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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Schubkraft eines Triebwerks an einem Fahrzeug und ein Luftfahrzeug mit mindestens einem Triebwerk und einer Anordnung zum Bestimmen der Schubkraft des mindestens einen Triebwerks.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die mit Hilfe von Triebwerken an einem Flugzeug bereitgestellte Schubkraft wird heutzutage nicht als solche in einem Cockpit angezeigt. Stattdessen werden dort verschiedene gemessene physikalische Größen präsentiert, aus denen ein Pilot eine entsprechende Schubkraft abschätzen kann. Je nach Hersteller des Triebwerks können die Größen das momentane Druckverhältnis, die Abgastemperatur, die Drehzahl einer Niederdruckwelle, die Drehzahl einer Hochdruckwelle und den Brennstoffmassenstrom umfassen. Erst mit ausreichender Erfahrung des Piloten können diese Werte zu einer stets tendenziell etwas unpräzisen Abschätzung einer Schubkraft führen.
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GB 673 987 A zeigt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen der Schubkraft eines Triebwerks eines Flugzeugs durch Messen des Drucks eines hydraulischen System, der durch Verkopplung des Triebwerks mit dem hydraulischen System von der Schubkraft abhängt. Diese Vorrichtung erfordert jedoch substantielle Modifikationen an der Struktur des Flugzeugs.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein möglichst einfaches Verfahren und eine möglichst einfache Vorrichtung zum Bestimmen der Schubkraft eines Triebwerks an einem Fahrzeug vorzuschlagen, die möglichst keine substantiellen Modifikationen an der Struktur des Fahrzeugs selbst erfordern.
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Die Aufgabe bezüglich des Verfahrens wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
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Ein Verfahren zum Bestimmen der Schubkraft mindestens eines Triebwerks, das an einer Stützstruktur eines Fahrzeugs gelagert ist, weist in einer vorteilhaften Ausführungsform die folgenden Schritte auf. Die Dehnung mindestens eines Strukturelements, auf das eine Schubkraft des mindestens einen Triebwerks einwirkt, wird mittels mindestens eines Dehnungsmessstreifens erfasst. Die die Dehnung verursachende Kraft in dem mindestens einen Schubelement wird unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften des Strukturelements berechnet. Die Schubkraft des mindestens einen Triebwerks wird als Kraftkomponente der berechneten Kraft in Schubrichtung des Fahrzeugs ermittelt.
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Das mindestens eine Strukturelement ist ein beliebiges Last tragendes oder Schub einleitendes Bauteil, auf das eine Schubkraft des Triebwerks einwirkt. Das Strukturelement kann ein Teil einer fachwerkartigen, balkenartigen oder profilträgerartigen Stützstruktur sein, die zur Lagerung des Triebwerks an einem Fahrzeugrumpf, einem Flugzeugflügel oder anderen Elementen dient oder ein zwischen der Stützstruktur und dem Triebwerk angeordnetes Bauteil sein. Aus der Kenntnis der Größe und Richtung der konkreten Lasteinleitung in das betrachtete Strukturelement und damit des Lastpfads zwischen dem Triebwerk und dem betrachteten Strukturelement und des daraus resultierenden schubkraftabhängigen Kraftanteils kann aus der berechneten Kraft auf das Strukturelement ein Rückschluss auf die insgesamt wirkende Schubkraft gezogen werden.
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Der Begriff des Fahrzeugs soll dabei nicht beschränkend ausgelegt werden. Ein Fahrzeug kann in dem vorliegenden Zusammenhang zwar insbesondere ein Luftfahrzeug sein, allerdings könnte es auch ein boden- oder wassergebundenes Fahrzeug sein, bei dem ein Antrieb des Fahrzeugs durch Einleiten einer Schubkraft erfolgt.
