CN103708031B - 用于旋翼式飞行器主旋翼单元的减摆器 - Google Patents

Abstract

用于旋翼式飞行器主旋翼单元的减摆器(10，11)，该旋翼单元具有旋翼和桨毂(8)，旋翼具有N个旋翼模式，N为桨叶的数量。用于整个旋翼单元的定中心单个减摆器(10，11)呈大体上圆柱体形，具有在第一侧(7)和第二侧(9)之间的弹性材料剪切元件以能均匀抵抗剪切变形且在轴向预加载，因此减摆器(10，11)以均匀的方式在旋翼面内固有模式内起作用。因此，减摆器(10，11)作为一个单独的单元在具有N个相同桨叶(1?4)的旋翼的临界面内模式起作用。弹性材料经历与常用振荡变形相反的均匀剪切变形。

Description

用于旋翼式飞行器主旋翼单元的减摆器

技术领域

本发明涉及一种具有旋翼和桨毂的旋翼式飞行器，例如直升机的主旋翼单元所用的减摆器。

背景技术

旋翼的每个自由度可以由N个旋翼模式来描述，其中N是所述旋翼的桨叶数量。有周期模式(纵向和横向)，集合模式和差动模式。

临界逆行的旋翼面内模式是非谐波的周期模式。旋翼式飞行器主旋翼起重要作用的是一个作用在旋翼桨叶的所述面内运动上的摆振阻尼装置，即通过将振摆阻尼装置内的剪切变形转换成热量而起作用。所述摆振阻尼对于防止直升机的空气动力学的不稳定性是必要的，所谓的地-空共振由机身模式和逆行旋翼面内模式之间的相互作用所导致，后者由单独的旋翼桨叶的摆振振荡所组成，这是由于旋转旋翼桨叶中心相对于直升机桨毂的的圆周旋转位移造成的。摆振阻尼装置的设计和布局取决于所使用的旋翼原理。

文献US5372478记载了一种具有挥舞和摆振方式铰接的桨叶的旋翼式飞行器旋翼。共用摆振阻尼系统的中心定在旋翼的旋转轴线上。方形阻尼器是其上沿旋翼轴线放有刚性板以及具有弹性体层的平面带。带和层是弹性地互连的。该中心共用摆振阻尼系统的每个刚性板通过专用的球窝接头仅被连接到一个独特桨叶根部。文献US5372478对应于独立权利要求1的前序部分。

文献US4297078记载了一种具有旋翼桨毂的直升机旋翼，该旋翼布置成支撑多个绕轴旋转的旋翼桨叶。旋翼桨毂是一个大体上中空的结构。每个旋翼桨叶由弹性轴承所支承，该弹性轴承布置成允许桨叶挥舞，摆振和顺桨运动。该支承装置包括互连的内侧和外侧弹性组件，外侧组件通过一个共同的弹性摆振阻尼单元连接到每个旋翼桨叶上，该阻尼单元对桨叶摆振运动提供桨叶间阻尼。弹性组件是预压缩。

文献EP042426记载了用于旋翼式飞行器旋翼桨叶的拖曳弹性复位阻尼装置。这种装置包括旋转型的部件以在协同的阻尼作用下弹性复位，且其功能由对于变形有强稳定性的粘弹性材料，如弹性体的周向剪切所确保。这可确保桨叶在拖曳下弹性复位到本来位置。连接变距操纵杆藉由旋转接头来驱动绕内电枢旋转的相应部件中的总距操纵杆和外电枢。该内电枢保持在相对于桨毂的固定位置上。法兰固定到内电枢上，在桨毂外周区域上，位于两个相邻桨叶之间。

文献WO2010068194记载了一种旋翼系统，具有安装到主轴上的超前止挡件和安装到旋翼桨毂臂的超前止挡板，该超前止挡件可操作地接触超前止挡板。旋翼桨毂具有多个刚性的桨毂臂。

