Entwerfen von Flugzeugkabelbäumen 101

Sie sind also ein neuer Ingenieur, der gerade sein Studium abgeschlossen hat. Sie wurden bei einem großen OEM mit der Entwicklung von Kabelbäumen und Kabelkastenbaugruppen beauftragt. Da Sie nicht über die richtige Ausbildung am College verfügen, fragen Sie sich: „Wo soll ich anfangen?“ Die Möglichkeiten sind grenzenlos.

Keine Sorge! Wir sind hier um zu helfen.

Jedes Flugzeug verfügt normalerweise über eine Luftfahrzeugspezifikation (AVS). Dabei handelt es sich um ein sehr umfangreiches Dokument, das der OEM vor der Konstruktion des Flugzeugs verfasst. Es enthält jede Menge Informationen über jeden Aspekt des Flugzeugs, einschließlich der Kabelbaumkonstruktion. Fragen Sie, ob ein AVS oder ein ähnliches Dokument vorhanden ist. Wenn ja, lesen Sie alle Abschnitte, die sich mit dem Entwurf elektrischer Systeme befassen.

Das nächste Dokument, das Sie lesen müssen, ist der Standard AS50881 der Society of Automotive Engineers (SAE) zur Verkabelung von Luft- und Raumfahrtfahrzeugen. Dieses Dokument war früher MIL-STD-5088 und wurde zuletzt im Jahr 2015 überarbeitet. Es umfasst Informationen wie die Strombelastbarkeit von Drähten; wie Kabel in Militärflugzeugen identifiziert, markiert, verlegt und befestigt werden sollten; und Hunderte anderer Richtlinien und Anforderungen. Sie finden es unter www.sae.org.

Beim Entwurf eines Kabelbaums stehen Tausende von Teilenummern zur Auswahl. Wie entscheiden Sie, welche Teile Sie auswählen?

Als Erstes müssen Sie den Unterschied zwischen Standardteilen, nicht standardmäßigen Teilen und handelsüblichen Teilen (COTS) verstehen.

Ein Standardteil ist ein Militärteil. Es wird vom US-Militär kontrolliert. Diese Teile werden oft als MIL SPEC-Teile (kurz für militärische Spezifikation) bezeichnet.

Viele dieser Teilenummern beginnen mit „M“, was für Military steht. Ein Beispiel ist M39029/4-110. Dies ist die militärische Teilenummer für einen Metallkontakt, der in elektrische Steckverbinder eingesetzt wird. Andere militärische Teilenummern beginnen mit „MS“, was für „militärische Spezifikation“ steht. Ein Beispiel ist MS3154, eine Zugentlastung für Drähte, die in einen Steckverbinder eingeführt werden. Weitere Präfixe sind „NAS“, was für National Aerospace Standard steht. Ein Beispiel ist NAS514, eine Flachkopf-Maschinenschraube. Es gibt noch andere Präfixe für militärische Teilenummern, diese sind jedoch bei der Herstellung von Kabelbäumen am gebräuchlichsten.

Jeder militärischen Teilenummer ist eine Spezifikation zugeordnet. Diese Spezifikationen sind online unter http://www.dscc.dla.mil/programs/MilSpec/DocSearch.aspx verfügbar. Seit Ende der 1990er Jahre wurde die Kontrolle über diese Spezifikationen von der US Navy auf die SAE übertragen.

Das Gute an militärischen Teilen ist, dass sie auf vielen Luft- und Raumfahrtplattformen üblich sind. Beispielsweise könnte der M83723/72W1212N-Stecker in den Modellen F-35, V-22, F-16, F-15, C-130 und C-17 verwendet werden. Es handelt sich um einen sehr verbreiteten Steckverbinder in der Luft- und Raumfahrtindustrie.

In den meisten Fällen genehmigt die US-Regierung nur bestimmten Lieferanten und Herstellern die Herstellung eines bestimmten Teils. Diese Lieferanten sind auf einer qualifizierten Teileliste (QPL) für diese Teilenummer aufgeführt.

