DE2164772A1 - Rotoraufhängung - Google Patents

Description

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27.12.1971

KAWASAKI JUKOGYO KABUSHlKI KAISHA 14 Higashikawasalci-cho 2-chome, Ikuta-ku, Kobe-shi, Hyogo-ken, Japan

RotoraufhänRung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Aufhängung für das Rotorsystem eines Hubschraubers, eines Senkrechtstarters (VTOL,STOL) od. dergl.

Bei einem Drehflügelflugzeug, beispielsweise einem Hubschrauber, ist der Schwingungspegel im Vorwärtsflug im Vergleich zu einem Starrflügelflugzeug übermäßig hoch. Dies beruht darauf, daß sich Geschwindigkeit und Richtung der Anströmung der Drehflügel oder Rotorblätter periodisch ändern. Die sich daraus ergebenden Änderungen der Luftkräfte werden über den Rotorkopf vom Rotor auf den Rumpf übertragen. Ein herkömmliches Drehflügelflugzeug mit Schwenkrotor hat im Bereich des Rotorkopfes. . ein Gelenk. Die vom Rotor auf den Rumpf übertragenen Schwingungen sind daher lediglich von Erregerkräften

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verursacht, während Erregermomente im wesentlichen unberücksichtigt bleiben können. Bei einem Drehflügelflugzeug mit starrem Rotor, also ohne Gelenk am Rotorkopf, üben neben den Erregerkräften auch die Erregermomente einen nicht unbeträchtlichen Einfluß aus, so daß der Schwingungspegel in bestimmten Fällen das Mehrfache dessen eines Drehflügelflugzeugs mit Schwenkrotor' ausmacht. Daher müssen bei einem Drehflügelflugzeug mit starrem Rotor Vorkehrungen zum Dämpfen von. sowohl/ auf Erregerkräften als auch auf Erregermomenten beruhenden Schwingungen getroffen werden.

Ein wichtiges Ziel der Erfindung besteht darin, eine Rotoraufhängung für Drehflügelflugzeuge zu schaffen, welche in Bezug sowohl auf die Erregennomente als auch auf die Erregerkräfte vorwiegend in Richtung der Längs- und Querachsen des Flugzeugs schwingungsdämpfend wirkt.

Bei einer Rotoraufhängung der eingangs genannten Art ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Rotorsystem mittels einer Anzahl elastischer Halterungen am Rumpf gelagert ist und daß die Halterungen derart angeordnet sind, daß sich jeweils bestimmte ihrer Haupt-Elastizitätsachsen an einem vorbestimmten Punkt schneiden.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Darin zeigt:

Fig. 1 eine schematisierte Darstellung der' -^Teirschiedenen an einem Hubschrauber Schwingungen hervorrufenden Kräfte und Momente,

Fig. 2 eine schematisierte Darstellung des Schwingung«- systems eines Hubschraubers, an welchem die Erfindung angewendet ist,

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Fig. 3 ein Diagramm der Schwingungsübertragungscharakteristik in Abhängigkeit von der Steifigkeit und der Höhe des Angriffspunkts einer in dem System von Fig. 2 verwendeten Linearfeder bei konstanter Steifigkeit einer Momentenfeder,

Fig. 4 ein Diagramm der Bereiche, in denen das Schwingungsübertragungsmaß in Abhängigkeit von der Steifigkeit und der Höhe des Angriffspunkts der Linear- und Momentenfedern in dem System nach Fig. unterhalb 0,1 liegt,

Fig. 5 eine schematisierte Darstellung des erfindungsgemäßen Wirkungsprinzips,

Fig. 6 eine schematisierte Schrägansicht einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 7 eine schematisierte Darstellung einer Anordnung mit mehreren Schnittpunkten von bestimmten Haupt-Elastizität Sachsen der elastischen Halterungen,

Fig. 8 und 9 Schnittansichten von Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen elastischen Halterungen,

Fig. 10 eine Schrägansicht einer Ausführungsform für die Schwingungsdämpfung lediglich um die Querachse,

Fig.11 eine Ansicht einer weiteren Ausführung für die Dämpfung von Schwingungen um die Quer- und/qder Längsachse,

Fig. 12 und 13 eine weitere Ausführungeform der Erfindung mit Einrichtungen zur Aufnahme des Rotor-Drehmoments . für die Dämpfung von Schwingungen um die Quer- und/oder Längsachse und

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• ·

Fig. 14 eine Schrägansicht einer Ausführungsfonn einer erfindungsgemäß verwendeten elastischen Halterung.

Zunächst sei das Wirkungsprinzip der Erfindung anhand von Fig. 1 bis 5 "beschrieben.