文献US2007071602记载了一种旋翼式飞行器的旋翼，包括桨毂和至少两个桨叶，桨叶是通过相对于桨毂而绕各自的俯仰轴、绕各自挥舞轴和绕各自摆振轴的各自接头铰接的。每个桨叶固定到各自的桨距杆上。该旋翼包括各自的变距操纵杆以通过第一球窝接头连接到每个总距操纵杆上，以及包括中心基本定位在旋翼的旋转轴线上的共用摆振阻尼系统。被连接到每一个桨叶上，阻尼系统从每个桨叶通过各自的第二球窝接头安装到各自的横向突起上，第二球窝接头足够地接近以将总距操纵杆连接到变距操纵杆的第一球窝接头，以使摆振阻尼系统相对于铰接桨叶的挥舞振荡较不敏感。当从上方看时，阻尼器是一个方形框架；框架的每条“边”形成了各自的阻尼器单元，这四个相同的阻尼器单元两两连接在一起。

所述本领域减摆器的现有概念的共同点是，每个旋翼的桨叶有一个铰接和一个相关联的单独弹性阻尼装置。由于受到圆周旋转位移，所述阻尼器的弹性材料经受线性剪切变形。旋翼的每个桨叶的面内运动需要被考虑，所述面内运动包括n/rev(n＝0，1，2，3……—rev是“转数”)以及非谐波位移。所述非谐波位移来源于旋翼桨叶的面内固有模式。所述面内固有模式与所述n/rev位移叠加。如果嵌入的阻尼不够的话，所述圆周、非谐波的旋转位移与机身模式的耦合可以产生地面共振的现象。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于主旋翼单元的减摆器，具有改进的阻尼效果以及简单结构。

该技术方案提供一种用于旋翼式飞行器的旋翼单元的减摆器，尤其是用于主旋翼单元的减摆器，所述旋翼单元具有旋翼和桨毂，所述减摆器具有第一侧和第二侧，所述第二侧适于与所述第一侧一起同轴地支承在所述桨毂上，并在所述第二侧处设置有连结装置以将所述第二侧连接到所述旋翼或连接到所述旋翼的至少一个桨叶；其中，所述减摆器是用于整个所述旋翼单元的定中心单个减摆器，并大体上呈圆柱体形，所述第二侧与所述第一侧在所述桨毂的轴向方向上是相对的，且所述第一侧和所述第二侧之间的弹性材料是耐剪切变形的剪切元件，所述减摆器是轴向预加载的弹簧/阻尼系统，以使所述减摆器以均匀的方式在旋翼面内固有模式内起作用；非旋转轴同轴地围绕所述桨毂设置，所述第一侧经由所述非旋转轴夹持到所述桨毂上，所述第二侧经由包括旋转轴承的所述连结装置连接到至少一个桨叶的至少一个控制套圈上。

根据本发明的一个实施例，提供了一种旋翼式飞行器主旋翼单元的减摆器，该旋翼单元具有旋翼和桨毂。所述减摆器以其一侧同轴地支承在桨毂上。在减摆器的第二侧，所述减摆器设置有连结装置以将所述第二侧连结到所述旋翼或所述旋翼的N个相同桨叶(N＝3，4，5，6或更多)的至少一个上。本发明的减摆器呈基本上圆柱体形。减摆器的第二侧与第一侧相对，且在所述第一和第二侧之间的弹性材料是耐剪切变形的。

本发明提出一种机械式减摆器，其直接作用于相关的旋翼模式上，减摆器对该模式来说是必不可少的，即逆行旋翼减摆模式。因此，本发明提高了特定效率。用于整个旋翼的单个且定中心减摆器确保了每个旋翼桨叶“看到”减摆器的相同刚度，因此避免了旋翼的潜在不平衡。所述不平衡可能是由单个减摆器的特性(制造，老化……)的分散所导致的。