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In modernen, größeren Verkehrsflugzeugen erfolgt die Aufhängung eines Triebwerks an einer entsprechenden Stützstruktur häufig derart, dass Luft-, Massen- und Gewichtskräfte in Y- und Z-Richtung des flugzeugfesten Koordinatensystems durch flanschartige Lager an der Stützstruktur aufgenommen werden. Die Schubkraft des Triebwerks, die die auftretenden Gewichts-, Massen- und Luftkräfte deutlich übersteigt, wird mit Hilfe von eigens dafür vorgesehenen separaten Schubelementen in die Stützstruktur des Flugzeugs eingeleitet. Derartige Schubelemente sind häufig stangenartig ausgebildet und erstrecken sich von dem betreffenden Triebwerk zu einer in X-Richtung dahinter und in Z-Richtung darüber liegenden Einleitungsstelle an der Stützstruktur, wenn das Triebwerk unterhalb eines Flügels angeordnet ist. Die auch als „Spigot” bekannten Schubelemente erstrecken sich daher üblicherweise winklig zu der X-Achse des Luftfahrzeugs. Bevorzugt werden pro Triebwerk zwei solche Schubelemente eingesetzt, die symmetrisch zueinander angeordnet sind und überwiegend windschief zu der X-Achse des Luftfahrzeugs verlaufen. Die Schubelemente werden mit beiden Enden überwiegend schwenkbar sowohl an dem Triebwerk als auch an der Stützstruktur angeordnet, so dass beim Aufbringen einer Schubkraft durch das Triebwerk das Schubelement einer weitestgehend reinen Zugbelastung ausgesetzt ist.
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Bedingt durch die inhärenten Materialeigenschaften des Schubelements resultiert aus der Belastung aufgrund der Schubkraft eine von der Axialkraft weitgehend linear abhängige material- und formabhängige Dehnung, die anhand des mindestens einen Dehnungsmessstreifens, der an dem als Schubelement ausgeführten Strukturelement anzuordnen ist, gemessen werden kann. Durch Kenntnis der Materialeigenschaften kann aus der überwiegend linearen Abhängigkeit der gemessenen Dehnung die wirksame Axialkraft in dem Schubelement berechnet werden. In einem fahrzeugfesten Koordinatensystem betrachtet kann sich die in dem Schubelement gemessene Axialkraft vektoriell aus mehreren Kraftkomponenten zusammensetzen, die parallel zu den Achsen des fahrzeugfesten Koordinatensystems verlaufen. Der Betrag der Projektion des ermittelten Axialkraftvektors auf die für den Schub relevante wirksame Achse entspricht der auf das Fahrzeug wirksamen Schubkraft des betrachteten Triebwerks. Im Idealfall kann die relevante Achse die X-Achse des fahrzeugfesten (bzw. insbesondere flugzeugfesten) Koordinatensystems sein. Dies ist jedoch nicht unbedingt notwendig, denn eine wirksame Schubachse kann auch winklig oder gänzlich windschief zu der X-Achse verlaufen. Dann wäre eine komponentenweise Zerlegung der Axialkraft in einem anderen Koordinatensystem, das eine mit der Schubrichtung zusammenfallende Achse aufweist, sinnvoll.
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Abweichend hierzu kann, wie etwa in
EP 1 535 839 B1 beschrieben, ein Triebwerk eines Flugzeugs auch ohne derartige Schubelemente an einer Stützstruktur gelagert werden. Hierbei sind lediglich eine vordere und eine hintere flanschartige Befestigungen in Form von Schäkeln zum Einbringen von Befestigungsachsen vorhanden. Derartige Aufhängevorrichtungen übertragen hauptsächlich mit der vorderen und teilweise auch mit der hinteren Befestigung die Schubkraft, so dass es sinnvoll ist, sämtliche betroffenen Strukturelemente mit Dehnungsmessstreifen auszustatten. Diese können dann Rückschlüsse auf eine Durchbiegung der Schäkel erlauben, aus der sich eine jeweils einwirkende Kraft ermitteln lässt. Der Betrag dieser ermittelten Kraft in der Schubrichtung wäre dann ebenfalls nach der vorangehend genannten Methode zu ermitteln.
