Elevator control project

Elevator control project
Report V2
Aero-Tech engineering
Caglar Gunusen
Jasper Hop
Tim Kortekaas
Ben Lubbers
(528788)
(522169)
(520952)
(528221)
Elevator Control ‘’Vandervoort73’’ report 2
Inholland Aircraft factory
By Aero-Tech engineering
This is the development report of the Elevator Design Project for the VanderVoort73 aircraft.
Detailing the stress analysis, the design and the function of the elevator control system.
Using hydraulics to convert pilot input to elevator output. The system was theoretically
proven using simulated loads. Technical drawings and a 3D model were created and are
included.
Date:
Place:
Company:
Version:
5-06-2013
Inholland, Delft
Inholland Aircraft factory,
Aero-Tech engineering
2.0
Author:
Caglar Gunusen
Autograph:
(528788)
…………………………………………..
Jasper Hop
(522169)
…………………………………………..
Tim Kortekaas
(520952)
…………………………………………..
Ben Lubbers
(528221)
…………………………………………..
1
Contents
1.
Summary ............................................................................................................................ 3
2.
List of terms ........................................................................................................................ 4
List of symbols ........................................................................................................................ 7
3.
Inleiding .............................................................................................................................. 8
4.
Elevator system design....................................................................................................... 9
4.1 Algemeen .......................................................................................................................... 9
4.3 Walking beam dimensions.............................................................................................. 13
4.4 Uitslag ............................................................................................................................. 14
4.5 Redundancies ................................................................................................................. 15
5 Stress analysis........................................................................................................................ 16
5.1 Algemeen ........................................................................................................................ 16
5.2 Bouten ............................................................................................................................ 16
5.3 Kabel tussen de kwadranten .......................................................................................... 18
5.4 Walking beam ................................................................................................................. 20
6 Hydrauliek ............................................................................................................................. 21
6.1 Algemeen ........................................................................................................................ 21
6.2 Symbolen ........................................................................................................................ 22
6.3 Werking van het systeem ............................................................................................... 24
6.3.1 Normale werking ..................................................................................................... 24
6.3.2 Werking bij defect ................................................................................................... 25
6.4 Dimensies hydraulisch systeem ...................................................................................... 26
6.5 Conclusie hydrauliek ....................................................................................................... 28
Conclusie .................................................................................................................................. 29
Appendix I: load case 1............................................................................................................. 30
Appendix II: Load case 2 ........................................................................................................... 31
Appendix III: uitslag .................................................................................................................. 32
Appendix IV: Hydraulic stand-by .............................................................................................. 33
Appendix V: Hydraulic pitch neerwaarts.................................................................................. 34
Appendix VI: Hydraulic pitch opwaarts .................................................................................... 35
Appendix VII: hydraulics defect................................................................................................ 36
Appendix VIII: Load case scenario’s ......................................................................................... 37
2
1. Summary
Elevator Design for the VanderVoort73
For the newly designed passenger aircraft an elevator control system needs to be
developed. This system is critical for aircraft operation. All other components of the aircraft
have been designed already. The system needs several sub-systems to function within the
specifications set by the EASA and the Inholland Aircraft factory. From earlier research it has
become apparent that a technical solution similar to the one found on the Fokker F28 would
be the most cost effective.
The three designed subsystems are the connection between the control stick and the
hydraulic system, the hydraulic system itself, and the connection between the hydraulic
system and the elevator surface. Two main load cases have been considered that cover
expected day to day use and emergency use. The entire system is designed to withstand the
calculated maximum loads encountered in these load cases, with the legally mandated
safety factors included. Dimension constraints and available materials have also been taken
into account in the design.
In chapter two the technical terms used in the rest of the report are elaborated on.
Chapter three provides a general introduction to the elevator control project, it’s stated
goals and the demands Aero-tech is supposed to meet. Furthermore the preliminary work
on the elevator is summarized briefly.
In the fourth chapter the basic design is outlined, that of a walking beam, with both the basic
dimensions and the planned redundancies in the system. These numbers will be used as the
guideline in the following chapters.
First in chapter five a stress analysis is performed to determine the exact dimensions of the
system that accepts the input from the cockpit to the rest of the system and back.
Then, in chapter six the exact dimensions of the hydraulic system is determined, as well as
the required materials for this system. This chapter starts with a small introduction to how
the hydraulic systems has been modeled before moving on a model of the system itself to
explain how the basic functionality and the justification for the calculations used. It includes
a brief conclusion with just the basic results.
The system is ready for implementation, complete technical drawings are included. It is not
required by law to undergo prototyping and trails because no experimental techniques are
used in its construction.
3
2. List of terms
In dit hoofdstuk van het rapport zullen de termen en begrippen die wij in ons rapport
gebruiken worden toegelicht.