Ein Komplex von Schwingungskräften mit der gleichen Schwingungszahl, wie die vorhandenen Erregerkräfte haben, wird in allen Richtungen an einem unmittelbar unter einem Getriebe 5 liegenden Punkt A des Rumpfs und im Mittelpunkt eines Rotorkopfs 2 wirksam, wobei die Schwingungsamplitude der schwingenden Teile berechenbar ist. Aus den berechneten Schwingungs- oder Bewegungsamplituden lassen sich die Massen- und Trägheitsmomente für einen Bezugs-Rumpf und ein Bezugs-Rotorsystem bestimmen. Diese bestehen jeweils aus einem starren körper, an deren Erregungpunkten unter dem Komplex von Schwingungskräften die gleichen Bewegungen auftreten wie in der praktischen Ausführung (Fig. 1,2).

Somit läßt sich das gesamte Fluggerät als einfaches System darstellen, welcnes aus einem Rotorkopf 17, einem Getriebe 18 und einem Rumpf 19 besteht (Fig. 2). Für die Betrachtung von Schwingungen in einer senkrechten Ebene nimmt man lediglich an, daß am Rotorkopf Erregerkräfte-· bzw. -momente Sx und My angreifen. Zum Verhindern bzw. Dämpfen von Schwingungen sind in dem dargestellten System eine Verdrehungs- oder Momentenfeder 20 und eine Bewegungs- oder Linearfeder 21 vorgesehen. Die Schwingungs-Ubertragungscharakteristik bzw. ihr "Maß läßt sich dann jeweils anhand verschiedener veränderlicher Größen berechnen. Die Übertragungscharakteristik für Schwingungen bestimmt sich dabei aus ■ dem Quotienten zwischen dem auf den Rumpf übertragenen Drehmoment und dem durch Sx oder My bewirkten Erregermoment um den Schwerpunkt des Rumpfs.

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Da Schwingungen in senkrechter Richtung im Rahmen der Erfindung außer Betracht bleiben und lediglich die Schwingungen in Längs- und Querrichtung des Systems eine Rolle spielen, ist in dem System ein frei schwingendes starres Verbindungsglied- 22 vorgesehen.

Unter der Annahme einer konstanten Steifigkeit der Momentenfeder wird nun das Schwingungsübertraungsmaß bei veränderlicher Steifigkeit und Angriffshöhe der Linearfeder berechnet. Die Berechnungsergebnisse sind in Fig. 3 dargestellt, wobei die Höhe des Angriffspunktes der Linearfeder abwärts vom Mittelpunkt des Rotorkopfs entlang der Abszisse aufgetragen ist. Der Mittelpunkt des Rotorkopfes entspricht dabei dem Nullpunkt. Bei einer Lage des Angriffspunkts der Feder oberhalb des Schwerpunkts des Getriebes tritt eine starke Veränderung der Übertragungscharakteristik ein. An keinem Punkt ist das Schwingungsübertraungsmaß in Bezug sowohl auf die Erregerkraft Sx als auch auf My gleichzeitig nahe Null, wie man in Fig. 3 erkennt. Wie ferner ersichtlich, ist der Einfluß der Steifigkeit der Linearfeder in Bezug auf die Erregerkraft Sx gering und die Übertragungsfähigkeit daher, wie die gestrichelte Linie zeigt, Jederzeit klein. Demgegenüber unterliegt die durch die ausgezogene ,ünd_die- stricjipunktierte LinieT'dargestellte.. Übertragungsfähigkeit in Bezug auf My in Abhängigkeit von der Steifigkeit der Linearfeder beträchtlichen Veränderungen. Somit ist aus Fig. 3 zu entnehmen, daß sich die Übertragungsfähigkeit in Bezug auf beide Erregerkräfte Sx, My gleichzeitig'sehr klein halten läßt,, unab hängig von der Steifigkeit der Linearfeder.

Fig. 4 zeigt die Bereiche, in denen das Schwingungsübertra- gungsmaß für beide Erregerkräfte kleiner ist als beispielsweise 0,1. Die Verringerung der Übertragungsfähigkeit läßt sich durch geeignete Wahl des Angriffs-

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punkts der Linearfeder in Verbindung mit einer geeigneten Wahl der Steifigkeit der Momenten- und der Linearfedern erzielen. Die in Fig. 2 gezeigte Anordnung der Federn ist jedoch nicht.für die praktische Ausführung geeignet. Eine dieser Anordnung entsprechende Charakteristik ist jedoch mit der in Fig. 5 gezeigten Federanordnung erzielbar.