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Ist das Strukturelement etwa innerhalb der Stützstruktur angeordnet kann es Teil eines Fachwerks oder eines fachwerkartigen Trägers sein. Zur Berechnung der Schubkraft können auch für diesen Fall die allgemeinen Berechnungsmethoden der technischen Mechanik verwendet werden. In einem Fachwerk werden einzelne Fachwerks- bzw. Strukturelemente primär Zug- und Druckkräften ausgesetzt, so dass basierend auf dieser Annahme etwa nach der Methode des Ritterschen Schnitts eine von einer eingeleiteten Schubkraft abhängige Kraft in einem betrachteten Strukturelement innerhalb des Fachwerks analytisch bestimmbar ist. Dies impliziert, dass mit einer entsprechenden Umkehrfunktion auch durch Messen der Kraft in dem betrachteten einzelnen Strukturelement die insgesamt in das Fachwerk oder den fachwerkartigen Träger eingeleitete Schubkraft berechnet werden kann. Für andere Träger oder Stützstrukturen können entsprechende Berechnungsmethoden angewandt werden. Für komplexe Träger oder Stützstrukturen, die keine genaue analytische Lösung für die Ermittlung der Schubkraft aus einer gemessenen örtlichen Dehnung zulassen, bietet es sich an, über einen Versuchsaufbau entsprechende Kennlinien zu generieren, aus denen mit ermittelter Dehnung direkt die jeweilige Schubkraft ermittelbar ist.
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Der Vorteil dieses erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass nicht nur sämtliche physikalischen Größen, die während des Betriebs des Fahrzeugs von dem mindestens einen Triebwerk geliefert werden, für die Schubbestimmung verwendet werden müssen. Einem Piloten kann bei Verwendung der berechneten Schubkraft im Cockpit direkt eine tatsächlich auftretende Schubkraft präzise angezeigt werden.
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Es können sämtliche Bauformen von Dehnungsmessstreifen eingesetzt werden, die heutzutage erhältlich sind. Neben rein widerstandsbasierten metallischen Dehnungsmessstreifen, bei denen eine Längenänderung eine Widerstandsänderung hervorruft, sind auch piezoresistive Dehnungsmessstreifen bekannt, deren spezifischer Widerstand sich bei einer Volumenänderung ändert. Ein Dehnungsmessstreifen wird üblicherweise auf das zu überwachende Objekt aufgeklebt. Die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Elastizität und das Kriechverhalten des Klebers, sind bei der Ermittlung der jeweiligen Dehnung entsprechend zu berücksichtigen.
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Es versteht sich, dass neben der elektronischen Verschaltung des mindestens einen Dehnungsmessstreifens, etwa in Form einer Widerstands-Brückenschaltung, entsprechende Einrichtungen für eine Auswertung der erfassten Dehnungen vorhanden sein sollten, die ein Messrauschen oder andere Artefakte wirksam unterdrücken können, so dass eine sinnvolle Wertebestimmung erfolgt. Beispielhaft sei an dieser Stelle der Kalman-Filter genannt, der insbesondere aus Trägheitsmesseinrichtungen bekannt ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das mindestens eine Strukturelement aus einer Gruppe von Strukturelementen ausgewählt, wobei die Gruppe ein längliches Schubelement (Spigot), über das das mindestens eine Triebwerk die Schubkraft in die Stützstruktur einleitet, einen Flansch zum Anbringen eines länglichen Schubelements, einen Teil einer Stützstruktur, ein vorderes Aufhängemittel, und ein hinteres Aufhängemittel umfasst. Die Aufhängemittel können etwa als Schäkel realisiert sein. Diese Gruppe von Strukturelementen ist keine abschließende, beschränkende Aufzählung sondern ist lediglich als ein Hinweis anzusehen, dass sämtliche denkbaren Aufhängungsmittel und/oder Schubeinleitungsmittel für Triebwerke mit Dehnungsmessstreifen ausgestattet werden können, um mit einem erfindungsgemäßen Verfahren eine Schubkraft ermitteln zu können.