Engels begrip
Nederlands begrip
Definition
Defenitie
Actuator
Werkstang/drijfstang
Puts the walking beam
in a vertical state
Zet de walking beam recht
Aft section
Achterstuk
The tail section, the tail
of the plane
De staartsectie, het
achterste deel van het
toestel
Aluminum
Aluminium
A kind of metal
Een metaal soort
Aspect ratio
Vleugel slankheid
The slenderness of a
wing
De slankheid van een
vleugel
Control surface
Stuurvlak
Controls a plane
Stuurt een toestel
Control unit
Controle eenheid
Is used to control the
elevator
Wordt gebruikt om de
elevator te besturen
Elevator
Hoogteroer
Delivers the ‘pitch’
movement of the
airplane
Hoogteroer, zorgt voor de
‘pitch’ beweging van het
toestel
Force distribution
Krachtverdeling
The distribution of a
force over a surface
De verdeling van een kracht
over een oppervlak
Formula
Formule
A way to calculate
values in mathematics
and mechanics
Een manier om waardes te
berekenen in de wiskunde
en mechanica
Fuel tank
Brandstoftanks
The tanks in which the
fuel is kept in the
airplane
De tanks waarin de
brandstof van het toestel
worden opgeslagen
Gust locks
Windvlaag slot
Locks a control surface
in place so it can’t move
suddenly
Zet een control surface vast
zodat deze niet plotseling
kan bewegen
4
High tensile steal
Hoog gelegeerd staal
An extra strong kind of
steal
Een extra sterke soort staal
Hinge
Ophanging
The place where the
elevator turns in the
stabilizer
De plaats waar de elevator
scharniert in de stabilizer
Hydraulic Power
Unit (HPU)
Hydraulic Power Unit
Makes sure the walking
beam will be in a
vertical position
Zorgt ervoor dat de walking
beam wordt recht gezet
Hydraulic system
Hydraulisch systeem
A system in which
hydraulics are applied
Een systeem waarin
hydrauliek is toegepast
Hydraulic fluid
Hydraulische
vloeistof
Fluids in a hydraulic
system
Vloeistof in een hydraulisch
systeem
Joystick/control
stick
Joystick/stuurknuppe
l
The instrument with
what the pilots can
control the plane
Het instrument waarop de
piloten het toestel kunnen
besturen
Mac (mean
aerodynamic
chord)
Korde
The value of a camber
of a wing
De waarde van de welving
van een vleugel
Pilot force applied
Pilot kracht
uitgeoefend
The amount of force the
pilot applies to the
control stick
De hoeveelheid kracht die
de piloot op de joystick
geeft
Pitch
Stampen
The movement of a
plane up and down
wards
De beweging van een toestel
omhoog en omlaag
Transfers the power of
one hydraulic system to
another
Zet de kracht op één
hydraulisch systeem op de
andere
Power Transfer
Unit (PTU)
Kracht
overbrengingsunit
Pressure bulb
Drukschot
Makes sure there is
pressure in the cabin of
an airplane
Zorgt voor de druk in de
cabine van een toetel
Pushrod
Drukstang
A rot that delivers a
movement
Een stang die een beweging
overbrengt
5
Quadrant
Kwadrant
A part that can turn
around an axis
Een onderdeel dat kan
wentelen rond een as
Redundancy
Redundancy
To make everything in a
system double to
ensure safety
Alles dubbel uitvoeren om
zo voor veiligheid te zorgen
Root chord
Vleugelwortel korde
The length of the wing
at the fuselage of the
airplane
De lengte van de vleugel bij
de romp
Safety factor
Veiligheid factor
Is in some of the
formulas to ensure
safety
Veiligheidsfactor, zit in
sommige formules om voor
veiligheid te zorgen
Selector valve
Selecteer klep
Indicates the magnitude
of the movement of the
control stick
Geeft de grootte van de
uitslag van de control stick
aan
Shear stress
Schuifspanning
A kind of force on a
surface
Een kracht soort op een
oppervlak
Stabilizer
Stabilisator
A way to calculate
values in mathematics
and mechanics
Stabilisator, hier: een
vleugel oppervlak in de
staartsectie van het toestel
Stabilizer width
Stabilisator breedte
The width of the
horizontal stabilizer
De breedte van de
horizontale stabilisator
Stress
Spanning
The name for a
mechanical force
distribution
De benaming voor een
natuurkundige
krachtverdeling
Tip chord
Tip korde
The length of the wing
tip
De lengte van de vleugel
punt
Walking beam
Lopende balk
A beam that converts
the forces applied by
the pilot to the elevator
De balk die de krachten van
de piloot overzet naar de
elevator
6
List of symbols
Symbool
Naam
Verklaring
lbs
Ponden
Een gewichtseenheid
kg
Kilogram
Een gewichtseenheid
m
Meter
Een maats eenheid
inch
inch
Een maats eenheid
lbs/ft2
Pond per vierkante voet
Eenheid voor druk
m²
Vierkante meter
Eenheid voor oppervlakte
N/m
Newton per meter
Eenheid voor een krachtverdeling
N/m2
Newton per vierkante
meter
Eenheid voor een krachtverdeling op een oppervlak
Nm
Newton meter
Eenheid voor een moment
%
Procent
Geeft percentages aan
Mpa
Mega Pascal
Een eenheid voor druk
Kg/dm3
Kilogram per kubieke
decimeter
Eenheid voor de massa van een volume
PSI
Ponden per vierkante
inch
Eenheid van druk
7
3. Inleiding
Aerotech engineering is door de Inholland Aircraft Factory gevraagd om een ontwerp te
maken voor het hoogteroer systeem. Dit hoogteroer systeem is bedoeld voor het nieuwste
vliegtuigmodel van de Inholland Aircraft Factory genaamd de VanderVoort73. Dit toestel
moet aan het eind van het volgende jaar operationeel zijn.
