DE69201142T2 - Federbeinzylinder. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf Federbeinzylinder und insbesondere auf Federbeinzylinder zum Verbinden von Teilen einer Konstruktion miteinander zum übertragen von Betriebsbelastungen und zum Einleiten von Zwangskräften als Teil eines aktiven Schwingungsreduktionssystems.
• Die GB-A-2160840 beschreibt ein aktives Schwingungsreduktionssystem, bei dem eine Anzahl von Kraftantrieben an oder quer zu Stellen zwischen Teilen einer Konstruktion angeschlossen sind, die zu einer Relativbewegung bei dominanten Schwingungsanregungsfrequenzen in der Lage sind. Eine Anzahl von Sensoren messen die Schwingungsantwort an den wichtigsten Stellen auf dem Bauteil, in dem die Schwingung reduziert werden soll, und die sich ergebenden Signale werden zu einem adaptiven Computer/Regler geführt, der optimale Signale an die Antriebe liefert, um an den Sensororten im Bauteil Kräfte zu erzeugen. Die Antriebe werden durch eine gepulste Fluidzuführung, insbesondere durch eine Hydraulikanlage, bewegt.
• In einem solchen System ist es wesentlich, daß die miteinander verbundenen Teile der Konstruktion unterschiedliche Steifigkeit und Masseneigenschaften aufweisen, so daß die Betätigungskräfte durch das Teil mit größerer Steifigkeit und Masse eine Gegenwirkung erfahren, um dem anderen Teil der Konstruktion, welches die geringere Steifigkeit und Masse aufweist und in dem eine Schwingung reduziert werden soll, eine Bewegung zu erteilen.
• Das vorgenannte Schwingungsreduktionssystem ist insbesondere zur Verwendung bei Hubschraubern geeignet, da ein Rumpfaufbau, bei dem Schwingungen reduziert werden sollen, im allgemeinen flexibel und mit geringem Gewicht aufgebaut ist und an einem Getriebe- und Rotoraufbau befestigt ist, der eine hohe Masse aufweist und so starr wie möglich aufgebaut ist. Es ist daher nicht überraschend, daß eine beispielhafte Ausführungsform der GB-A-2160840 vorschlägt, die Kraftantriebe zwischen dem Getriebe und dem Rumpf anzuordnen, obwohl selbstverständlich andere Positionen möglich sind. Während ein solches als Zweipunktbetätigungssystem bekanntes System eingesetzt wird, können die Antriebe darüber hinaus alternativ zwischen einem Punkt des Rumpfaufbaus und einer trägen Masse angeschlossen werden, um die erforderlichen Kräfte zu erzeugen. Ein solches System wird als Einzelpunktbetätigungssystem bezeichnet.
• Das System der GB-A-2160840 wurde auf dem Hubschrauber Westland 30 demonstriert, und die Anlage ist in einem Beitrag beschrieben, der auf dem 15. "European Rotorcraft Forum" im September 1989 mit dem Titel "An evaluation of active control of structual response as a means of reducing helicopter vibration" (Bewertung der aktiven Kontrolle des Bauteilverhaltens als Mittel zur Reduzierung von Hubschrauberschwingungen) präsentiert wurde. Im Westland 30 sind Getriebe und Rotor auf einem Rahmen montiert, der durch vier elastomerische Einheiten mit dem Rumpf verbunden ist, welche einen idealen Ort für die Kraftantriebe darstellen, und es wurden vier elektrohydraulische Antriebe in modifizierte elastomerische Einheiten eingebaut, wobei die Antriebe parallel zur Elastomerfeder arbeiten. Ein solches System von Kraftantrieben ist allerdings nicht allgemein anwendbar, da in zahlreichen Hubschraubern das Getriebe entweder durch eine Anzahl von Getriebebefestigungsstützen oder eine Anzahl von außenliegenden, unter einem Winkel angeordneten Federbeinzylindern unmittelbar an Hubrahmenteilen im Rumpf befestigt ist.
• Es wird ein solcher Federbeinzylinder zur Verwendung mit einer Ausführungsform eines bekannten Schwingungsreduktionssystems mit einem einzelnen Eingang und einem einzelnen Ausgang offenbart, welches den Gegenstand der GB-A- 1182339 bildet. In deren Beschreibung zeigt daher Figur 7 einen Federbeinzylinder mit einem elektrohydraulischen Arbeitszylinder, der gespreizt auf einem abgeflachten, ovalen, elastischen Ring sitzt, der im Betrieb erforderlich ist, um die primären Hub- und Steuerkräfte zu übertragen, während er dem Arbeitszylinder ermöglicht, Zwangskräfte einzuleiten, um Schwingungen zu reduzieren.