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Weiterhin ist denkbar, wie eingangs ausgeführt, das mindestens eine Triebwerk mit mehreren Strukturelementen, etwa Schubelementen, zu verbinden. In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst daher das Erfassen der Dehnung des mindestens einen Strukturelements das Erfassen der Dehnungen mehrerer mit dem jeweiligen Triebwerk verbundener Strukturelemente. Das Berechnen der die Dehnung verursachenden Axialkräfte könnte dementsprechend auch das Berechnen aller Axialkräfte für sämtliche Schubelemente eines Triebwerks umfassen, das Berechnen aller einwirkenden Kräfte für alle schäkelartigen Haltemittel oder das Berechnen aller einwirkenden Kräfte auf eine Mehrzahl von Strukturelementen innerhalb einer Stützstruktur für das Triebwerk. Durch die Vermehrfachung von Messergebnissen kann die Präzision des Verfahrens gesteigert werden, um nicht von einer Einzelmessung an einem Triebwerk Rückschlüsse für andere symmetrische Messstellen herleiten zu müssen, da dies nicht zwangsläufig zu einem korrekten Ergebnis führt.
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Fahrzeuge und insbesondere größere Verkehrsflugzeuge weisen überwiegend mehrere Triebwerke auf, so dass in einer vorteilhaften Ausführungsform das Ermitteln der Schubkraft die Addition der ermittelten Schubkräfte aller Triebwerke umfasst. Das Ausrüsten eines einzelnen Strukturelements an einem Triebwerk oder einer zugehörigen Stützstruktur mit Dehnungsmessstreifen kann nur die dort wirkende Kraft ermittelbar machen, so dass daraus stets nur die Schubkraft des betreffenden Triebwerks bestimmbar ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Erfassen der Dehnung des mindestens einen Strukturelements das Messen mehrerer Dehnungswerte auf dem gleichen Strukturelement mit Hilfe einer Gruppe von Dehnungsmessstreifen und das Mitteln der einzelnen Dehnungswerte. Es kann bei der Verwendung eines einzelnen Dehnungsmessstreifens auf einem Strukturelement nicht ausgeschlossen werden, dass sich die Verklebung zwischen dem Dehnungsmessstreifen und dem überwachten Objekt löst oder der Dehnungsmessstreifen mechanisch beschädigt wird. Werden mehrere Dehnungsmessstreifen eingesetzt, kann die Gefahr verringert werden, falsche Dehnungswerte einer Schubkraftberechnung zugrunde zu legen. Das Mitteln kann beispielsweise die Bildung eines arithmetischen oder eines zeitlich gewichteten Durchschnitts umfassen.