Het systeem wordt ontworpen aan de hand van de eisen die door de Inholland aircraft
factory en de EASA gesteld zijn.
In dit rapport zal duidelijk gemaakt worden hoe wij enkele componenten in het systeem
berekend hebben. Ook zullen bepaalde keuzes die gemaakt zijn nader worden toegelicht in
de loop van het rapport.
8
4. Elevator system design
4.1 Algemeen
In dit hoofdstuk zijn de afmetingen, belastingen, uitslag en redundancies van het
hoogteroersysteem berekend en ontworpen. Het design is ontworpen aan de hand van de
gestelde eisen van zowel de EASA en de gegeven load cases van de manufacturer.
De load cases geven 2 situaties weer waarin het systeem dient te functioneren. Een situatie
in normale omstandigheden tijdens een vlucht en een situatie bij een defect waardoor het
systeem de kracht moet op kunnen vangen. Deze load cases zijn uitgebreid weergegeven in
Appendix I en Appendix II.
Om het systeem te kunnen ontwerpen is eerst het moment op het scharnierpunt van het
hoogteroer berekend. Met het moment is de kracht doorgerekend door het systeem.
4.2 Moment berekeningen
Alle berekeningen zijn gemaakt met het programma: Microsoft Office Excel.
De hieronder geplaatste waarden zijn afgerond op drie decimalen.
Gegeven waarden
MTOW=W:
Breedte stabilizer:
Root chord stabilizer:
Tip chord stabilizer:
Wing span = b:
Aspect ratio = AR:
Root chord elevator:
Tip chord elevator:
Safety factor = N1:
75000 kg = 165346,697 lbs
5,44 m
3,371 m = 132,7 inch
1,186 m = 46,7 inch
34,1 m
9,5
1,465 m = 55 inch
0,516 m = 20,32 inch
2,5
Het berekenen van de Mac waarde van de elevator en de stabilizer:
De formule voor het berekenen van de MAC waarde is:
Daarbij is de R de root chord en de TR de tapper ratio.
De tapper ratio wordt berekend door de lengte van de tip chord te delen door de lengte van
de root chord.
De tapper ratio van het complete hoogteroer is 0,352
De tapper ratio van de elevator is ook 0,352
De MAC waarde voor de stabilizer is nu te berekenen met de formule:
9
Uit deze berekening komt een MAC van 2,453 meter.
De MAC waarde van de elevator is:
Uit deze berekening komt een MAC van 1,066 meter.
Het berekenen van de
De formule voor het berekenen van de
die geschikt is voor het toestel is:
in (Pounds / ft²)
De formule kan ingevuld worden met de gegeven en de berekende waarden:
W = MTOW in pounds
S = Oppervlakte van de elevator in ft²
MTOW = 75.000kg =
AR = b²/ S  S = b² / AR
34,1² / 9,5 = 122,4 m²
S = 122,4 m² = 1317,5 ft²
=
Uit deze berekening volgt een
van 172,343 lbs/ft2 . Dit is omgerekend 8251,832 Pa.
Het bereken van de P
De algemene formule voor het berekenen van de P is:
De formule zal geïntegreerd moeten worden om de P te berekenen. Na het integreren is de
formule als volgt:
MAC waarde van de stabilizer, verder benoemd als C: 2,453 meter;
MAC waarde van de elevator, verder benoemd als Cf: 1,066 meter;
: 8251,832 N/m2
Als de bovenstaande waardes worden ingevuld krijgt men de volgende vergelijking:
10
Uit deze berekening blijkt dat de P: 8798,999 N/m bedraagt.
De totale kracht Fx op de elevator:
Voor het berekenen van de totale kracht op de elevator vermenigvuldigt de Stabilizer width
met de P
Uit deze vergelijking volgt dat de totale kracht Fx 47866,557 Newton bedraagt.
Het berekenen van het zwaartepunt van de elevator
De gegeven formule voor de 2D Centroid is:
De formule zal geïntegreerd moeten worden om de
formule als volgt:
te berekenen. Na het integreren is de
MAC waarde van de stabilizer, verder benoemd als C: 2,453 meter;
MAC waarde van de elevator, verder benoemd als Cf: 1,066 meter;
: 8251,832 N/m2
P: 8798,999 N/m
Als de bovenstaande waardes worden ingevuld krijgt men de volgende vergelijking:
Uit deze berekening blijkt dat de : 1,653 m is vanaf de Leading edge gemeten.