• Probleme bei dem bekannten Federbeinzylinder bestehen darin, daß der ovale elastische Ring einen uneffizienten primären Kraftweg darstellt und daß es schwierig ist, die Biegekräfte im Ring an die Betriebserfordernisse sowohl hinsichtlich mechanischer Festigkeit als auch elastischer Eigenschaften anzupassen. Der elastische Ring hat einen großen Platzbedarf und ist sperrig und schwer, was in manchen Anwendungsfällen den Einbau verhindern kann.
• Diese Probleme würden verschärft bei dem Versuch, den Federbeinzylinder der GB-A-1182339 in dem höher entwickelten Schwingungsreduktionssystem der GB-A-2160840 einzusetzen, da eine Anzahl von Arbeitszylindern die Anregungskräfte alle gleichzeitig einleiten müssen.
• Es ist daher ein Ziel dieser Erfindung, einen Federbeinzylinder zu schaffen, der die vorgenannten Probleme überwindet.
• Dementsprechend schafft diese Erfindung in einer Hinsicht einen Federbeinzylinder zum Verbinden zweier Teile einer Konstruktion miteinander zum übertragen von Betriebskräften zwischen den Teilen und zum Einleiten periodischer Kräfte in wenigstens eines der Teile, wobei der Federbeinzylinder ein axial elastisch ausziehbares Rohr aufweist, welches mit Befestigungseinrichtungen an beiden Enden versehen ist, um den Federbeinzylinder zwischen den beiden Teilen zu befestigen, und einen axial ausziehbaren Antrieb, der innerhalb des Rohrs zwischen dessen Enden befestigt ist, wobei die Längssteifigkeit des Rohrs so gewählt ist, daß wechselseitige, axiale Ausdehnungen des Antriebs elastische, longitudinale Verschiebungen des Federbeinzylinders bewirken, um die periodischen Kräfte einzuleiten.
• Der Antrieb kann sich koaxial innerhalb des Rohrs erstrecken und kann aus einem Gehäuseteil bestehen, das an der Befestigungseinrichtung an einem Ende des Rohrs gehalten ist, und aus einer Betätigungsstange, die an der Befestigungseinrichtung am anderen Ende gehalten ist.
• Zweckmäßigerweise kann das Gehäuseteil des Antriebs an einer ringförmigen Fläche an einem inneren Ende eines rohrförmigen Stützteils gehalten sein, welches sich koaxial innerhalb des Rohrs von der Befestigungseinrichtung aus erstreckt.
• Der Antrieb kann aus einem elektrohydraulischen Antrieb bestehen. Das axial elastisch ausziehbare Rohr wird vorzugsweise aus faserverstärktem Kunststoffmaterial hergestellt.
• Unter einem anderen Aspekt schafft diese Erfindung einen Federbeinzylinder zum Verbinden zweier Teile einer Konstruktion miteinander, um Betriebskräfte zwischen den Teilen zu übertragen und um periodische Kräfte in wenigstens eines der Teile einzuleiten, wobei der Federbeinzylinder ein axial elastisch ausziehbares Rohr aufweist, welches mit einer Befestigungseinrichtung an einem Ende zur Befestigung an einem der Bauteile versehen ist und mit seinem anderen Ende an einem Stützteil befestigt ist, welches mit einer Befestigungseinrichtung zum Anschluß an dem anderen der Bauteile versehen ist, wobei ein axial ausziehbarer Antrieb koaxial in dem Rohr zwischen dem Stützteil und dem Ende des Rohrs befestigt ist, und wobei die Längssteifigkeit des Rohrs so gewählt ist, daß wechselseitige Ausdehnungen des Antriebs elastische, longitudinale Verschiebungen des Federbeinzylinders bewirken, um die periodischen Kräfte einzuleiten.