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In einer weiter vorteilhaften Ausführungsform kann das Ermitteln der Dehnung des mindestens einen Strukturelement das Messen mehrerer Dehnungswerte an verschiedenen Orten des Strukturelements umfassen, wobei die einzelnen Dehnungswerte einer Plausibilitätsprüfung unterzogen werden und die dabei als plausibel ermittelten Dehnungswerte gemittelt werden. Die Plausibilitätsprüfung ist als eine überschlagsmäßige Prüfung zu verstehen, ob ein gemessener Wert in einen vorgegebenen üblichen Wertebereich fällt oder ob mehrere parallel ermittelte Dehnungswerte des gleichen Strukturelements deutlich voneinander abweichen oder bei zeitlicher Betrachtung deutliche Diskontinuitäten aufweisen. Bei der Verwendung von drei oder vier Dehnungsmessstreifen ist leicht feststellbar, ob ein Dehnungsmessstreifen kontinuierlich Messwerte liefert, die sich deutlich von den Messwerten anderer Dehnungsmessstreifen unterscheidet. Ist etwa die Verklebung zwischen einem Dehnungsmessstreifen und dem zugehörigen Strukturelement gelöst, könnte der betreffende Dehnungswert stets in der Nähe von 0 liegen, während die gemessenen Werte der anderen Dehnungsmessstreifen stets von 0 verschieden sind und untereinander ungefähr die gleiche Größenordnung haben. Bei der Verwendung einer ausreichenden Anzahl von Dehnungsmessstreifen könnte eine Messwertmittelung einer bereits selektierten Anzahl von Dehnungsmessstreifen mit plausiblen Messwerten durchgeführt werden. Zusätzlich kann zur Plausibilitätsprüfung auf Basis der üblichen physikalischen Größen des betrachteten Triebwerks eine Abschätzung einer vorliegenden Schubkraft durchgeführt werden, mit der dann die aufgrund der ermittelten Dehnungen berechnete Schubkraft verglichen werden kann. Eine derartige Prüfung auf Plausibilität könnte von einer Elektronikeinheit durchgeführt werden, die entweder bereits für die Messung und Auswertung der Dehnungswerte eingesetzt wird oder als ein zusätzliches, separates Gerät für diese Aufgabe konzipiert wird. Die Plausibilitätsprüfung könnte zusätzlich auch sämtliche ermittelten Dehnungswerte untereinander vergleichen um festzustellen, ob die Abweichung der Werte untereinander einen bestimmten Schwellwert übersteigt.
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Die Aufgabe bezüglich der Vorrichtung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des weiteren unabhängigen Anspruchs gelöst.
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Die Vorrichtung zum Bestimmen der Schubkraft mindestens eines Triebwerks, das an einer Stützstruktur eines Fahrzeugs gelagert ist, weist mindestens einen Dehnungsmessstreifen zum Erfassen der Dehnung mindestens eines Strukturelements und eine Elektronikeinheit auf, wobei die Elektronikeinheit mit dem mindestens einen Dehnungsmessstreifen verbunden ist und dazu eingerichtet ist, eine von dem mindestens einen Dehnungsmessstreifen erfasste Dehnung eines Strukturelements aufzunehmen und die die ermittelte Dehnung verursachende Kraft des von dem mindestens einen Dehnungsmessstreifen überwachten Strukturelements unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften des Strukturelements zu berechnen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Elektronikeinheit dazu eingerichtet, von mindestens einer Gruppe mit mehreren Dehnungsmessstreifen Dehnungen zu erfassen und die erfassten Dehnungen einer Gruppe zu mitteln.
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In einer weiter vorteilhaften Ausführungsform ist die Elektronikeinheit dazu eingerichtet, von mindestens einer Gruppe mit mehreren Dehnungsmessstreifen Dehnungen zu erfassen und durch Vergleich der erfassten Dehnungen mit einem vorbestimmten Wertebereich die Plausibilität der erfassten Dehnungen zu überprüfen.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Fahrzeug, das mindestens ein Triebwerk und mindestens eine Stützstruktur aufweist, wobei das Triebwerk an der Stützstruktur gelagert ist. Ein Strukturelement ist mit mindestens einem Dehnungsmessstreifen ausgestattet, der mit einer Elektronikeinheit verbunden ist. Die Elektronikeinheit ist dazu eingerichtet, aus einem Signal des mindestens einen Dehnungsmessstreifens eine Dehnung des Strukturelements zu ermitteln, aus der die Dehnung verursachende Kraft in dem mindestens einen Strukturelement unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften des Strukturelements zu berechnen und aus der ermittelten Kraft die Schubkraft des mindestens einen Triebwerks als Kraftkomponente in Schubrichtung des Fahrzeugs zu ermitteln.
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Das Fahrzeug ermöglicht damit eine stets präzise Aussage über die derzeit vorliegende Schubkraft zu ermitteln, ohne eine Abschätzung anhand von anderen physikalischen Größen vornehmen zu müssen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammensetzung in den einzelnen Ansprüchen und deren Rückbezügen. In den Figuren stehen weiterhin gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Flugzeugs.