11
Het berekenen van de arm
De arm
van het moment is de afstand vanaf de hinge tot het zwaartepunt.
Gegeven is te berekenen door de afstand vanaf de leading edge naar de hinge af te halen
van de afstand . In figuur 1 is dit duidelijk waar te nemen.
Figuur 1
Het is bekend dat de hindge zit op 67% van de MAC waarde.
MAC x 0,67 =
= 1,644 m vanaf leading edge gemeten.
Arm
= Distance hinge – Distance
= 1,653…. – 1,644…..
= 0,973*10-2 m
Het berekenen van het moment
De formule voor het moment is:
Hieruit volgt een afgerond moment van ongeveer 465,604 Newton meter.
12
4.3 Walking beam dimensions
De aangrijpingspunten van de krachten op de walking beam kunnen berekend worden met
de gegevens uit Appendix I en met behulp van mechanica. In Appendix I is de werking van
het systeem weergegeven bij het normaal functioneren van alle componenten (load case 1).
Ook is de krachtenvergelijking van de walking beam hieruit opgemaakt.
Analyse
Gegeven:
De lengte van de walking beam = 150mm
F1 = 2100 N
F2 = 8097,46568 N
F3 = 5997,46568 N
De drie krachten die op de walking beam werken zijn te zien in (figuur 2).
Figuur 2 is slechts een referentietekening van de walking beam.
Gevraagd: De lengtes A en B van de walking beam.
Planning
Methode 1: Met behulp van verhoudingspercentages
2100/8097,46568 x 100% = 25,934%
5997,46568/8097,46568 x 100% = 74,066%
Uitwerking
25,934% + 74,066% = 100% (controle)
A = 150 x 0,74066 = 111,099mm
B = 150 x 0,25934 = 38,901mm
Evaluatie
Methode 2: Momentvergelijking
De som van de krachten om punt 1 en om punt 3 moeten
allebei apart 0 zijn volgens de eerste wet van Newton.
De afwijking kan te maken met afrondingsfouten.
De lengtes A en B die verkregen zijn zullen dus kloppen.
Figuur 2
13
4.4 Uitslag
De maximale elevator uitslag moet worden bereikt als de control unit een maximale uitslag
bereikt. De uitslag van de stuurknuppel in de cockpit is kleiner dan die van de elevator. Het
systeem moet dit compenseren.
Het elevator systeem moet zo verbonden zijn aan het besturingssysteem in de cockpit, dat
het zich voldoet aan de gestelde eisen.
De eisen van de fabrikant:


In de cockpit moet de control unit een hoek van 15,6 graden achterwaarts en 14,1
voorwaarts kunnen maken
Het elevator moet een hoek van 25 graden omhoog en 14 graden naar beneden
kunnen maken bij maximale uitslag van de control unit.
Om dit verschil in hoek op te kunnen heffen is er voor gekozen om het systeem zo te
ontwerpen dat de HPU dit verschil in hoek op kan heffen.
Door de hoek van zowel de elevator als die van de stuurknuppel om te
zetten in een lengtebeweging is het mogelijk om te berekenen hoeveel
lengte de actuator van de HPU moet bewegen om de hoek van de
elevator ten opzichte van de stuurknuppel te verkleinen of vergroten.
De afstand van de uitslag (A) kan berekend worden door tangens van
de hoek (a) te vermenigvuldigen met de lengte van lengte (B). Hieruit
ontstaat dan de lengte van de uitslag. Door dit zowel bij de
stuurknuppel als bij de elevator te doen kan het verschil in uitslag
berekend worden.
Door het verschil in hoek en dus een verschil
in uitslag zal de walking beam gaan
verdraaien (zie figuur 3). Door deze
verdraaiing van de walking beam zal er een
afstand ontstaan tussen de walking beam en
de HPU. Dit verschil is de uitslag die de
actuator zou moeten maken om het verschil
in hoek op te heffen tussen de stuurknuppel
en de elevator. Voor een overzicht van de
uitslagen door het systeem zie Appendix III.
Figuur 3
4.5 Redundancies
De afbeeldingen op deze pagina zijn
detailweergaven van de omkaderde gebieden
van Appendix I.
Control Unit
Beide piloten hebben direct invloed op het
systeem. De piloten kunnen beiden evenveel
kracht en invloed uitoefenen op het systeem.
Hydraulic control unit
Om zekerheid van de
werking van de
hydraulic power unit
(HPU) te kunnen
garanderen is de HPU
dubbelvoudig
uitgevoerd. Dit is
gedaan zodat het
geheel goed blijft
functioneren wanneer
één onderdeel defect
raakt of verloren gaat.
Hoe het systeem werkt
in defecte staat is weergegeven in hoofdstuk (…)
Elevator
Als de panelen van het hoogteroer uit 2
onafhankelijke delen bestaat, is het
mogelijk dat er bij een defect, één van de
2 panelen niet meer werkt. Dit zorgt
voor onbalans. Het gehele hoogteroer is
daarom verbonden in één punt.