• Unter einem weiteren Aspekt schafft diese Erfindung einen Federbeinzylinder zum Verbinden eines Getriebes mit einem Hubschrauberrumpf zum übertragen von Flugkräften vom Getriebe auf den Rumpf und zum Einleiten periodischer Zwangskräfte in den Rumpf als Teil eines aktiven Schwingungskontrollsystems, wobei der Federbeinzylinder ein axial elastisch ausziehbares Rohr aufweist, welches an seinen Enden mit Befestigungseinrichtungen zur Befestigung am Getriebe und am Rumpf versehen ist, wobei ein axial ausziehbarer Antrieb koaxial innerhalb des Rohrs zwischen dessen Enden befestigt ist, und wobei die Längssteifigkeit des Rohrs so gewählt ist, daß es zur Übertragung von Betriebskräften in der Lage ist und daß wechselseitige Ausdehnungen des Antriebs elastische, longitudinale Verschiebungen des Federbeinzylinders bewirken, um periodische Zwangskräfte einzuleiten.
• Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
• Figur 1 eine allgemeine, schematische, bruchstückhafte Seitenansicht eines Hubschraubers mit einer Anzahl von erfindungsgemäß aufgebauten Federbeinzylindern ist,
• Figur 2 eine Längsschnittansicht eines der Federbeinzylinder in Richtung der Pfeile A-A in Figur 1 ist, und
• Figur 3 eine Längsschnittansicht eines Teils des Federbeinzylinders nach Figur 2 ist.
• Wie Figur 1 zeigt, weist ein im ganzen mit 11 bezeichneter Hubschrauber einen Rumpf 12 auf, der ein Getriebe 13 trägt, welches einen Haupttragrotor 14 um eine im allgemeinen senkrechte Achse 15 antreibt. Das Getriebe 13 wird von vier zwischen dem Getriebe 13 und dem Rumpf 12 befestigten Federbeinzylindern 16 (von denen nur zwei dargestellt sind) am Rumpf 12 gehalten.
• Jeder der Federbeinzylinder 16 überträgt primäre Flug- und Steuerkräfte vom Getriebe 13 auf den Rumpf 12. Zusätzlich enthält jeder der Federbeinzylinder 16 einen elektrohydraulischen Antrieb 24, wie er nachfolgend beschrieben wird, wobei die Antriebe mit einer Steuereinheit 17 eines aktiven Schwingungskontrollsystems zum Einleiten von Anregungskräften verbunden sind, wie es in der vorerwähnten GB-A-2160840 beschrieben ist.
• Wie Figur 2 zeigt, weist jeder Federbeinzylinder 16 ein axial elastisch ausziehbares Rohr 18 auf, welches aus faserverstärktem Kunststoffmaterial hergestellt ist und eine Befestigungseinrichtung mit einem durchbohrten Endbeschlag 19 hat, der mit Bolzen an einem Ende befestigt ist, um die Befestigung am Getriebe 13 zu erleichtern. Das andere Ende des Rohrs 18 ist mit Bolzen an einer Außenfläche eines im allgemeinen rohrförmigen, koaxialen Stützteils 20 befestigt, welches einen damit einteiligen, durchbohrten Endbeschlag 21 zur Befestigung am Rumpf 12 aufweist. Das rohrförmige Ende des Stützteils 20 verläuft koaxial innerhalb des Rohrs 18, wobei es an einer inneren, ringförmigen Fläche 22 endet, teilweise entlang der Länge des Rohrs 18.
• Ein Gehäuseabschnitt des elektrohydraulischen Antriebs 24 ist über einen damit einteiligen Flansch 25 mittels Bolzen an der Innenfläche 22 des Stützteils 20 befestigt, so daß er koaxial bezüglich des Rohrs 18 verläuft. Das äußere Ende der Betätigungsstange 26 des Ahtriebs 24 ist mittels Bolzen zentral am Endbeschlag 19 am Ende des Rohrs 18 befestigt.
• Hydraulische Zu- und Rückleitungen (nicht dargestellt) sind jeweils mit den Anschlüssen 27 und 28 verbunden, die radial vom Gehäuseabschnitt 23 verlaufen und durch die Bohrungen 33 im Stützteil 20 und Bohrungen 34 im Rohr 18 vorstehen. Elektrische Signale aus der Steuereinheit 17 (Figur 1) werden dem Antrieb 24 über ein Kabel 29 zugeführt, welches durch eine Öffnung in der Wand des Stützteils 20 geführt ist.
• Die Steifigkeitseigenschaften des axial elastisch ausziehbaren Rohrs 18 werden für jede besondere Anwendung festgelegt und durch die Materialauswahl bei der Fertigung und im Falle von faserverstärkten Materialien durch die spezielle Schichtung dieser Materialien verwirklicht.