In dieser Anordnung braucht lediglich die Steifigkeit der querverlaufenden Linearfedern 23 und der sich z.wisehen dem Getriebegehäuse 5 und dem Rumpf 19 erstreckenden, schrägverlaufenden Federn 24 sowie die Höhe des Schnittpunkts 25 von die Federn 24 verlängernden Geraden bestimmt zu werden. Zum besseren Verständnis sei angenommen, daß die Steifigkeit der schrägverlaufenden Federn 24 unendlich verstärkt und der Schnittpunkt 25 an den Schwerpunkt de& Rumpfs in Fig. 5 gelegt ist, während beispielsweise die Steifigkeit der Linearfeder unendlich groß ist und sich der Angriffspunkt dieser Feder am Schwerpunkt des Bezugsrumpfs in Fig. 2 befindet.

Die vorstehenden Erörterungen beziehen sich lediglich auf Bewegungen in einer senkrechten Ebene, wobei jedoch für Bewegungen in einer waagerechten Ebene Entsprechendes gilt.

Die in Fig. 6 dargestellte Teil-Schrägansicht eines Drehflügelflugzeugs zeigt einen Hauptrotormast 4 und ein Getriebegehäuse 5· Das Getriebegehäuse 5 ist über eine Anzahl elastischer Halterungen 7 mit einem Rumpf 6 verbunden. Bei unzureichender Scherfestigkeit bzw. -steifigkeit der elastischen Halterungen 7 können in Längs- und Querrichtung verlaufende Federn 8, 9 vorgesehen sein. Bestimmbe der in drei Richtungen senkrecht zueinander verlaufenden HauptelastizitätSachsen der Halterungen 7 schneiden sich in einem Punkt 10. Die beiden anderen

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Hauptachsen verlaufen jeweils in Längs- und Querrichtung des Flugzeugs. Die einander schneidenden Hauptelastizitätsachsen können ihre Schnittpunkte auch auf einer in Längrichtung verlaufenden Geraden 10a und auf einer in Querrichtung des Flugzeugs verlaufenden Geraden 10b habai (Fig. 7).

Praktische Ausführungen der in der Erfindung verwendeten elastischen Halterungen sind in Fig. 8 und 9 gezeigt. In der Ausführung nach Fig. 8 hat das Getriebegehäuse 5 * radial hervorstehende Tragplatten 15« Eine aus einem ebenen Gummiklotz und zwei beiderseits desselben befestigten Blechen gebildete elastische Halterung 7 i^ß"t zwischen einer aufwärts gekehrten Fläche der Tragplatte 15 und einem am Rumpf 14 sitzenden Beschlag 11 eingesetzt. Eine Fläche 13 des Beschlags 11 liegt dem Ende der Tragplatte 15 gegenüber und bildet einen Anschlag zum Begrenzen von Querbewegungen des Gehäuses 5· Eine Achse 16 verläuft senkrecht durch den Mittelpunkt der tragenden Fläche 7& der elastischen Halterung.

In der Ausführung nach Fig. 9 sind zwei elastische Halterungen 7 zu beiden Seiten der am Gehäuse 5 hervorstehenden Tragplatte I5 angeordnet. Ein Bolzen I7 bildet einen Begrenzungsanschlag.

Sind bei den Anordnungen nach Fig. 8 und 9 die tragenden Flächen der elastischen Halterungen so ausgebildet, daß sie jeweils ein Teil einer mit dem Schnittpunkt 10 in

Fig. 6 konzentrischen Kugel- oder Kormsflache bilden, so läßt sich die übertragung selbst von Schwingungen mit relativ großer Amplitude verhindern. Die elastische Halterung braucht nicht unbedingt von der beschriebenen Art zu sein sondern kann auch ein Schichtkörper aus einander abwechselnden Gummi- und Metallplatten sein. Ein solcher Schichtkörper hat in Richtung seiner Dicke eine größere Steifigkeit, während die Steifigkeit in

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Längs- und Querrichtung unabhängig von der Querschnittsform jeweils im wesentlichen gleich bleibt.

In der Praxis soll die elastische Halterung jedoch in den verschiedenen Richtungen. (a,b,c) unterschiedliche Steifigkeit haben. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß man ihr eine im wesentlichen V-förmige oder gekrümmte Querschnittsform gibt.(Fig.14). Bei der dargestellten Form der elastischen Halterung ist eine relativ große Steifigkeit in der Richtung dereineja Elastizitätsachse (a) und eine geringere Steifigkeit in Richtung der anderen Achse (b) vorhanden.