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2 zeigt eine Detaildarstellung einer Triebwerksaufhängung mit Schubelementen und daran angeordneten Dehnungsmessstreifen.
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3 zeigt eine Detaildarstellung einer alternativen Triebwerksaufhängung mit Schäkeln und daran angeordneten Dehnungsmessstreifen.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Bestimmen der Schubkraft eines Triebwerks eines Fahrzeugs.
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5 zeigt eine exemplarische Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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DETAILLIERTE DARSTELLUNG EXEMPLARISCHER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt ein Flugzeug 2 in einer Draufsicht, welches zwei Triebwerke 4 besitzt. Jedes dieser Triebwerke 4 ist an jeweils einer Stützstruktur 6 des Flugzeugs angeordnet, die zwei punkt- oder flanschartige Lager 8 und 10 sowie Schubelemente 12 aufweist. Die Triebwerke 4 liefern jeweils eine Schubkraft, die sich als Zugkraft an der Stützstruktur 6 äußert. Die wirksame Richtung der Schubkraft kann mit der Langsachse X eines flugzeugfesten Koordinatensystems (beispielsweise im Sinne der DIN 9300) zusammenfallen. Die Schubelemente 12 sind derart angeordnet, dass die Triebwerke 4 ihre Schubkraft ausschließlich oder weitestgehend über die Schubelemente 12 in die Struktur des Flugzeugs 2 einleiten. Aufgrund einer nicht starren Anbindung der Schubelemente 12 an der Stützstruktur 6 werden die Schubelemente praktisch ausschließlich durch eine Zugkraft belastet.
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An jedem Schubelement 12 ist mindestens ein Dehnungsmessstreifen 14 angeordnet, der die Dehnung des jeweiligen Schubelements 12 erfasst. Aus der Kenntnis der Materialeigenschaften und des Querschnitts der Schubelemente 12 kann hierdurch die mit der Dehnung korrelierende Zugkraft innerhalb des jeweiligen Schubelements 12 berechnet werden. Durch eine Projektion eines Kraftvektors, dessen Richtung durch die räumliche Lage des jeweiligen Schubelements 12 bestimmt wird und dessen Länge bzw. Betrag durch die gemessene Zugkraft bekannt ist, auf die betrachtete Schubrichtung wird der zu dem jeweiligen Schubelement 12 gehörende Schubkraftvektor gebildet. Dessen Länge bzw. Betrag ist ein Maß für die Schubkraft, die über das jeweilige Schubelement 12 in die Stützstruktur 6 eingeleitet wird.
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Exemplarisch werden zwei Schubelemente 12 für jedes Triebwerk 4 gezeigt, so dass die gesamte Schubkraft eines Triebwerks 4 aus der Addition der durch beide Schubelemente 12 eingeleiteten Schubkräfte ermittelt wird.
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2a und 2b zeigen in einer seitlichen Schnittdarstellung (2a) und in einer schematisierten Draufsicht (2b) die Anordnung eines Triebwerks 4 an einer Stützstruktur 6, wobei zur Einleitung einer Schubkraft in die Stützstruktur zwei Schubelemente 12 eingesetzt werden. Deutlich wird die Anordnung von beispielhaft insgesamt drei Dehnungsmessstreifen 14 entlang der Länge der Schubelemente 12, die jeweils für sich die lokale Dehnung detektieren können. Sämtliche Dehnungsmessstreifen 14 sind bevorzugt auf das Schubelement 12 geklebt und folgen demnach genau dessen elastischer Dehnungsbewegung.
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Die Schubelemente 12 sind exemplarisch um die Y-Achse um einen in der X-Z-Ebene liegenden Winkel α versetzt und um die Z-Achse um einen in der X-Y-Ebene liegenden Winkel β. Unter der Annahme, dass die Schubkraft des Triebwerks 4 vollständig durch die beiden Schubelemente 12 in die Stützstruktur 6 eingeleitet wird kann diese durch Berechnen der Axialkräfte innerhalb der Schubelemente 12 berechnet werden. Ist als Schubrichtung die X-Achse des flugzeugfesten Koordinatensystems ausschlaggebend entspricht in diesem einfachen Fall die Schubkraft der Summe der ermittelten Axialkräfte, multipliziert mit dem cos(α) und dem cos(β).