本技术领域的减摆器各自的线性振荡剪切运动被本发明的减摆器的稳定圆周剪切运动所取代，该减摆器允许以均匀的以及因此最佳的方式加载本发明的减摆器的弹性材料，以在有必要预防地面共振时处理旋翼面内固有模式。本发明减摆器的均匀加载允许弹性材料具备较低的特定剪切刚度，以及由于减摆器和桨叶的摆振运动学性能的更易匹配的选择，因此允许在轴向刚度和剪切刚度之间的更有利关系。

本发明减摆器完全在旋翼平面(面内)工作，且没有与N个桨叶之一变距。因此，不可能发生效率退化以及摆振/变距耦合效应不再取决于任何桨距位置。本发明减摆器允许降低对减摆器刚度的剪切应力振幅的影响，减摆器刚度降低了直升机的意想不到的小极限周期振荡。本发明减摆器的稳定圆周剪切运动使得在直升机稳定工作条件下的机械功的散热与时间无关

每旋翼单元的本发明单个减摆器具有较小的重量，更小的体积以及相对于本技术领域状态中每个旋翼单元的多个减摆器而言减少了部件。根据测试结果，本发明减摆器提供了降低的特定刚度，即每个单位刚度所需体积较小，更有利地，减摆特性避免了非线性，即改进的减摆特性不依赖于与现有技术中已知的弹性阻尼器一样多的位移。本发明减摆器允许完全集成地布置到旋翼单元内且可能使桨毂拖曳减小。在桨毂和旋翼单元或N个桨叶之间，本发明减摆器的间隙空间仅对于圆周模式来说是必要的。集合模式的影响并不需要额外的空间。旋翼单元的设计可以更紧凑，以及本发明减摆器的定中心构思适用于大多数的旋翼桨毂构思。

根据本发明的一个较佳实施例，减摆器具有一个基本的环形形状，以提高对旋翼单元桨毂的适应。

根据本发明的另一个实施例，旋翼包括一带有中央空间的旋翼星，且减摆器位于旋翼星的所述中央空间内以减小拖曳。

根据又一实施例，减摆器的第一侧夹持到桨毂上，且第二侧被连结到至少一个桨叶的至少一个控制套圈处。

根据本发明的一个实施例，弹性体被结合到第一侧和/或第二侧的金属或纤维部件上。

根据进一步实施例，减摆器是弹簧/阻尼系统。

根据本发明的一个实施例，减摆器被轴向预加载。用于防止弹性材料中张力的阻尼器轴向预加载不必由桨叶套圈所抵消，因此节省空间和质量。由所要求预加载引起的压力可被选定为较低，因为弹性体上的峰值负载被降低了。

根据本发明的又一个实施例，一个以上的剪切元件被应用到桨毂上，例如简化了轴向预加载。

根据本发明的又一个实施例，剪切元件在桨毂的轴向方向上是分离的。

根据本发明的一个实施例，桨毂，旋翼和/或桨叶的接口是可交换的。

根据本发明的再一个实施例，在旋翼中心的空间内设置有本发明的止挡件。在减摆器的彼此相对两侧的旋翼中心处的空间内用于自由运动的空间有限的情况下，与止挡件的接触是平稳的，且在这种情况下，不存在本技术领域线性阻尼器中那样的振荡。通过设计，例如适当的硬止挡件，可产生本发明的非线性剪切刚度特性的减摆器。

根据本发明的一个实施例，连结装置具有操纵杆和控制杆以在减摆器位于旋翼中心处的开放空间之外的情况下，在桨叶的旋翼平面的顶部或下部，将减摆器的第二侧连接到旋翼桨叶上。如果在旋翼的中心处没有或没有足够的空间，减摆器在中心的开放空间以外的所述布置是有利的。