15
5 Stress analysis
5.1 Algemeen
Het design van het hoogteroersysteem is geconstrueerd met de eisen van de kracht op de
stick uit de tabel van Load case 2 (Zie appendix VIII). In Appendix II zijn de krachten met de
berekeningen op de componenten schematisch weergegeven. Met de berekende krachten is
de stress analyse gedaan met behulp van mechanica om het systeem met dimensies te
ontwerpen. Hiermee zijn de dikte van de bouten in de walking beam, de dikte van de kabel
tussen de kwadranten en de walking beam dimensies uitgerekend. De stress analyse is
gedaan om het systeem veilig te maken. Er is er voor gekozen om niet het gehele systeem
maar een deel daarvan dubbel uit te voeren, dit is gedaan om het systeem zo licht mogelijk
te maken. Een safety factor van 1,7 is in het ontwerp meegerekend om het
uithoudingsvermogen van het systeem
te garanderen.
Er zijn 2 opties van het soort materiaal
beschikbaar gesteld.
Er is voor de kleine noodzakelijke
componenten gekozen om High Tensile
Steel: Cr-Mo-V Steel te gebruiken.
Voor de grotere componenten is
gekozen om een alluminium alloy: 2024T351 te
gebruiken.
5.2 Bouten
Planning
Om de diameter van de bouten op de walking beam te berekenen is
een maximale kracht x safety factor gebruikt. De standaard bout die
wordt gebruikt is de NAS501. De maximale shear stress voor dit
onderdeel bedraagt 45 ksi (standaard gegeven).
De formule voor de shear stress:
In figuur 4 staat hoe alledrie de bouten in contact staan met de
componenten en de walking beam.
Figuur 4
16
Uitwerking
Bout A
Dit onderdeel moet de schuifspanning tussen de walking beam en de kracht van de piloten
aan moeten kunnen. De gekozen onderdelen zijn uit de Standard part tables gekozen (Zie
bijlage IX).
A=
P = 8010 x 1,7 (Safety factor) / 2 => Double shear
d = 5,28585 mm
Bolt: NAS501-4H
Nut: NAS509-4C
Washer: MS27183-42
Bout B
Dit onderdeel moet de schuifspanning tussen de walking beam
en de kracht op de pushrod aan moeten kunnen.
A=
P = 30886,09547 x 1,7 (Safety factor) / 2 => Double shear
d = 10,37959 mm
NAS501-7H
Nut: NAS509-7C
Washer: MS27183-14
Bout C
Dit onderdeel moet de schuifspanning tussen de walking beam
en de kracht die op de actuator staat aan moeten kunnen.
A=
P = 22874,24231 x 1,7 (Safety factor) / 2 => Double shear
d = 8,93248 mm
NAS501-6H
Nut: NAS509-6C
Washer: MS27183-13
17
5.3 Kabel tussen de kwadranten
Planning
Voor de kabels tussen de kwadranten zal er High Tensile Steel worden gebruikt.
Om de dikte van de kabel te kunnen berekenen zijn de volgende gegevens bekend:
F = (Kracht input piloten x 3) = 2670 x 3 = 8010N
Ultimate stress = 1080 Mpa
A=
L0 = 45m
Bij iedere kracht die werkt in één richting, zal maar een van de 2 kabels onder spanning
staan (zie figuur 5). Daarom wordt bij de berekening uitgegaan van een lengte van 1 kabel.
figuur 5
De formule die wordt gebruikt om de diameter van de kabel te bereken is:
Vervolgens is de gevonden waarde voor de diameter in de volgende formule ingevuld:
18
Bij het berekenen van de kabeldikte is er ook rekening gehouden met de maximale
uitrekking van het staal.
Uitwerking
=>
¼
Uit de berekening volgt een diameter van ongeveer 4mm voor de kabel.
19
5.4 Walking beam
Om de dikte van de walking beam te berekenen is het nodig om de kracht te weten op de 3
bouten van de walking beam. De kracht die op de 3 bouten staat is als volgt
Bout:
A. 8010N
B. 30886,09547N
C. 22874,24231N
bout diameter
5,28585 mm
10,37959 mm
8,93248 mm
De maximale yield stress van aluminium is 300Mpa. Om de dikte te bereken wordt de
volgende formule gebruikt
De omdat uit de berekening blijkt dat bout B de dikste plaatdikte nodig heeft . is besloten de
walking beam in zijn geheel deze dikte te maken.
A=102.9536516
Vervolgens wordt de oppervlakte(A) gedeeld door de diameter van bout B. Hieruit komt de
dikte die nodig is om de walking beam sterk genoeg te krijgen. Vervolgens wordt de lengte
vermenigvuldigd met de veiligheid factor van 1.7.
De dikte van de walking beam is 16.86205mm
20
6 Hydrauliek
6.1 Algemeen
Dit hoofdstuk gaat over het hydraulisch systeem. In de onderstaande paragrafen zijn het
systeem, de dimensies van het systeem en de werking ervan beschreven. Ook staan de
berekeningen die zijn toegepast om het systeem te ontwerpen in dit hoofdstuk.