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Die Messung der Axialkraft in den Schubelementen 12 wird zur Steigerung der Genauigkeit und der Zuverlässigkeit durch mehrere Dehnungsmessstreifen 14 durchgeführt, die auf dem jeweiligen Schubelement 12 verteilt sind. Die ermittelten Dehnungswerte können einer Plausibilitätsprüfung unterzogen und/oder gemittelt werden.
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3 zeigt eine alternative flanschartige Aufhängevorrichtung basierend auf der Darstellung in
EP 1 535 839 B1 für ein Triebwerk, bei der zwei dreieckige Schäkel
16 als vordere Aufhängemittel eingesetzt werden, die um die Z-Achse auf einer horizontalen Ebene etwas verdreht sind. Als einer Kraft ausgesetzte Strukturelemente sind die Schäkel
16 anzusehen, die mit Dehnungsmessstreifen
14 ausgestattet werden, um deren Dehnungen detektieren. Zur Bereitstellung eines hinteren Aufhängemittels kann ein weiterer Schäkel
18 eingesetzt werden, der zwar nur unbeträchtlich mit einer Schubkraft beaufschlagt sein könnte, dennoch mit einem weiteren Dehnungsmessstreifen ausgerüstet sein kann, um aus der Gesamtheit aller drei Schäkel
16 und
18 eine wirkende Schubkraft des betreffenden Triebwerks zu ermitteln.
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Eine Vorrichtung zum Bestimmen der Schubkraft mindestens eines Triebwerks, das an einer Stützstruktur eines Fahrzeugs gelagert ist, kann gemäß 4 eine Reihe von Dehnungsmessstreifen 14 aufweisen, die mit einer oder mehreren Elektronikeinheiten 22 verbunden sind. Beispielhaft wird eine Verstärkereinheit 20 dazu eingesetzt, die mehr oder weniger zahlreichen Dehnungsmessstreifen 14 an Eingängen A, B, C, D, usw. elektrisch anzubinden, um ein auswertbares analoges oder digitales Signal an einem Ausgang Z bereitzustellen, mit dem die Elektronikeinheit 22 verbunden ist. Die Verstärkereinheit 20 kann für jeden Dehnungsmessstreifen, etwa metallischer Art, eine entsprechende Brückenschaltung, z. B. eine Wheatstone'sche Brückenschaltung, beinhalten und eine stabile Brückeneinspeisespannung bereitstellen. Zur Messung feinster Widerstandsänderungen können die erreichten Differenzspannungen innerhalb der Messpunkte in den Brückenschaltungen so verstärkt werden, dass sie in einem geeigneten Spannungsbereich für einen innerhalb der Elektronikeinheit 22 oder der Verstärkereinheit 20 integrierten Messwertwandler liegen.
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Die Elektronikeinheit 22 ist dazu eingerichtet, elektrische Zustandsgrößen der Dehnungsmessstreifen 14 zu ermitteln, aus denen eine Aussage über die jeweilige Dehnung ermöglicht wird, der die Dehnungsmessstreifen 14 unterworfen sind. Zusätzlich ist die Elektronikeinheit 22 dazu eingerichtet, aus der festgestellten Dehnung die jeweilige Kraft innerhalb des jeweiligen zugehörigen Strukturelements 12, 16, 18 zu bestimmen. Unter Berücksichtigung des Lastpfads zwischen dem Triebwerk und dem betrachteten Strukturelement 12, 16, 18 und des daraus resultierenden schubkraftabhängigen Kraftanteils kann aus der berechneten Kraft auf das Strukturelement 12, 16, 18 ein Rückschluss auf die Schubkraft gezogen werden. Hierfür kann die Elektronikeinheit 22 entweder eine analytische mechanische Lösung bereitstellen, die beispielsweise eine Umkehrfunktion der Kraftbestimmung in einem Strukturelement 12, 16, 18 auf Basis der eingeleiteten Schubkraft ist oder auf experimentell ermitteln Kennlinien basiert. Letzlich ist die Elektronikeinheit 22 dazu eingerichtet, die jeweils für ein Triebwerk 4 ermittelte Schubkraft in der gewünschten räumlichen Schubrichtung auszugeben.