根据本发明的再一个实施例，非旋转轴绕所述桨毂同轴设置，所述减摆器的第一侧经由所述非旋转轴夹持到桨毂上，且第二侧通过旋转轴承连结到至少一个桨叶的所述至少一个控制套圈处。本发明实施例的一个优点是，临界逆行的旋翼平面固有模式导致本发明圆周运动不使减摆器以一个频率旋转，其是旋翼频率和自然面内桨叶频率之间的差异。1/rev面内位移退化为本发明非旋转减摆器的稳定位移。因此，弹性材料的疲劳载荷圆周的数量显著减少。弹性材料偏离的静态和动态剪切刚度特性可以作为旋翼摆振动力的设计参数。仅当自然圆周面内固有模式激发时，例如在稳定飞行条件受到干扰后，如阵风，操纵或在地面与机身模式耦合，即地面共振的情况下，本发明非旋转减摆器动态地加载。

根据一个实施例，本发明非旋转减摆器的至少一个剪切元件经由所述非旋转轴与其第一侧夹持到桨毂上，并与其第二侧一起经由旋转轴承夹持到所述至少一个桨叶的至少一个控制套圈上，同时本发明非旋转减摆器的至少一个另一剪切元件与其各自的第一侧一起夹持到桨毂上，与其各自的第二侧夹持到至少一个旋翼桨叶上，因此将本发明非旋转减摆器的各自优点与本发明的旋转减摆器的各自优点结合起来。

附图说明

以下，参照附图对本发明的实施例作出描述。

图1示出了根据本发明的减摆器的示意图，

图2示出了根据本发明的减摆器被集成到四桨叶旋翼单元(N＝4)的示意俯视图，

图3示出了根据本发明的减摆器的另一个示意图，以及

图4示出了根据本发明的双减摆器的实施例的示意图。

根据图1和图2，减摆器10是以第一侧9同心地夹持到主旋翼单元的桨毂8上的弹簧/阻尼系统。减摆器10的第二侧7是如操纵杆和/或控制杆(图2)的连结装置17，该连结装置连接到旋翼式飞行器，例如直升机(A，参见图2)的大致同心旋翼的N个桨叶1-4(在该实施例中，N＝4)各个的对应控制套圈6。N个桨叶1-4各个都设置有摆振铰接5。桨叶3在旋翼单元旋转(B，参见图2)开始，且桨叶1在旋翼单元旋转结束，旋翼单元旋转表示圆周面内固定模式(C，参见图1)。主旋翼单元包括N个叶1-4以及摆振铰接5，控制套圈6，并且由附图1-4中的标记(1-6)所表示。

图1中，在旋翼式飞行器A的操作中，减摆器10的第一侧9相对于第二侧7在旋翼中心内的开放空间18中运动。

在图1中，旋翼单元中心处的所述开放空间18内的空间界限由止挡件12设置，用于限制在第二侧7和第一侧9之间的运动，这两侧在减摆器10的轴向G(图1，3—4)上彼此相对。止挡件12实施为硬性止挡件或带有确定刚度的止挡件，允许所述止挡件12在确定刚度下的非线性阻尼器刚度设计。止挡件12安装到旋翼中心处的所述开放空间18的内侧圆周上。

在图1中，减摆器10的第二侧7链接到诸如平面挠性梁单元的旋翼星13上，以作为桨毂8和多个旋翼桨叶(1-4)之间的接口。所述旋翼星13形成复合化合物制成的平面挠性梁单元，具有奇数个基本平面的扭矩臂。每个扭矩臂基本上沿其径向延伸部分的任何一侧具有凹形轮廓，且在所述扭矩臂具有较大宽度的根部区域与其相邻的扭矩臂成为一体。所述旋翼星13设置有基本环形的开口，例如在其中心形成开放空间18以环绕减摆器10。

减摆器10关于桨毂8同轴地预加载。减摆器10具有环形形状，并在第一和第二侧9，7之间填充有弹性体。第一和第二侧9，7是由金属部件和/或纤维部件制成的。弹性体结合到第一和第二侧9，7上，因而形成弹性体剪切元件14。

旋转桨叶1-4的圆周摆振运动产生了力(F，参见图1-4)，其使减摆器10以圆周方式(即，圆周面内固定模式C)运动，并导致在减摆器10的第一和第二侧9，7之间的弹性体剪切元件14上的圆周剪切变形。

