Antriebstechnik Wie korrekt ausgewuchtete Rotoren Lärm reduzieren

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Evtols, kurz für Electric Vertical Take-Off and Landing Aircraft, können eine Lösung für innerstädtische Mobilität sein. Sie fliegen fast emissionsfrei und sehr leise. Dazu ist allerdings eine auswuchtgerechte Konstruktion nötig.

Fliegen wir demnächst mit Lufttaxen in Städten zum nächsten Meeting? Start-ups, große Luft- und Raumfahrtunternehmen und sogar Automobilhersteller wollen solche Dienste bereits in den nächsten Jahren anbieten. Die senkrecht startenden und landenden, elektrisch angetriebenen Fluggeräte, kurz Evtols (Electric Vertical Take-Off and Landing Aircraft), ermöglichen CO₂-freie Flüge und können eine Lösung für innerstädtische Mobilität sein.

Das Transportmittel hat das Potenzial, einerseits einen fast emissionsfreien und nachhaltigen Pendlerverkehr zu etablieren. Andererseits kann die Lärm- und Schwingungsbelästigung im Vergleich zum normalen Flugverkehr deutlich reduziert werden – im Raum stehen Zahlen von bis zu 90 Prozent. Um Vibrationen zu verringern und gleichzeitig den strengen Standards der Luft- und Raumfahrt zu entsprechen, ist eine auswuchtgerechte Konstruktion hierfür nötig.

Lärm und Vibrationen haben weitreichende Konsequenzen

Lärm und Vibrationen sind nicht nur lästig, sie können selbst bei geringerer Intensität zu Betriebs- und Gesundheitsrisiken führen. Vibrationen sind eine bekannte Ursache für Probleme in der Elektronik und der Fahrzeugstruktur und tragen zu Ermüdungsschäden bei. Übliche Techniken, um diese Probleme zu beheben, sind

• die Schwingungsisolierung der Erregungsquelle,

• die Verstimmung der strukturellen Resonanzen oder

• die Anwendung von Dämpfungsmaßnahmen.

Diese Methoden erfordern jedoch häufig eine spezielle Konstruktion, ein neues Design oder die Erhöhung der Masse des Fluggerätes. Mehr Masse ist in jedem Luft- und Raumfahrtfahrzeug allerdings eine unerwünschte Option. Die Änderung der Gesamtstruktur erfordert oft eine aufwändige technische Bewertung, um die strukturelle Integrität und Haltbarkeit sicherzustellen.

Ein Auswuchtprozess muss sorgfältig geplant werden

Wenn rotierende Baugruppen die Vibrationen erzeugen, dann ist eine wesentliche, weitere Methode eindeutig das Auswuchten. Ein Rotor als Baugruppe umfasst allerlei konstruktive Komponenten (Läufer, Welle, Wicklungen, Lager etc.). Bei jeder Komponente tauchen geometrische Fehler im Millimeter- bzw. Mikrometer-Bereich auf. Zwar fallen diese Abweichungen zahlenmäßig meist gering aus, führen aber bei den beteiligten Massen zu ganz erheblichen Unwuchten. Das ist der Grund, warum jeder gefügte Rotor ausgewuchtet werden muss. Man könnte – zumindest aus geometrischer Sicht – unwuchtfreie oder -arme Rotoren produzieren. Das wird jedoch so kostenintensiv, dass es unwirtschaftlich ist, einen Rotor mit derartiger Fertigungsqualität herzustellen.

Obwohl die Konstruktion von Antriebssystemen für Elektroflugzeuge einfacher zu sein scheint als die von Turbinen und Verbrennungsmotoren, gelten die gleichen Prinzipien. Und die gleiche Sorgfalt ist notwendig, um anfängliche Vibrationen zu eliminieren. Ein grundlegendes E-Antriebssystem besteht aus einem Propeller, einem Motor, und in einigen Fällen aus Getriebeteilen. Ein robuster und effizienter Auswuchtprozess für die rotierenden Komponenten eines E-Antriebssystems erfordert eine sorgfältige Planung. Werden diese Vorbereitungen nur stiefmütterlich behandelt, können Iterationen und wiederkehrende Unwuchtprobleme auftauchen, die zu unerwünschten Kosten führen können.

Vibrationsprobleme manifestieren sich oft als hartnäckiges Fertigungsproblem oder schlimmer als ein Problem im Betrieb, nachdem das Fluggerät ausgeliefert wurde.