Ein nicht standardmäßiger Teil basiert auf einem militärischen Teil, unterscheidet sich jedoch geringfügig von der militärischen Spezifikation. Beispielsweise möchte Lockheed Martin möglicherweise einen militärischen Steckverbinder in einer Schottbaugruppe verwenden. Da die Tiefe einer Trennwand etwas größer ist als die Größe des Militärsteckers, muss Lockheed einen neuen Steckverbinder auf der Grundlage des Militärsteckers entwerfen und dessen Größe leicht vergrößern, damit er in die Trennwand passt. In diesem Fall schreibt und kontrolliert Lockheed eine Spezifikation und gibt dem Stecker eine neue Teilenummer.

Typischerweise legt der OEM auch fest, welche Lieferanten für die Herstellung nicht standardmäßiger Teile zugelassen sind. Die Spezifikation wird üblicherweise als Versionskontrollzeichnung oder Spezifikationskontrollzeichnung bezeichnet.

Das Gute an nicht standardmäßigen Teilen ist, dass sie einen Bedarf des OEM decken und der OEM die Spezifikationen und die Lieferanten kontrolliert, die sie herstellen können. Das Schlimme daran ist, dass diese Teile in der Regel teurer sind, da in der gesamten Branche weniger benötigt werden und sie in vielen Fällen nur in einem Flugzeug verwendet werden.

Die dritte Teilekategorie sind handelsübliche Teile (Commercial Off-the-Shelf Parts, COTS). Diese Teile werden von einem Hersteller entworfen und kontrolliert. Basierend auf Marketingstudien und dem Bedarf an Artikeln für kommerzielle und militärische Produkte entwirft und fertigt ein Hersteller seine eigenen Teilenummern. Der Hersteller kontrolliert Überarbeitungen der Spezifikation und den Zeitpunkt der Veröffentlichung von Überarbeitungen. Weder das US-Militär noch der Flugzeughersteller haben die Kontrolle über diese Teile.

Das Gute an COTS-Teilen ist, dass sie leicht verfügbar und kostengünstiger sind als Standard- und Nicht-Standardteile. Sie sind kostengünstiger, da sie nicht vom US-Militär, SAE oder OEMs zugelassen sind. Das Schlimme daran ist, dass der Hersteller seine eigene Spezifikation jederzeit ohne Zustimmung einer externen Quelle ändern kann. Der Hersteller ist auch die einzige Quelle für seine COTS-Teile und kontrolliert daher den Preis und den Vertrieb.

Wenn das elektrische System eines Flugzeugs entworfen wird, liegt der Ausgangspunkt auf der Systemebene. Ein Systemschema zeigt die größeren Komponenten und wie sie verbunden sind. Im Systemschaltplan werden sie einfach mit einer Leitung miteinander verbunden, die Größe und Spezifikation des Kabels wird jedoch nicht angegeben. Außerdem zeigt das Systemschema nicht, wo es Unterbrechungen im Kabel gibt, etwa wenn es über zwei Anschlüsse durch eine Trennwand verläuft. Obwohl es sich um ein sehr einfaches Design handelt, zeigt der Schaltplan die Arten von Signalen an, die das Kabel übertragen wird (z. B. Wechselstrom, Gleichstrom, Daten oder Funk). Darüber hinaus zeigt der Schaltplan, wo abgeschirmte Drähte oder Kabel sowie verdrillte Paare, Drillinge und Quads benötigt werden.

Sie sollten ein Kabel basierend auf der Art des zu übertragenden Signals und der Stromstärke, die es führt, auswählen. Im Allgemeinen sollten Sie den Draht mit der kleinsten Stärke wählen, der den erforderlichen Strom erfolgreich transportieren kann. SAE AS50881 listet die Strombelastbarkeit für die gängigsten Drahtstärken auf. Darüber hinaus berechnet eine gute CAD-Software automatisch die Strombelastbarkeit jeder Messgerätegröße.

In den 1970er Jahren war Kapton-isolierter Draht der gebräuchlichste Draht für Flugzeuge. Kapton ist ein Handelsname von DuPont. Heutzutage werden Flugzeugkabel typischerweise mit Teflon, Tefzel, Cross Link Tefzel oder TKT (Teflon-Kapton-Teflon) isoliert. Typischerweise listet das AVS eines Flugzeugs die Art der Drahtisolierung auf, die im gesamten Flugzeug verwendet wird. Beispielsweise könnte der OEM entscheiden, dass TKT verwendet wird, mit einigen Ausnahmen wie Funkkabeln und teflonisolierten Drähten in Gehäusebaugruppen.