De werking van het systeem is uitgelegd aan de hand van de systeemschetsen die in
Appendix IV t/m VII staan. De uitleg van de symbolen die gebruikt zijn in de schetsen staan in
paragraaf 6.2. De werking van het systeem staat beschreven in paragraaf 6.3.0. Er staan
meerdere beschrijvingen in 6.3, omdat er meerdere situaties zijn. In sub paragraaf 6.3.1
staat het systeem in normale status beschreven. In 6.3.2 in twee verschillende situaties van
een defect. Het ene defect is bij motor of pomp uitval, het andere defect is bij enig ander
defect. Bij deze laatste vorm van defect wordt er van uitgegaan dat de systeemdruk niet te
herstellen is door het gebruik van de Power Transfer Unit.
Uit de berekeningen die gemaakt zijn voor het hydraulische systeem blijken de dimensies
van de zuigerwanden, de zuigers en de stangen. De berekeningen zijn gemaakt met Excel. De
resultaten staan in paragraaf 6.4.
21
6.2 Symbolen
In dit hoofdstuk zijn de symbolen van de hydraulische tekeningen beschreven.
Symbool
Naam
Beschrijving wat het onderdeel doet
Pomp met instelbaar
slagvolume
Dit onderdeel zorgt voor de standaarddruk van
3000 psi.
Motor
De motor is in de schetsen de motor van het
toestel. Deze drijft de pomp aan.
Expansievat
Het expansievat vangt de druk pieken in het
systeem op, mochten die optreden.
Schakelaar
Deze dient ervoor de Power Transfer Unit wel of
geen hydraulische vloeistof te geven.
Instelbare smoring
De smoring zorgt ervoor dat niet alle druk in het
systeem naar de Power Transfer Unit gaat.
Hydromotor met
instelbaar
slagvolume
De hydromotor zorgt ervoor dat het systeem kan
blijven werken bij een motor defect van het
toestel. Het systeem wordt dan namelijk door de
hydromotor aangestuurd in plaats van de
vliegtuigmotor.
Terugslagklep
De terugslagklep zorgt ervoor dat de hydraulische
vloeistof niet de tegen de richting in gaat vloeien.
Filter
Deze filtert de hydraulische vloeistof om ervoor te
zorgen dat er geen harde deeltjes in het systeem
terecht komen.
Overdrukklep
Deze zorgt ervoor dat de druk in het systeem niet
te hoog wordt.
22
Warmtewisselaar
De warmtewisselaar koelt de hydraulische
vloeistof. Het koelen gebeurt in de brandstoftanks
van het toestel.
23
6.3 Werking van het systeem
In deze systeem beschrijvingen wordt gebruik gemaakt van de bovenstaande schetsen.
Het hydraulische systeem van de Vandervoort73 is een systeem dat dubbel is uitgevoerd. Dit
is om een bij een defect de elevator normaal te kunnen blijven gebruiken. In paragraaf 6.3.2
volgt hier meer over.
6.3.1 Normale werking
Voor deze beschrijving wordt net als bij de schetsen naar één van de systemen gekeken.
Het tweede systeem doet exact hetzelfde als het eerste. In de beschrijving zal er
verwezen worden naar Appendix IV.
Het hart van het hydraulische systeem bevindt zich in de motorgondel van het toestel. Dit
is daar geplaatst omdat de motor het systeem aandrijft bij een normale werking. Hetgeen
dat de motor aandrijft is de hydraulische pomp (2) die een druk van 3000 psi levert. Vlak
na de pomp is er een expansievat geïnstalleerd om drukpieken die kunnen optreden op te
vangen, zodat er geen defect ontstaat als de druk te hoog oploopt.
Vanaf de motor gondel lopen de hydraulische leidingen naar de staart van het toestel,
waar de Power Transfer Unit(PTU) (13, 5 en 6) en de Hydraulic Power Unit (HPU) achter
het drukschot zitten. De Power Transfer Unit is in het geval van een normaal werkend
systeem uitgeschakeld. Meer informatie over dit onderdeel is te vinden in de volgende
paragraaf.
De Hydraulic Power Unit is het eigenlijke systeem. Het systeem wordt in werking gezet
doordat de selector valve (7) bewogen wordt door een uitslag van de piloten. De stang
van de valve zit vast aan de walking beam, waar in eerdere hoofdstukken over gesproken
wordt. De uitslag van de valve zorgt ervoor dat er hydraulische vloeistof kan gaan lopen
naar de actuator (8). De hoeveelheid vloeistof die de selector valve doorlaat is afhankelijk
van de uitslag van de piloot.
Als de piloot de control stick beweegt, draait de walking beam om het punt waar deze
verbonden is met de actuator. Door die draaiing bewegen de stang en de zuigers van de
selector valve. Daardoor laat de valve net zo lang vloeistof door totdat de actuator de
walking beam weer verticaal heeft gezet.
