Entwicklung eines Triebswerksgetriebes neuer Technologie

Abstract

Die vorliegende Diplomarbeit hat das Ziel, die Grundlage zu schaffen ein neuartiges Getriebe zu entwickeln, welches die Drehzahl der Turbine auf die Drehzahl des Propellers untersetzt und dabei den Leistungsbereich von in Umlauf befindlichen Propellerflugzeugen übertrifft. Dazu werden sowohl eine Stirnradstufe als auch eine Planetenstufe eingesetzt und geeignete Maschinenelemente wie Lagerungen, Wellen- und Zahnradgeometrien gewählt und dimensioniert. Ein zusätzlicher Fokus der Arbeit liegt bei der Untersuchung von Alternativen zur Lichtmaschine, die in handelsüblichen Propellerflugzeugen verwendet wird, um die variable Drehzahl des Antriebs in elektrische Energie umzuwandeln. Aufgrund der Tatsache, dass das zu entwickelnde Getriebe in einem höheren Leistungsbereich ansetzt, muss eine Alternative gefunden werden. Hierbei wird ein sogenannter "Constant Speed Drive" betrachtet. Dieser überträgt die Leistung und die variable Eingangsdrehzahl hydromechanisch so, dass die Ausgangswelle mit einer konstanten Drehzahl dreht. So kann der nachgeschaltete Generator konstanten elektrischen Output liefern. Die Motivation für diese Arbeit ist es, eine Wissensgrundlage für die Entwicklung von Planetengetrieben und Constant Speed Drives zu schaffen. Propellergetriebene Flugzeuge mit Triebwerksantrieb benötigen ein Untersetzungsgetriebe zwischen Antrieb und Propeller, da die maximale Drehzahl von Flugpropellern aufgrund der maximalen Geschwindigkeiten der Propellerblattspitzen begrenzt ist.Durch die Untersuchung der verschiedenen Faktoren, die bei der Entwicklung eines solchen Getriebes von Bedeutung sind, und die Auslegung eines konkreten Getriebezugs, konnte diese Arbeit einen Beitrag zur Entwicklung leisten. Gleichzeitig schafft sie eine wertvolle Wissensgrundlage für zukünftige Entwicklungen in diesem Bereich.Im ersten Teil der Arbeit werden die Grundlagen und der aktuelle Stand der Technik behandelt. Dabei werden die Eigenschaften und Entwicklung von Planetengetrieben sowie die gesetzlichen Grundlagen für Luftfahrtgetriebe erläutert. Im zweiten Teil geht es spezieller um Luftfahrtgetriebe und insbesondere um den Constant Speed Drive, bei dem Arten, Betriebsbereiche und Hersteller vorgestellt werden.Im dritten Teil wird auf die Vorgehensweis bei der Entwicklung von Luftfahrtgetrieben eingegangen, wobei Anforderungen, Ziele und der Vorentwurf des Getriebes konkret beschrieben werden.Im Praxisteil wird der Vorentwurf des Getriebes umgesetzt und im abschließenden Ergebnis- und Auswertungsteil werden die Ergebnisse der Vorberechnungen mit MathCAD sowie die Erstellung des Getriebes in der FVA Workbench präsentiert.Die Methode der Berechnungen besteht darin, mittels der Berechnungsprogramme (MathCAD und die FVA Workbench) unter Berücksichtigung verschiedener relevanter Normen, einen Getriebezug auszulegen.Am Ende wird ein Getriebe dargelegt, bei dem Zähnezahl und Modulverhältnisse so gewählt werden, dass eine kompakte Einheit entsteht und die Berechnungsprogramme zeigen, dass Sicherheiten in Bezug auf Zahnflanken- und Fußtragfestigkeit eingehalten werden. Insgesamt bietet diese Arbeit eine Grundlage für die Weiterentwicklung von Untersetzungsgetrieben für Propellerflugzeuge und kann dazu beitragen, eine Entwicklung eines Getriebes dieser Art an der Technischen Universität Wien durchzuführen.

The present thesis aims to develop a transmission that decreases the speed of the turbine to the speed of the propeller, surpassing the performance range of current propeller-driven aircraft. This will be achieved by using both a spur gear stage and a planetary gear stage. Suitable machine elements such as bearings, shafts, and gear geometries will be selected and dimensioned. Additionally, the thesis will examine alternatives to the alternator used in commercial propeller aircraft to convert the variable speed of the drive into a constant electrical energy. A "Constant Speed Drive" will be used as an alternative, which mechanically and hydromechanically transmits power in such a way that the output shaft rotates at a constant speed and thus the generator is operated at a constant speed. The motivation for this work is to provide a basis for the development of planetary gears and Constant Speed Drives for a propeller-driven aircraft. The thesis will cover the basics and state of the art in the first part, discussing the properties and development of planetary gears, as well as legal regulations for aircraft transmissions. The second part will focus specifically on aircraft transmissions, particularly the Constant Speed Drive, discussing types, operating ranges, and manufacturers. The third part will cover the development of aircraft transmissions, including requirements, goals, and the preliminary design of the transmission. The practical part will implement the preliminary design of the transmission. The final results and evaluation section will present the results of the calculations with MathCAD and the creation of the transmission in the FVA Workbench. The method of calculation is to design a transmission layout using calculation programs (MathCAD and the FVA Workbench) considering various relevant standards, creating the basis for the further development of the transmission. At the end of the thesis, a transmission is presented that represents a compact unit, with the calculation programs showing that safety margins in terms of tooth flank and foot load capacity are met. Overall, this thesis provides a basis for the further development of transmission for propeller-driven aircraft and can contribute to the advancement of technology in this field.