Simulation of Landing Gear Dynamics and Brake-Gear Interaction

Khapane, Prashant

Die Bezeichnung „Fahrwerk“ kennzeichnet eine der Hauptfunktionen des Antriebs, nämlich die Beherrschung des Landungsstoßes, aber es kann nicht die anderen Funktionen, wie die Bereitstellung von Mitteln für das Flugzeug, um auf dem Boden zu manövrieren, rangieren und abzuheben beschreiben. Fahrwerksdynamik, besonders shimmy (flattern) und von den Bremen verursachte Vibrationen sind nur einige der Probleme, den sich die Flugzeughersteller heute stellen müssen. Vibrationen des Fahrwerks können zu fatalen Unfällen aufgrund übermäßiger Abnutzung, führen, sie können auch die Lebensdauer des Antriebs verringern und den Komfort des Piloten und der Passagiere beeinflussen. Unter den wichtigsten Gründen der Fahrwerksvibrationen sind ungeeignete Kombinationen von baulicher Steife, Dämpfung und pneumatischen Reifencharakteristika, ferner kann eine unglückliche Kombination von Bremssystementwurf mit der Physik der Reifen ein erhebliches Vibrationsproblem hervorrufen. Das Flattern (Shimmy) kann durch eine Anzahl von Bedingungen, wie eine geringe Drehmomentensteifigkeit, übermäßiges Spiel im Antrieb, Reifenunwucht oder abgenutzten Teilen, hervorgerufen werden. Obwohl Gleichungen, die die verschiedene Teile eines Fahrwerks darstellen, gängig sind, kann das lösen der Probleme von Hand mit mathematischen Programmen langsam und umständlich sein. Dennoch haben es viele kommerziell verfügbare rechnergestützte Entwicklungswerkzeuge (CAD) möglich gemacht, einige der Probleme in der Entwurfsphase durch die Simulation des Landungsstoßes und Bodenmanöver zu testen. Beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) wurde die Simulation solch eines instabilen und komplexen Phänomens während des Flugzeugbodenmanövers durchgeführt, um Vibrationen im Fahrwerk zu ermitteln und um die Effekte wichtiger Parameter zu studieren, die die Stabilität und den Komfort beeinflussen könnten. Ein Mehrkörpersimulations(MKS)-Model eines Fahrwerks wurde unter der Verwendung von NASTRAN für diesen Zweck erstellt und in das MKS-Werkzeug SIMPACK importiert. Eine angemessene Modellierung der Reifen- und Bremsdynamik ist eine wichtige Angelegenheit für die Analyse des Verhaltens eines Flugzeugs während der Bodenmanöver, da potenziell instabile Phänomene, wie Fahrwerkslängsschwingungen und Flattern (Shimmy) in dieser Phase vorkommen können und ebenfalls in das MKS-Werkzeug implementiert wurde. Mit Hilfe all dieser Module wurden verschiedene Bodenmanöver inklusive Bremsmanöver simuliert. Der Effekt verschiedener Parameter auf Fahrwerksvibrationen wurde ebenfalls studiert. Genauere Punkte werden im Abschluss hervorgehoben, die detailliertere Studien und Analysen erfordern können.

The term ‘landing gear’ indicates one of the main functions of the gear, namely the containment of the landing impact but it fails to describe the other functions, such as provision of means for the aircraft to maneuver on the ground, taxi and take off. Landing gear dynamics, especially shimmy and brake-induced vibrations, is one of the problems faced today by the aircraft community. Landing gear vibrations may lead to fatal accidents due to excessive wear, it can also shorten the gear life, and affect comfort to the pilot and passengers. Among the most important reasons for landing gear vibrations are unsuitable combination of structural stiffness, damping, and pneumatic tire characteristics further more an unlucky combination of brake system design with the tire physics can produce a serious vibration problem. Shimmy may be caused by a number of conditions such as low torsional stiffness, excessive free play in the gear, wheel imbalance, or worn parts. Although equations for representing various parts of a landing gear are well established, solving the problems manually with mathematical programs can be slow and laborious. However, many commercially available computer-aided engineering tools have made it possible to test some of the problems in the design phase by simulating the landing gear impact and ground maneuvers. At the German Aerospace Center (DLR), simulation of such an unstable and complex phenomenon during aircraft ground maneuvers is done to detect vibrations in aircraft landing gear and study the effect of important parameters that may affect the stability and comfort. A multi-body simulation (MBS) model of a landing gear was prepared using Nastran for this purpose and imported into the MBS tool SIMPACK. An adequate modeling of tire and brake dynamics is an important issue for the analysis of the behavior of an aircraft during ground maneuvers as potentially unstable phenomenon such as gear walk and shimmy may occur in these phases and was also implemented into the MBS tool. With the help of all these modules different ground maneuvers were simulated including braked maneuver. Effect of various parameters on landing gear vibrations was also studied. Finer points are highlighted in the conclusion which may require more detailed study and analysis.

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Khapane, Prashant: Simulation of Landing Gear Dynamics and Brake-Gear Interaction. 2007.

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