Bugfahrwerk eines Flugzeugs: Herkömmliche Flugzeugräder bestehen meist aus Aluminiumschmiedekomponenten, die bis zu 100 kg wiegen können. (Bild: Fraunhofer LBF)
Faser-Kunststoff-Verbunde sind in der Luftfahrt bei zahlreichen Bauteilen bereits das Material der Wahl. So liegt beim Airbus A380 der Anteil an Verbundwerkstoffen bei 22 Prozent, beim modernen A350 XWB sind es bereits über 50 Prozent. Hier bestehen große Teile des Rumpfes und der Tragwerke aus dem ultraleichten CFK. Nur bei den Flugzeugrädern hat sich seit mehr als 30 Jahren wenig in Richtung Leichtbau bewegt. Dass hier einiges möglich sein wird, erläuterte Jens-David Wacker, der das Forschungsprojekt am Fraunhofer LBF leitet: „Unser Institut konnte bereits für den Bereich Automotive belegen, dass sich durch die Substitution von Metall- durch CFK-Räder ein vielversprechendes Leichtbaupotential aufzeigt.
Bei der Entwicklung von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen ist eine Auseinandersetzung mit den möglichen Herstellverfahren und Materialien schon früh im Entwicklungsprozess wichtig, weil diese entscheidende Fertigungsgrenzen mit sich bringen. „Für die Herstellung des Flugzeugrads streben wir das Resin Tranfer Molding an. Dieses Verfahren bietet viele Vorteile hinsichtlich einer möglichen automatisierten Fertigung, der Erzeugung komplexer Bauteilgeometrien und der Realisierung hoher Laminatqualitäten“, erklärte Wacker. Im Projekt sollen insgesamt zehn Prototypen des CFK-Bugrad hergestellt werden. Zur Verifizierung der Bauteilauslegung wird das Fraunhofer LBF die Prototypen unter den für ein Flugzeugrad vorgesehenen Zertifizierungsversuchen testen.
Wissenschaftler des Fraunhofer LBF identifizieren eine optimale Leichtbaustruktur, indem sie unterschiedliche Radgeometrien hinsichtlich ihrer geometrischen Steifigkeit bewerten. (Bildquelle: Fraunhofer LBF)
Herkömmliche Flugzeugräder bestehen meist aus Aluminiumschmiedekomponenten, die bis zu 100 kg wiegen können. Vor diesem Hintergrund stehen für die Darmstädter Wissenschaftler am Anfang des Entwicklungsprozesses für ein leichtes CFK-Bugrad zunächst die Definitionsphase und damit das Zusammentragen aller wichtigen Anforderungen. Dazu gehören unter anderem die Schnittstellen zum Reifen und zur Lagerung, die Bauraumspezifikationen und auftretende Beanspruchungen.
Anders als bei PKW-Rädern werden Flugzeugräder über eine Kegelrollenlageranordnung auf der Fahrwerksachse positioniert. Zudem werden Flugzeugräder mehrteilig ausgeführt, um die Montage des vergleichsweise steifen Reifens zu ermöglichen.
Vergleich der maximalen Verformungen prinzipieller Radgeometrien unter verschiedenen Lastkombinationen. (Bildquelle: Fraunhofer LBF)
Obwohl Bugräder im Gegensatz zu Hauptfahrwerksrädern nicht abgebremst werden, stellt sich der gebremste Rollvorgang als kritischer Lastfall für das Bugrad heraus. Aufgrund des hohen Bremsmoments am Hauptfahrwerk entstehen am Bugfahrwerk Abstützkräfte von bis zu 16 t pro Bugrad.
Den zweiten Schritt im Entwicklungsprozess bildet die Konzeptentwicklung. Für die Konzeptfindung einer optimalen Leichtbaustruktur für ein CFK-Bugrad untersuchen die Wissenschaftler prinzipielle geometrische Konzepte und bewerten diese bezüglich ihrer Steifigkeit gegenüber den Belastungen Radiallast, seitliche Last, Reifendruck und überlagerten Lastfällen. Eine Topologie-Optimierung des Systems bestätigt anschließend das Ergebnis. (dw)
Die EU fördert das Projekt „Development of a composite wheel” im Rahmenprogramm Clean Sky II (H2020/2014-2020) (Grant Agreement for Members No. AIR-GAM-2016-2017-05).