Ein paar Überlegungen für einen Auswuchtprozess in der Fertigung

Um eine optimale Produktionseffizienz und Qualität zu erreichen, ist es erforderlich, einige Teile einzeln auszuwuchten und die Unwucht während oder nach der Montage der gesamten Einheit zu korrigieren. Um unnötige Iterationen zu vermeiden, sollten die Auswucht- und Montageprozesse für einen Rotor sorgfältig definiert werden. Die Auswuchtplanung sollte idealerweise bereits in der Konstruktionsphase der Produktentwicklung erfolgen. So können die erforderlichen Auswuchtverfahren in der Konstruktion der rotierenden Teile berücksichtigte werden.

Mechatronische Antriebstechnik

Effizientes Antriebssystem optimal konstruieren

Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Auswahl der passenden Rotoraufnahmen für den Auswuchtvorgang. Diese müssen nicht nur präzise gefertigt, sondern auch speziell für das Auswuchten eines bestimmten Rotors konzipiert sein. Eine gut konzipierte Aufnahme sollte eine präzise bearbeitete Wellenoberfläche zur Befestigung des Rotors an der Auswuchtmaschine und einen speziell entwickelten Mechanismus zur genauen und wiederholbaren Verbindung der Welle mit dem Rotor aufweisen.

Darüber hinaus muss, wie jedes andere Präzisionsmessgerät auch, die Auswuchtmaschine in einer geeigneten Betriebsumgebung ordnungsgemäß aufgestellt werden. Zunächst einmal sollte die Maschine auf einem stabilen, festen Untergrund stehen, fernab von starken Vibrationen oder Lärm. Idealerweise ist eine Auswuchtmaschine fest auf einer stabilen, schwingungsfreien Struktur montiert, die die Maschine sicher verankert. Dies trägt dazu bei, die Auswirkungen von Vibrationen aus der Umgebung zu minimieren. Im Rahmen einer sachgemäßen Prozessüberwachung muss auch der Auswuchtprozess regelmäßig überprüft und gegebenenfalls auch neu kalibriert werden. Im Interesse der betrieblichen Integrität wird empfohlen, die Kalibrierung der Maschinen mindestens einmal jährlich von einem vertrauenswürdigen Dienstleister durchführen zu lassen und die Ergebnisse zu dokumentieren. Die Anwender sollten die Praxis immer überprüfen, bevor sie den Ergebnissen der Auswuchtmaschine vertrauen.

Auswuchtmaschinen müssen in der Lage sein, das Ergebnis präzise und genau zu wiederholen, auch wenn der Rotor und das Aufnahmen auseinander- und wieder zusammengebaut werden. Bei schlecht konzipierten Aufnahmen und/oder Auswuchtprozessen besteht die Gefahr, dass sie ungenaue und inkonsistente Unwuchtmesswerte liefern, was wiederum zu fehlerhaften Restunwuchtwerten der auszuliefernden Rotoren führt.

Experten unterstützen Hersteller bei der Entwicklung neuer Elektroantriebe

Bei der Entwicklung der Elektroantriebe für Evtols empfiehlt es sich, (Auswucht-)Experten wie Schenck Rotec einzubeziehen, um gemeinsam die Rotoren auswuchtgerecht zu konstruieren. Das Auswuchten beginnt in dem Augenblick der Konstruktion. Es ist für die Konstruktion des Unwuchtausgleichs erforderlich, dass bereits zum Zeitpunkt der Zeichnungsentstehung abgeschätzt werden kann, welche Ur-Unwucht entsteht.

Aus einem CAD-Modell sind diese Angaben nicht zu entnehmen. Hier bedarf es einer eigenen Bewertung auf Basis der geometrischen Tolerierung. Aus diesen Angaben kann man berechnen, mit welchen Unwuchten tatsächlich in der Fertigung zu rechnen ist. Und eben diese Leistung wird durch die Experten abgedeckt. Schenck Rotec bietet ein sogenanntes „Unwucht-Budget“: Es wird auf Basis von Fertigungszeichnungen abgeschätzt, mit welchen Ur-Unwuchten man in der Fertigung planen muss.

Sind die ersten Rotoren als Prototypen gefertigt, besteht eine weitere Leistung darin, die Rotoren als auf deren Betriebsdrehzahl, Überdrehzahl sowie Schleuder- und Berstdrehzahl zu bringen. Die gewichtsoptimierte Bauweise und die jeweiligen geplanten Betriebsdrehzahlen können bei den Rotoren zu Setzungserscheinungen im Betrieb führen. In Schleuderständen können zu diesem Zweck diese Rotoren auf die Prüfdrehzahlen gebracht werden, ohne dass der jeweilige Antrieb (z.B. die Statoren und Steuerung) für diese Rotoren bereits funktionsfähig ist.

Dieser Beitrag erschien zuerst auf unserem Partnerportal www.konstruktionspraxis.de

* Lars Künne ist Geschäftsführer der amerikanischen Tochtergesellschaft der Schenck Rotec GmbH sowie globaler Portfoliomanager Aviation & Aerospace des Unternehmens.

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