Nachdem Sie nun den Schaltplan, die Art der zu übertragenden Signale, die Stromstärke im Stromkreis und die empfohlene Isolierung kennen, können Sie auswählen, welche Kabelteilenummer Sie verwenden möchten.

Anschließend können mithilfe eines 3D-CAD-Systems die Kabelwege im gesamten Flugzeug verfolgt werden. Darüber hinaus beginnen und enden Kabelpfade normalerweise an einem Steckverbinder, wenn sie durch eine Trennwand verlaufen. Anschließend kann jeder Draht in einem Drahtsegment eindeutig identifiziert und ein detaillierter Drahtplan erstellt werden. Der Schaltplan zeigt alle Leitungssegmente, Identifikationsnummern und Unterbrechungen.

Jedes Kabelsegment in einem Flugzeug sollte eine eigene eindeutige Kennung haben. Sogar die Abschirmung eines abgeschirmten Kabels hat eine eigene eindeutige Kennung. Vereinfacht gesagt muss jeder Stromleiter eindeutig identifiziert werden. Beispielsweise enthält ein verdrilltes Paar, das abgeschirmt und ummantelt ist, drei Leiter: das verdrillte Paar und die äußere Abschirmung.

SAE AS50881 beschreibt, wie ein Kabel identifiziert und gekennzeichnet werden sollte. Eine Drahtkennung enthält den Schaltkreisfunktionsbuchstaben, die Drahtnummer, den Segmentbuchstaben und den Drahtquerschnitt. Beispielsweise ist P215A4 ein einadriger Draht.

Es gibt eine alternative Methode zur Identifizierung von Drähten. Es besteht aus dem Buchstaben „W“, gefolgt von der Kabelbaumnummer, der Kabelidentifikationsnummer und dem Kabelquerschnitt. Ein Einzelleiterdraht könnte beispielsweise W192-06-22 heißen. Ein abgeschirmtes, ummanteltes Twisted-Pair könnte die Bezeichnung W192-020-22 haben.

InterConnect ist seit mehr als 25 Jahren im Geschäft. Nach so langer Zeit könnte man meinen, wir hätten jede jemals entwickelte Teilenummer eines militärischen Steckverbinders in unser Warenwirtschaftssystem eingegeben. Das stimmt leider nicht. Fast jede Woche erfassen wir neue Anschlussnummern in unserem System. Bis heute haben wir mehr als 3.200 Teilenummern für militärische Steckverbinder identifiziert. Wie entscheiden Sie bei so vielen möglichen Teilenummern, welche Teilenummer Sie beim Entwurf eines Kabelbaums verwenden möchten?

Die gute Nachricht ist, dass es nur wenige gängige Serien militärischer Steckverbinder gibt. Basierend auf unserer Erfahrung in der militärischen Luft- und Raumfahrtindustrie sind die gängigsten Serien militärischer Steckverbinder:

Beachten Sie, dass es auch andere Steckverbinderserien sowie nicht standardmäßige Steckverbinder und COTS-Steckverbinder gibt.

Im Allgemeinen ist es am besten, eine Steckverbinderserie auszuwählen, die möglichst viele Kontaktkavitäten aufweist. Ein Favorit in der Militärindustrie ist die Steckverbinderserie MIL-DTL-38999, da diese typischerweise über viele Kontakthohlräume verfügt. Der nächste Schritt besteht darin, die folgenden Informationen zu analysieren und zu entscheiden, welche Systeme (z. B. Kabel) Sie durch einen Steckverbinder führen möchten:

Sobald diese Informationen bekannt sind, können Sie verschiedene Einsteckanordnungen überprüfen (insbesondere die Größe der Kontakthohlräume für einen Steckverbinder). Anschließend können Sie anhand der Draht- und Kontaktgrößen einen Steckverbinder auswählen. Beginnen Sie am besten mit der normalen Polarisierung des Steckers. Wenn in der Nähe eines anderen Steckers die gleiche Grundstecker-Teilenummer verwendet wird, sollte eine andere Polarisierung gewählt werden.

Ein Referenzbezeichner identifiziert eine Komponente in einem Systemschaltplan und Schaltplan. Referenzbezeichner für Steckverbinder beginnen normalerweise mit:

Ein Referenzbezeichner könnte beispielsweise 3315P706 sein. Es wird an 3315J706 angeschlossen.