举例而言，图1示出了由桨叶1-4之一的圆周摆振运动产生的时变力F。绕桨毂8产生的圆周运动(圆周面内固定模式C)激起减摆器10对应的圆周剪切变形。

举例而言，图2示出了圆周面内旋翼固定模式，以及由于N个桨叶1-4的力，减摆器10是如何运动的。所有N个桨叶1-4的力F的总和在所示位置导致减摆器10相对于方位角的位移。所述位移表示由于桨叶1-4在旋转翼飞行器或旋翼飞行器A的稳定飞行条件下的旋转时，减摆器10圆周运动的一个瞬间。

减摆器10的弹性体剪切元件14有效刚度根据旋翼模式而调谐，其可用作设计参数。圆周模式刚度归因于圆周运动。

根据图3，其中相同的标记用于表示与图1-2中相应的特征。举例而言，图3示出了桨叶1-4之一的桨叶套圈集合面内模式的时变力，以及绕桨毂8产生的扭矩运动导致了减摆器10的振荡圆周剪切变形。集合模式是旋翼所有桨叶的时间同步运动，而不影响旋翼飞行器A的空气动力学稳定性。集合刚度归因于扭矩运动，以及由于弹性材料是桥接的，差分刚度显著较高。

根据图4，相同标号用于图1-3中相应的特征。两个预加载的弹性体剪切元件14沿轴向方向G同轴地施加到桨毂8上，从而形成双减摆器10。每个剪切元件14对应于按照图1-3的一个减摆器10，每个弹性体剪切元件14的各自第二侧9彼此连接。

减摆器10的接口19示出在图4中。接口19将减摆器10连结到桨毂8和桨叶1-4上。这些接口19诸如操纵杆和/或控制杆一样的在第一和第二侧9，7之间是可以交换的。

在图1和图3-4中，在减摆器10的内部、与轴向G同轴地设置有中央空间11。

图3中，减摆器10夹持到旋翼单元的非旋转轴15上。非旋转轴15同轴地位于桨毂8的旋转轴周围。减摆器10在其第一侧7夹持在该非旋转轴15上，且第二侧9藉由轴承环16被连结到所述至少一个桨叶1-4的至少一个控制套圈(6)上。轴承环16是连结装置17，且同轴地位于非旋转轴15的周围。整个减摆器10不绕非旋转轴15旋转。

一个实施例提出了一种减摆器(10，11)，其中，该减摆器的第二侧7被连接到旋翼单元(例如1-4)的N个桨叶的每一个上，且第一侧9至少平移地固定在旋翼平面上。

在另一实施例中，减摆器(10，11)具有连接到N个桨叶(如1-4)的每一个上的第二侧7，以及在旋翼平面内平移地固定和旋转地固定的第一侧9。

在再一个实施例中，减摆器(10，11)具有连接到N个桨叶(如1-4)的每一个上的第一侧9，和至少可平移地固定在旋翼平面的第二侧7。

一个例子包括减摆器(10，11)，其中第一侧9连接到N个桨叶(如1-4)的每一个上，以及第二侧7在旋翼平面内被平移地固定和旋转地固定。

Claims (15)

1.用于旋翼式飞行器的旋翼单元(1-6)的减摆器(10)，所述旋翼单元具有旋翼和桨毂(8)，所述减摆器(10)具有第一侧(9)和第二侧(7)，所述第二侧(7)适于与所述第一侧(9)一起同轴地支承在所述桨毂(8)上，并在所述第二侧(7)处设置有连结装置(17)以将所述第二侧(7)连接到所述旋翼或连接到所述旋翼的至少一个桨叶(1-4)，

其特征在于，所述减摆器(10)是用于整个所述旋翼单元的定中心单个减摆器(10)，并大体上呈圆柱体形，所述第二侧(7)与所述第一侧(9)在所述桨毂(8)的轴向方向(G)上是相对的，且所述第一侧(9)和所述第二侧(7)之间的弹性材料是耐剪切变形的剪切元件(14)，所述减摆器(10)是轴向预加载的弹簧/阻尼系统，以使所述减摆器(10)以均匀的方式在旋翼面内固有模式内起作用；