De terugslagkleppen in de HPU zorgen ervoor dat de vloeistof niet de verkeerde kant op
gaat bij een uitslag van het systeem. De overdrukklep (4) zorgt voor een constante druk in
de overige onderdelen van de HPU. Het bypass systeem (9) is aanwezig om bij een
drukverlies de mogelijkheid te geven de actuator en de selector valve vrijwel zonder
weerstand te bewegen. Hierover volgt in de volgende paragraaf meer informatie.
Vanaf de HPU gaan de return leidingen terug naar de vleugels. Daar gaat de vloeistof
eerst door een filter en daarna door een koeler. Het filter zorgt ervoor dat er geen harde
deeltjes in de warmtewisselaar en het reservoir (1) terecht kunnen komen die het
systeem kunnen beschadigen.
24
De warmtewisselaar bevindt zich in de brandstoftanks van het toestel, omdat deze zowel
de hydraulisch vloeistof kan koelen, als de brandstof kan verwarmen zodat het niet
bevriest. Een overdrukklep (11) is aanwezig om eventuele drukpieken bij de
warmtewisselaar op te vangen.
Na de warmtewisselaar stroomt de vloeistof terug het reservoir (1) in.
6.3.2 Werking bij defect
In het geval van een drukverlies door een defecte pomp, motor uitval of een andere vorm
van een defect bij één van de systemen, is het mogelijk dat het tweede systeem de
elevator uitslag regelt. Hieronder worden een aantal scenario’s van een defect
beschreven.
6.3.2.1 Een defecte pomp of motor uitval
Bij de uitval van de pomp(2) door failure of door motor uitval treed de Power Transfer
Unit (13, 5, 6) in werking. De schakelaar (13) wordt dan omgezet zodat in beide
systemen de hydromotor (6) in gebruik wordt genomen. De hydromotor werkt op de
vloeistof die langs de schakelaar en door de instelbare smoring (5) loopt. De smoring
zorgt ervoor dat niet alle druk naar de hydromotor gaat, maar dat er ook nog druk op
het werkende systeem blijft staan. De hydromotor van het werkende systeem drijft de
hydromotor van het defecte systeem aan, die nu als pomp gaat werken. Op die manier
kunnen beide systemen als normaal fungeren, echter is het van groot belang de pomp
en de motor (2) die verbonden zijn met het defecte systeem na de landing per direct na
te kijken.
6.3.2.2 Enig ander defect
Als er een ander defect optreed die niet te verhelpen is door de PTU in werking te
zetten kunnen de actuator en de selector valve alsnog vrijwel zonder weerstand
bewogen worden. Dit komt door het bypass systeem (9).
Het bypass systeem bestaat uit een cilinder met twee zuigers, drie openingen en een
veer. De veer zorgt ervoor dat er bij het verlies van druk de cilinder met zuigers omhoog
gaat, waardoor de hydraulische vloeistof vrij kan stromen. Doordat de vloeistof vrij kan
stromen, kunnen de actuator en de selector valve vrijwel zonder weerstand in hun
cilinders bewegen. Dit is gedaan om een lock van het systeem te voorkomen.
Het bypass systeem is aan en uit te zetten met een schakelaar (10) in de cockpit van het
toestel. Dit is gedaan om ervoor te zorgen dat de bypass zuigers niet omhoog gaan door
de veer als de druk wegvalt omdat het toestel op de grond staat en haar motoren
worden uitgeschakeld.
25
6.4 Dimensies hydraulisch systeem
Met behulp van de grootheden verkregen in het hoofdstuk ‘Load Cases’ kunnen de
dimensies van het hydraulische systeem berekend worden. De krachten bepalen de maten
die minimaal gebruikt moeten worden om een veilig systeem te krijgen met minimaal
gewicht. De maten zijn bedoelt voor de verschillende onderdelen van de hydraulische
cilinder, waar onder andere de schacht naar de walking beam toe, de dikte van de cilinder
wand en de oppervlak van de zuigerkop onder vallen. Er is rekening gehouden met welk van
de beschikbare materialen het beste is voor het maken van de cilinder.
De cilinder met zuiger en schacht ziet er schematisch als volgt uit.
S1 = diameter schacht
Beginnend met de krachten die door de walking beam op de schacht worden uitgeoefend.
Deze kan maximaal 22874,24231 Newton zijn. Door de formule
kan de oppervlak van
de doorsnede worden bepaald. Voor het hydraulische systeem worden ronde staven
gebruikt vanwege het gebruiksgemak, dus de diameter kan vervolgens worden bepaald met
De maximale toegestane druk staat in de digital project folder, pagina 6, en is gelijk aan
300e6 Pa. Door beide formules in te vullen in Excel krijgen met een veiligheidsfactor van 1.5
wordt de uiteindelijke waarde van 14.8 mm verkregen, afgerond op een decimaal.
Het oppervlak van de kop van de zuiger wordt bepaald door de oliedruk en de hoeveelheid
kracht die deze moet uitoefenen. Omdat de kop van de zuiger cirkelvormig is wordt dat
oppervlak berekend door
26
Invullen in Excel geeft voor d2 een waarde van 58,2 millimeter.