Eine Buchse ist ein Stecker, der an der Flugzeugzelle montiert wird. Die Befestigung an der Flugzeugzelle kann mit Schrauben und Muttern oder mit Mutterringen erfolgen. Ein Steckverbinder passt zu einer Buchse. Es ist nicht physisch an der Flugzeugzelle befestigt, es sei denn, es wird an die Buchse angeschlossen.

Es gibt noch einige andere Komponenten, die in Flugzeugkabelbäumen zu finden sind. Spleiße (auch Kabelbinder genannt) haben die Referenzbezeichnung „WT“. Andere Komponenten (und ihre Bezeichnungen) umfassen Widerstände (R), Kondensatoren (C), Erdungsblöcke (GD), Dioden (CR), Schalter (S), Relais (K) und Leistungsschalter (CB).

Unter Schirmanschluss versteht man die Art und Weise, wie der Schirm eines abgeschirmten Kabels an eine andere Komponente angeschlossen wird. Es gibt eine Vielzahl von Beendigungsmethoden. Diese beinhalten:

Der Zweck einer Abschirmung in einem abgeschirmten Kabel besteht darin, elektromagnetische Störungen (EMI) zu beseitigen, die durch den elektrischen Strom in einem Kabel verursacht werden. Ebenso begrenzt eine Abschirmung elektromagnetische Störungen, die durch andere in der Nähe befindliche Kabel verursacht werden. Abschirmungen verhindern Übersprechen zwischen Drähten, sodass Sie ein klares Signal haben.

Die gängigste Praxis in der Luft- und Raumfahrtindustrie besteht darin, die Abschirmungen mit einem Überbrückungskabel abzuschließen und das Überbrückungskabel dann mit einem Erdungspunkt zu verbinden. In vielen Fällen ist der Erdungspunkt das Endgehäuse eines Steckverbinders und letztendlich die Flugzeugzelle.

Eine häufige Frage in der Luft- und Raumfahrtindustrie lautet: „Wie hält man ein Kabelbündel am besten zusammen?“ In der Luft- und Raumfahrtindustrie werden hauptsächlich fünf Methoden eingesetzt: Kabelbinder, Kabelbinder, dehnbare Geflechtschläuche, Schrumpfschläuche und Flechten.

Jedes hat Vor- und Nachteile. Die kostengünstigste (und leichteste) Methode sind Schnüre. Die schönsten Kabelbäume sind geflochtene Kabelbäume (vor allem in verschiedenen Farben). Der OEM legt in der Regel fest, welche Methode verwendet werden soll.

Schnürbänder, auch Kabelschnürung genannt, bestehen aus einer dünnen Kordel, die traditionell aus gewachstem Leinen besteht und eine Gruppe von Drähten mithilfe einer Reihe laufender Steppstiche zusammenhält. Diese Methode ist kostengünstig, einfach zu modifizieren und zu reparieren, leicht und bleibt über Jahrzehnte funktionsfähig. Der Nachteil ist, dass das Kabelbündel dadurch nicht geschützt wird. Bei der Installation oder bei Nachrüstprogrammen kann es passieren, dass sich einige Kabel versehentlich aus dem Bündel lösen. Drahtbündel können möglicherweise ihre Form verlieren. Und die Installation ist zeitaufwändig.

Kabelbinder sind in verschiedenen Materialien, Stilen, Längen, Breiten und Farben erhältlich. Sie sind kostengünstig, einfach zu modifizieren und zu reparieren, leicht und schnell installiert. Allerdings schützen sie, wie Kabelbinder, das Kabelbündel nicht. Darüber hinaus können sie abbrechen (was zu einem Problem mit Fremdkörperablagerungen führt) und ihre Verwendung steht im Widerspruch zu den Anforderungen von SAE AS50881.

Dehnbare Geflechtschläuche bieten einen gewissen Schutz für das Drahtbündel. Sie können jedoch teuer sein und das Gewicht erhöhen. In den meisten Fällen bieten sie keinen festen Sitz um ein Drahtbündel und es braucht Zeit, um ein Drahtbündel durch die Hülse zu schieben.