非旋转轴(15)同轴地围绕所述桨毂(8)设置，所述第一侧(9)经由所述非旋转轴(15)夹持到所述桨毂(8)上，所述第二侧(7)经由包括旋转轴承(16)的所述连结装置(17)连接到至少一个桨叶(1-4)的至少一个控制套圈(6)上。

2.根据权利要求1所述的减摆器(10)，其特征在于，所述减摆器(10)具有大体上环形形状，在所述减摆器(10)的中心具有一中央空间(11)。

3.根据权利要求1所述的减摆器(10)，其特征在于，所述旋翼单元包括在所述旋翼单元中心处的开放空间(18)，且所述减摆器(10)位于所述旋翼单元(1-6)的所述开放空间(18)的中心。

4.根据权利要求1所述的减摆器(10)，其特征在于，所述弹性剪切元件(14)结合到第一侧(9)和/或第二侧(7)的金属部件或纤维部件上。

5.根据权利要求3所述的减摆器(10)，其特征在于，所述旋翼单元包括带有所述开放空间(18)的旋翼星(13)，且所述减摆器(10)位于所述旋翼星(13)的所述开放空间(18)内。

6.根据权利要求1的减摆器(10)，其特征在于，设置有一个以上的弹性剪切元件(14)，所述弹性剪切元件(14)由所述桨毂(8)支承。

7.根据权利要求6所述的减摆器(10)，其特征在于，所述弹性剪切元件(14)在所述桨毂(8)的轴向方向(G)上是分离的。

8.根据权利要求1的减摆器(10)，其特征在于，所述桨毂(8)，所述旋翼或所述桨叶(1-4)通过可交换的接口(19)被连接到所述减摆器(10)上。

9.根据权利要求3所述的减摆器(10)，其特征在于，在所述旋翼单元中心内的所述开放空间(18)中设置有止挡块(12)，所述止挡块(12)是硬性止挡块或规定刚度的止挡块。

10.根据权利要求3所述的减摆器(10)，其特征在于，所述连结装置(17)具有操纵杆和控制杆以连接位于所述旋翼单元(1-6)中心处的所述开放空间(18)以外的所述减摆器(10)第二侧(7)到所述桨叶(1-4)的旋翼平面的顶部或下部。

11.根据权利要求1所述的减摆器(10)，其特征在于，至少一个弹性剪切元件和所述第一侧(9)经由所述非旋转轴夹持到所述桨毂(8)上，所述弹性剪切元件和所述第二侧(7)经由所述连结装置(17)的旋转轴承(16)夹持到所述至少一个桨叶(1-4)的所述至少一个控制套圈(6)上，至少一个另外的弹性剪切元件(14)与各自的所述第一侧(9)一起夹持到所述桨毂(8)上，并与各自的第二侧(7)夹持到至少一个桨叶(1-4)上。

12.根据权利要求1所述的减摆器(10)，其特征在于，所述减摆器(10)的所述第二侧(7)连结到所述旋翼单元的N个桨叶(1-4)的每一个上，以及所述第一侧(9)平移地固定在旋翼平面上。

13.根据权利要求1所述的减摆器(10)，其特征在于，所述减摆器(10)的所述第二侧(7)连结到所述旋翼单元的N个桨叶(1-4)的每一个上，以及所述第一侧(9)在旋翼平面上平移地固定和旋转地固定。

14.根据权利要求1所述的减摆器(10)，其特征在于，所述减摆器(10)的所述第一侧(9)连结到所述旋翼单元的N个桨叶(1-4)的每一个上，以及所述第二侧(7)平移地固定在旋翼平面上。

15.根据权利要求1所述的减摆器(10)，其特征在于，所述减摆器(10)的所述第一侧(9)连结到所述旋翼单元的N个桨叶(1-4)的每一个上，以及所述第二侧(7)在旋翼平面内平移地固定和旋转地固定。