder schiebt dann einen Blockier-Klotz zwischen Endlagen-Kolben und unteren Zylinderboden, das System wird so statisch stabil. Vier Speicher, doppelte Ventile und der Steuerblock sorgen dafür, dass auch bei einem Ausfall der Druckversorgung das System wieder in diesen statischen Zustand gebracht werden kann. Damit wird garantiert, dass bei einem Systemausfall keine untypischen Belastungen auftreten, bei denen das Fahrwerk auf längere Zeit sozusagen zehn Zentimeter unter der Rollbahndecke aufsetzt.

Für derart komplexe Testaufgaben, insbesondere unter Verwendung von Hydraulik, ist die IABG ein führender Anbieter in Europa. Dabei versteht sich das Münchner Unternehmen in diesem Umfeld als Dienstleister für komplette Testabläufe. Rund 1.500 Mitarbeiter, davon über 50% mit Hochschulabschluss, bieten maßgeschneiderte statische und dynamische Testvorgänge nach Kundenspezifikationen als Komplettpaket an.

Maßgeschneiderte Testabläufe als Dienstleistungs-Paket

Erfahrene Entwicklungsteams, Programmierer, Testelektroniker, Fluidtechniker und Wartungsspezialisten können den Auftraggeber genauso unterstützen, wie eine umfangreiche Testinfrastruktur, Rechner- und Messsystem-Kapazitäten, Gebäude für die Prüfung größter Baugruppen oder umfangreiche hydraulische Anlagen.

Prüflinge nahezu jeder Art können vor diesem Erfahrungshintergrund und mit den vorhandenen Einrichtungen getestet werden. "Besonders interessant für unsere Kunden ist die Möglichkeit, komplette Prüfprojekte außer Haus zu geben, ohne dass beispielsweise durch neue Vorgaben im Qualitätswesen Investitionen in teuere Prüfsysteme gemacht werden müssen und ohne Investitionen in Spezialisten, die vielleicht noch nicht einmal voll ausgelastet werden können. Dabei kann neben der kompletten Testabwicklung auch jede Teilaufgabe, Konzeption oder eine Anlagen-Überlassung angeboten werden", berichtet Dipl.-Ing. Wolfgang Mohr, Marketing Manager der IABG.

Wie vielfältig schon alleine bei den hydraulischen Testsystemen Prüfaufgaben abgewickelt werden, zeigen Projekte vom dynamischen Dauertest an Motorrad-Gabeln bis hin zur Prüfung komplexer neuer Verkehrstechnologien beispielsweise für den Transrapid. "Hydraulische Test-Zylinder sind dabei die Kerntechnologie", so Hydraulik-Spezialist Schmid. "Und in diesem Bereich bietet Hänchen trotz starker Mitbewerber konkurrenzlose Lösungen an. Denn das schwäbische Hydraulik-Unternehmen hat sich derartig auf den eigentlichen Zylinderbau spezialisiert, dass in Ostfildern ein einzigartiges Know-how gerade auch für Test-Zylinder vorhanden ist." Durch die langjährige Zusammenarbeit zwischen dem Testunternehmen und dem Zylinderhersteller entstand eine Vielzahl von Detaillösungen. "Die IABG veranlasste uns mit ihren strengen Anforderungen bereits Mitte der siebziger Jahre, ein eigenes Test-Zylinderprogramm zu entwickeln", berichtet Hans-Dieter Fabrowsky, Verkaufsleiter bei Hänchen. "Damit konnten wir wichtige Marktpositionen frühzeitig besetzen und beliefern heute beispielsweise auch alle namhaften Automobilhersteller in Deutschland mit Test-Zylindern. Die Zylinder für den Airbus-Test waren allerdings die größte Herausforderung."

Perfekte Technik durch gnadenlose Dauertests

Für diese Sonderaufgaben wurden Versuche auch in Kooperation vorgenommen. So veranlasste Schmid etwa Tests mit einem Zylinder, der mit 100.000 Lastwechseln einschließlich der auftretenden Seitenkräfte unter typischen Prüfbedingungen geprüft und anschließend auseinandergebaut wurde. Danach wurden genaue Vorgaben an die Hänchen Konstrukteure gegeben, wo noch Weiterentwicklungen nötig sind. "Wir sind über all die Jahre mit dem Zylinderproduzenten im Geschäft, weil es die Konstrukteure in Ostfildern-Ruit immer wieder geschafft haben, unsere extremsten Anforderungen zu erfüllen und flexibel auf unsere Erwartungen zu reagieren", so Schmid.

Jörg Beyer