Naast de breedte van de kop dient tevens de dikte ervan berekend worden. De maximale
toegestane schuifspanning is eenvoudig af te leiden door
waardoor met behulp van
de oppervlak van de buitenkant van de schacht berekend
kan worden. Dit is in de figuur 2 aangegeven met A2, in formulevorm
De dikte
van de kop d3 wordt dan 3,5 mm
Nu kan de algehele minimale lengte van de cilinder berekend worden. Vanuit het deel load
cases is de totale uitslag bekend, . Hierbij wordt de dikte van de kop opgeteld, plus nog eens
een extra 10 millimeter om aan weerskanten een speling van 5 millimeter over te laten waar
de olie in en afgevoerd kan worden. Dit komt neer op een totale lengte van 76,7 millimeter.
De wanddikte kan worden berekend door te beseffen dat de totale normaalkracht van de
olie op de wand neerkomt op
wat uitgewerkt neerkomt op
e
20,68 6 N per meter lengte van de cilinder. Hiertegenover staat de normaalstress op de
wanden van de cilinder. Doordat
gesteld dat
en
kan worden
en dus gelijk is aan 7,6 millimeter.
Voor de wanden aan beide uiteindes zijn twee mogelijkheden, gebaseerd op respectievelijk
de schuifspanning en de normaalspanning. Met de schuifspanning kan dezelfde techniek
worden toegepast die gebruikt werd voor het berekenen van
in dit geval
millimeter. Dit is dunner dan de wand in het midden, maar om zeker te zijn wordt dezelfde
plaatdikte aangehouden als die in het midden.
27
6.5 Conclusie hydrauliek
De dimensies van het hydraulische systeem zijn bekend en verwerkt in het 3D ontwerp. Het
wordt gemaakt van de Aluminium-Koper legering 2024-T351 (Fokkercode 5.312). De
dimensies zijn als volgt:
d1 = dikte schacht richting roer = 14.8 mm
d2 = diameter hydraulische cilinder = 58.2 mm
d3 = dikte kop = 3.5 mm
d4 = dikte cilinderwand (uniform) = 7.6 mm
d5 = totale lengte hydraulische cilinder = 76.7 mm
28
Conclusie
In dit hoofdstuk van het rapport zijn de resultaten die behaald zijn door het maken van dit
rapport nog een keer gegeven. In opdracht van de Inholland Aircraft Factory heeft de AeroTech groep een hoogteroer ontwikkeld voor het Vandervoort73 passagiersvliegtuig. Er is aan
de hand van de eisen een literatuuronderzoek gedaan waarbij naar voren kwam dat het
systeem het beste gebaseerd kon worden op dat van het Fokker F28 passagierstoestel. De
volgende resultaten zijn behaald.
Er is een werkend systeem ontworpen. Dit systeem voldoet aan de eisen die door zowel de
EASA als de Inholland Aircraft Factory gesteld zijn. De krachten die op de componenten
werken zijn berekend zodat deze componenten zijn ontworpen met voldoende sterkte. De
krachten op de componenten zijn opgemaakt uit de gegeven twee loadcases (Zie appendix
VIII). Met deze kracht uit de loadcases kunnen de componenten zo ontworpen worden dat
ze bij de gegeven krachten het niet zullen begeven. Uit de berekening blijkt dat de walking
beam een benodigde dikte heeft van 16.86205mm inclusief een safety factor van 1.7.
Uit de berekening volgt een diameter van ongeveer 4mm voor de kabels tussen de
kwadranten.
De diameter van de bouten die de walking beam moeten verbinden met de pushrod, het
hoogteroer en de actuator zijn berekend.
Om het systeem te laten werken is een werkend hydraulisch systeem ontworpen. Het
systeem werkt op een maximale druk van 3000 PSI. Dit systeem zorgt er voor dat het
systeem makkelijker kan werken met behulp van de HPU (hydraulica power unit). Bij het
toepassen van de HPU in het systeem is ook gekeken naar het onderhoud. De HPU zou nu
makkelijk onderhouden moeten worden. Dit is gedaan door onderhoudsgevoelige
componenten zo laag mogelijk in het vliegtuig te plaatsen, zodat alleen een trap nodig is om
bij het component te kunnen.
Ook is er berekend wat de dikte moet zijn voor de as die in de HPU zit. Deze heeft een
benodigde dikte van 14.8mm. Ook hebben de wanden van de actuator een dikte van 7.6
mm. De diameter van de cilinder is ook berekend. Deze heeft een diameter van 58.2mm om
de benodigde kracht op te wekken die nodig is om de walking beam in beweging te brengen.
29
Appendix I: load case 1
Appendix II: Load case 2
31
Appendix III: uitslag
32
Appendix IV: Hydraulic stand-by
Appendix V: Hydraulic pitch neerwaarts
34
Appendix VI: Hydraulic pitch opwaarts
35
Appendix VII: hydraulics defect
36
Appendix VIII: Load case scenario’s