• Wie Figur 3 zeigt, besitzt das Hauptrohr 18 der dargestellten Ausführungsform 14 Schichten unidirektionaler, verstärkender Glasfasern in einer Polymermatrix. Die Glasfasern sind "S"-Glasfasern, und das Polymer ist ein thermoplastisches Polyetheretherketonharz (PEEK). Sieben Lagen sind so ausgerichtet, daß sich die Fasern unter 0º zur Längsachse des Rohrs 18 befinden, und sieben Lagen sind mit einem Faserwinkel ±45º angeordnet. Das äußere Ende des Rohrs 18, das am Endbeschlag 19 (Figur 2) befestigt ist, ist innen bei 31 mittels zusätzlicher 28 Lagen mit einem Faserwinkel von sowohl 0 als auch ± 45º verstärkt, und das andere Ende ist außen bei 32 in ähnlicher Weise verstärkt.
• Die Verwendung von faserverstärkten Kunststoffmaterialien erleichtert die Herstellung des Rohrs 18 und gewährleistet, daß es die erforderlichen mechanischen Festigkeits- und elastischen Eigenschaften hat, damit der Federbeinzylinder 16 seine Betriebsfunktionen ausführen kann.
• Daher hat das Rohr 18 eine ausreichende mechanische Festigkeit, damit der Federbeinzylinder 16 in der Lage ist, eine Abstützung zwischen dem Hubschrauberrumpf 12 und dem Getriebe 13 zu bilden, um die Hub- und Steuerkräfte zu ertragen, die vom Tragrotor 14 ausgehen. Darüber hinaus schaffen die elastischen Eigenschaften des Rohrs 18 eine geeignete axiale, elastische Ausziehbarkeit, so daß der Antrieb 24, der parallel dazu angeordnet ist und von der Steuereinheit 17 des aktiven Schwingungskontrollsystems Signale erhält, die Verschiebungen einführen kann, um durch axiale elastische Ausdehnung des Rohrs 18 Zwangskräfte in den Federbeinzylinder 16 einzuleiten, um das dynamische Verhalten des Rumpfs 12 auf die in der GB- A-2160840 beschriebene Art zu steuern.
• Der erfindungsgemäße Federbeinzylinder 16 stellt eine einfache und kompakte Vorrichtung geringen Gewichts dar. Die Verwendung eines axial elastisch ausziehbaren Rohrs 18 parallel mit dem Antrieb 24 schafft einen effizienten primären Kraftweg, und das Rohr 18 kann bei der Herstellung leicht so gestaltet werden, daß es optimale mechanische Festigkeit und elastische Eigenschaften aufweist.
• Das faserverstärkte Rohr 18 der dargestellten Ausführungsform kann unter Verwendung einer beliebigen, verfügbaren Technik hergestellt werden, z. B. durch Abformen unter Verwendung einer aufblasbaren Innenform und eines äußeren Formwerkzeugs, und das faserverstärkte Material kann die Form von vorgetränkten Bögen oder kontinuierlichen Fasern haben, die unter Verwendung üblicher, automatischer Wickeltechniken aufgelegt werden.
• Obwohl in dieser Beschreibung hinsichtlich ihrer Anwendung als Teil eines Schwingungsreduktionssystems an einem Hubschrauber beschrieben, kann der erfindungsgemäße Federbeinzylinder 16 nutzbringend in anderen Anlagen eingesetzt werden, die aktive Schwingungsreduktionssysteme enthalten. Z. B. kann der Federbeinzylinder 16 zum Tragen der Triebwerke in den Triebwerksräumen von Starrflügel-Luftfahrzeugen eingesetzt werden, um Rumpf schwingungen zu reduzieren, wie auch in Land- oder Seefahrzeugen oder bei ortsfesten Anlagen. Weiterhin kann der Federbeinzylinder 16 nach dieser Erfindung sowohl bei Zweipunkt- als auch bei Einpunktbetätigungssystemen verwendet werden, wobei bei den letztgenannten Systemtypen selbstverständlich die Masse eines der beiden Bauteile darstellt, die durch den Federbeinzylinder 16 miteinander verbunden werden.