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Zur Anzeige der Schubkräfte überträgt die Elektronikeinheit 22 diese Information an eine Anzeigeeinheit 24, die entweder separat ausgeführt oder Teil eines übergeordneten Fahrzeugsystems, wie dem Flugmanagementsystem, sein kann. Die Anzeige kann in einer gängigen Einheit erfolgen, wie kN oder ähnliches.
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Die Elektronikeinheit 22 ist ferner dazu befähigt, die Plausibilität gemessener Dehnungswerte zu prüfen. Hierzu werden die gemessenen Dehnungswerte eines einzelnen Strukturelements miteinander und/oder mit einem vorgegebenen Wertebereich verglichen. Überschreitet die Differenz zwischen einem der gemessenen Dehnungswerte und anderen Dehnungswerten einen vorgegebenen Schwellwert kann gefolgert werden, dass dieser nicht Messwert nicht plausibel ist und beispielsweise ein zugehöriger Dehnungsmessstreifen 14 oder einer der Eingänge A, B, C, D, ..., eine Verstärkerschaltung oder andere Einrichtungen defekt ist. Liegt ein Messwert generell weit außerhalb eines üblichen vorbestimmten Wertebereichs kann ebenfalls daraus gefolgert werden, dass dieser Wert nicht plausibel ist. Die Elektronikeinheit 22 kann ferner dazu eingerichtet sein, anhand von anderen physikalischen Größen eines Triebwerks 4, etwa dem Druckverhältnis, Wellendrehzahlen oder der Abgastemperatur, einen Schubkraftwert für das jeweilige Triebwerk 4 abzuschätzen und mit dieser Abschätzung einen überschlägigen Vergleich mit gemessenen Dehnungswerten durchzuführen. Die Elektronikeinheit 22 ist ferner dazu befähigt, sämtliche plausiblen Messwerte zu mitteln, um einen möglichst genauen Wert für die Dehnung des betreffenden Strukturelements 16, 18, 20 zu erhalten.
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Die Dehnungsmessstreifen 14 können zu verschiedenen Triebwerken gehören. Demnach ist die Elektronikeinheit 22 dazu eingerichtet, die einzelnen ermittelten Schubkräfte für jedes Triebwerk 4 zu addieren, um schließlich den Gesamtschub des Fahrzeugs zu bestimmen.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren kann, wie in 5 dargestellt, etwa die Verfahrensschritte des Erfassens 24 der Dehnung mindestens eines Strukturelements mittels mindestens eines Dehnungsmessstreifens, des Berechnens 26 der die Dehnung verursachenden Kraft in dem mindestens einen Strukturelement unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften des Strukturelements und des Ermittelns 28 der Schubkraft des mindestens einen Triebwerks als Kraftkomponente der berechneten Kraft in Schubrichtung des Fahrzeugs umfassen. Vor Verwendung der gemessenen Dehnungswerte kann eine Plausibilitätsprüfung durchgeführt werden 30, die den Vergleich der Messwerte mit vorbestimmten Wertebereichen und/oder den Vergleich mit anderen Messwerten am gleichen Strukturelement umfasst. Schließlich können sämtliche ermittelten Schubkraftanteile addiert 32 und angezeigt 34 werden.
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Ergänzend sei darauf hinzuweisen, dass „aufweisend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „ein” oder „einer” keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.