Schrumpfschläuche bieten einen sehr guten Schutz für das Leitungsbündel und halten lange. Allerdings kann es, wie auch das Sleeven, teuer sein und erhöht das Gewicht. Ebenso braucht es Zeit, ein Drahtbündel durch den Schlauch zu schieben, und es braucht Zeit, den Schlauch über das Bündel zu schrumpfen. Der größte Nachteil besteht darin, dass man nach dem Schrumpfen keinen Zugang zu den Drähten unter dem Schlauch hat.

Flechten hat viele Vorteile. Es bietet einen hervorragenden Schutz für das Drahtbündel. Es verbessert das äußere Erscheinungsbild des Kabelbaums. Es hält lange und verdichtet das Kabelbündel, um die Installation zu erleichtern.

Farbcodierte Geflechte erleichtern die Identifizierung eines Kabelbaums, und Metallgeflechte bieten Schutz vor elektromagnetischen Störungen.

Der Nachteil besteht darin, dass das Flechten das Gewicht erhöht und es teuer ist, jeden Kabelbaum von Hand zu flechten. Wenn in einem Kabelbaum zusätzliche Drähte benötigt werden, müssen diese „huckepack“ transportiert werden. Das heißt, sie müssen einzeln geflochten sein und außerhalb des Geflechts der vorhandenen Bündelanordnung verlaufen.

Testen

Flugzeugkabelbäume werden mit automatischen Geräten getestet, die üblicherweise als Verkabelungsanalysatoren bezeichnet werden. Viele Unternehmen stellen Verdrahtungsanalysatoren her. Einzigartige Programme teilen dem Analysator mit, welche Tests durchgeführt werden sollen, wie viel Strom und Spannung verwendet werden sollen und wie lange Strom angelegt werden soll. Ein Techniker verbindet den Verkabelungsanalysator mithilfe von Adapterkabeln mit dem Kabelbaum.

Die beiden häufigsten Tests sind Durchgang und Isolationswiderstand. Aber Verdrahtungsanalysatoren können auch andere Tests durchführen, darunter Tests auf leere Kontakthohlräume, AC-Dielektrizitätstests, Anzünden von Lichtern, Aktivieren von Relais, Messen von Kapazität und Widerstand sowie Sicherstellen, dass Dioden ordnungsgemäß funktionieren.

Durchgangsprüfungen stellen sicher, dass jeder Draht entsprechend der Konstruktion angeschlossen ist. Wenn beispielsweise ein Kabel von Anschluss 1 an Pin 13 mit Anschluss 2 an Buchse 34 verbunden werden soll, wird bei der Durchgangsprüfung überprüft, ob das Kabel vorhanden ist. Durchgangsprüfungen werden bei 0,5 Ampere mit konstanter Spannung und einer Mindestverweilzeit von 0,2 Sekunden durchgeführt.

Der Isolationswiderstandstest (auch Megaohm-Test genannt) prüft auf Kurzschlüsse. Wenn beispielsweise zwei Drähte Kerben in der Isolierung aufweisen und nahe beieinander liegen, zeigt die Isolationswiderstandsprüfung einen Kurzschluss an. Wenn ein Stecker nicht ordnungsgemäß hergestellt wurde und nicht genügend Material vorhanden ist, um zwei Kontakte zu trennen, zeigt die Isolationswiderstandsprüfung ebenfalls diesen Kurzschluss an.

Isolationswiderstandsprüfungen werden bei 1.500 VDC mit konstantem Strom und einer Mindestverweilzeit von 0,15 Sekunden durchgeführt. Die Isolationswiderstandsprüfung macht, was der Name vermuten lässt: Sie stellt sicher, dass zwischen zwei oder mehr Leitern genügend Widerstand vorhanden ist, damit es nicht zu einem Kurzschluss kommt. Wenn der Widerstand mehr als 100 Megaohm beträgt, besteht der Test.

Die meisten OEMs legen fest, wie Kabelbäume zu testen sind. Der gängige militärische Teststandard ist MIL-STD-202.

Für Kabelbäume in der Luft- und Raumfahrt gelten unzählige Fertigungsstandards. Die folgenden sind am häufigsten:

Weitere Informationen zum Entwurf und Zusammenbau von Kabelbäumen für die Luft- und Raumfahrtindustrie erhalten Sie unter der Rufnummer 817-377-9473 oder unter www.interconnect-wiring.com.