• Während eine Ausführungsform beschrieben und erläutert wurde, versteht es sich, daß zahlreiche Modifikationen vorgenommen werden können, ohne den Umfang der Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche festgelegt ist, zu verlassen. Z. B. können andere, geeignete faserverstärkte Materialien wie carbon- oder boronverstärkte Fasern und wärmeaushärtende Harze zur Herstellung des axial elastisch ausziehbaren Rohrs 18 verwendet werden. Weiterhin kann in manchen Anlagen, insbesondere dort, wo das Gewicht des Federbeinzylinders 16 bei der Auslegung nicht von Bedeutung ist, das axial ausziehbare Rohr l8 aus Metall hergestellt werden, z. B. aus Titan. Statt des elektrohydraulischen Antriebs 24 der beschriebenen Ausführungsform können andere, geeignete Antriebsformen verwendet werden.

Claims (7)

1. Federbeinzylinder zum Verbinden zweier Teile einer Konstruktion miteinander zum übertragen von Betriebskräften zwischen den Teilen und zum Einleiten periodischer Kräfte in wenigstens eines der Teile, gekennzeichnet durch ein axial elastisch ausziehbares Rohr (18), welches mit Befestigungseinrichtungen (19, 21) an beiden Enden versehen ist, um den Federbeinzylinder zwischen den beiden Teilen zu befestigen, und einen axial ausziehbaren Antrieb (24), der innerhalb des Rohrs zwischen dessen Enden befestigt ist, wobei die Längssteifigkeit des Rohrs so gewählt ist, daß wechselseitige, axiale Ausdehnungen des Antriebs elastische, longitudinale Verschiebungen des Federbeinzylinders bewirken, um die periodischen Kräfte einzuleiten.

2. Federbeinzylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Antrieb (24) koaxial innerhalb des Rohrs (18) erstreckt und ein Gehäuseteil (23) aufweist, das an der Befestigungseinrichtung (21) an einem Ende des Rohrs gehalten ist, und eine Betätigungsstange (26), die an der Befestigungseinrichtung (19) am anderen Ende gehalten ist.

3. Federbeinzylinder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseteil (23) des Antriebs an einer ringförmigen Fläche an einem inneren Ende eines rohrförmigen Stützteils (20) gehalten ist, welches sich koaxial innerhalb des Rohrs (18) von der Befestigungseinrichtung (21) aus erstreckt.

4. Federbeinzylinder nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (24) ein elektrohydraulischer Antrieb ist.

5. Federbeinzylinder nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das axial elastisch ausziehbare Rohr (18) aus faserverstärktem Kunststoffmaterial hergestellt ist.

6. Federbeinzylinder zum Verbinden zweier Teile einer Konstruktion miteinander, um Betriebkräfte zwischen den Teilen zu übertragen und um periodische Kräfte in wenigstens eines der Teile einzuleiten, gekennzeichnet durch ein axial elastisch ausziehbares Rohr (18), welches mit einer Befestigungseinrichtung (19) an einem Ende zur Befestigung an einem der Bauteile versehen ist und mit seinem anderen Ende an einem Stützteil (20) befestigt ist, welches mit einer Befestigungseinrichtung (21) zum Anschluß an dem anderen der Bauteile versehen ist, wobei ein axial ausziehbarer Antrieb (24) koaxial in dem Rohr zwischen dem Stützteil und dem Ende des Rohrs befestigt ist, und wobei die Längssteifigkeit des Rohrs so gewählt ist, daß wechselseitige Ausdehnungen des Antriebs elastische, longitudinale Verschiebungen des Federbeinzylinders bewirken, um die periodischen Kräfte einzuleiten.

7. Federbeinzylinder zum Verbinden eines Getriebes mit einem Hubschrauberrumpf zum übertragen von Flugkräften vom Getriebe auf den Rumpf und zum Einleiten periodischer Zwangskräfte in den Rumpf als Teil eines aktiven Schwingungskontrollsystems, dadurch gekennzeichnet, daß der Federbeinzylinder ein axial elastisch ausziehbares Rohr (18) umfaßt, welches an seinen Enden mit Befestigungseinrichtungen (19, 21) zur Befestigung am Getriebe und am Rumpf versehen ist, wobei ein axial ausziehbarer Antrieb (24) koaxial innerhalb des Rohrs (18) zwischen dem Stützteil (20) und dem Ende des Rohrs befestigt ist, und wobei die Längssteifigkeit des Rohrs so gewählt ist, daß es zur übertragung von Betriebskräften in der Lage ist und daß wechselseitige Ausdehnungen des Antriebs elastische, longitudinale Verschiebungen des Federbeinzylinders bewirken, um die periodischen Zwangskräfte einzuleiten.