Die Erfindung ermöglicht eine Schwingungsdämpfung der Aufhängung nicht nur in Längs- und Querrichtung gleichzeitig, sondern auch jeweils nur in der einen oder anderen Richtung. Eine solche Anordnung zeigt Fig. 10. Darin nimmt ein Paar in Längsrichtung des Fluggeräts frei schwenkbarer Verbindungsglieder 26 das Reaktionsmoment des Rotorantriebs auf.

Ist eine schwingungsdämpfende Wirkung nur, wie bei der in Fig. 10 gezeigten Ausführung, in einer Richtung erforderlich, so kann ein zylindrischer Gummi-Dämpfungskörper in der in Fig. 11 gezeigten Anordnung Verwendung finden. Damit wird der Umstand ausgenützt, daß ein solches zylindrisches Gummiteil in Radialrichtung relativ große und in Axialrichtung relativ geringe Steifigkeit hat. Die Verwendung der zylindrischen Gummielemente bietet den weiteren Vorteil, daß diese das Rotordrehmoment allein aufzunehmen vermögen. Ebenso wie bei der vorctehend beschriebenen plattenförmigen Halterung 7 können bei dem zylindrischen Dämpfungselement Gummi- und Metall schichten abwechselnd zu einem Schichtkörper angeordnet sein. Findet für die Dämpfung von Schwingungen in beiden Richtungen eine elastische Halterung in Form einer. Gummiklotses bzw. einer Platte Verwendung, so ist diese je nach ihrer

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Scherfestigkeit bzw. -steifigkeit aufgrund des Gegendrehmoments des Rotorantriebs zuweilen übermäßiger Scherverformung unterworfen. Dies läßt sich mittels Einrichtunggen 19 für die Aufnahme des Drehmoments vermeiden, wie sie in Fig. 12 gezeigt sind. Diese Einrichtungen 19 sind nur in der Drehrichtung des am Getriebe wirksamen normalen Drehmoments starr und behindern Bewegungen in anderen Richtungen nicht.

Eine Übertragung von Drehmomenten auf die elastische· Halterung läßt sich durch die Anordnung einer Strebe in einer senkrecht zum Vektor der resultierenden Kraft aus den insgesamt am Getriebe wirksamen Drehmomenten des Hauptrotors, des Triebwerks und des Heckrotors verhindern (Fig. 13). In dieser Figur bezeichnet A den Vektor des Drehmoments des Hauptrotors, B den Vektor des Drehmoments des Triebwerks, C. den Vektor des Drehmoments des Heckrotors, D den Vektor der Resultierenden und E die Achse der Strebe.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind die elastischen Halterungen jeweils am Getriebe angeordnet. Stattdessen können sie jedoch auch an jedem anderen Teil sitzen, welches den Rotorauftrieb auf den Rumpf überträgt .

Ferner ist aus Fig. 3 ersichtlich, daß, wenngleich die Erfindung vorstehend anhand eines Fluggeräts mit starrem Rotor beschrieben ist, bei welchem große Erregermomente auftreten, sie auch für einen Hubschrauber mit schwenkbarem Rotor anwendbar ist, da die vorgeschlagene Rotoraufhängung auch eine hervorragende Dämpfungswirkung gegenüber in der Waagerechten wirksamen Erregerkräften hat. Somit schafft die Erfindung eine wirksame und einfache Lösung für das bei Drehflügelflugzeugen vorhandene schwerwiegende Problem der Schwingungen.

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Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile der Erfindung, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

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Claims (3)

An Sprüche

1. Aufhängung für das Rotorsystem ein Hubschraubers, eines Senkrechtstarters (VTOL, STOL) od. dergl. , dadurch g e kennz eichnet, daß das Rotorsystem (2;17) mittels einer Anzahl elastischer Halterungen (7;13) an einem Rumpf (19;6)^g-edagert ist und daß die Halterungen angeordnet sind,"daß "sich jeweils "bestimmte ihrer Haupt-Elastizitätsachsen an einem vorbestimmten Punkt (10;25) schneiden.

2· Rotoraufhängung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Halterungen (7) so angeordnet sind, daß ihre Dämpf ungBwirkung entweder in Richtung um die Querachse oder um die Längsachse verläuft und daß für die Aufnahme des Reaktionsmoments des Rotorantriebs ein in der Schwingungsrichtung des Rotorsystems frei schwingendes starres Verbindungsglied (26) vorhanden ist.

3. Rotoraufhängung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das wenigstens eine zylindrische elastische Halterung (18) so angeordnet ist, daß die Schwingungsdämpfung entweder nur, in Richtung um die Querachse oder nur um die Hochachse wirksam ist und daß die zylindrische elastische Halterung das Reaktionsmoment des Rotorantriebs aufnimmt.

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