DE102004058301B4

DE102004058301B4 - Drehflügelflugzeug mit aktivem Vibrations-Isolationssystem

Info

Publication number: DE102004058301B4
Application number: DE200410058301
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. Gergely; Werner Dr. Seidl
Original assignee: Eurocopter Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Helicopters Deutschland GmbH
Priority date: 2004-12-02
Filing date: 2004-12-02
Publication date: 2008-10-30
Anticipated expiration: 2024-12-03
Also published as: DE102004058301A1

Abstract

Drehflügelflugzeug, insbesondere ein Hubschrauber, mit einer Längen- (X), Breiten- (Y) und Höhenrichtung (Z), umfassend eine Zelle, eine vibrationserzeugende Getriebe-Rotor-Einheit als primäre Vibrationsquelle, sowie ein in einem Vibrations- Übertragungspfad zwischen Zelle und Getriebe-Rotor-Einheit angeordnetes aktives Vibrations-Isolationssystem, welches die Zelle und die Getriebe-Rotor-Einheit miteinander verbindet, wobei das aktive Vibrations-Isolationssystem mindestens einen aktiv ansteuerbaren, lastübertragenden Schwingungstilger umfasst, welcher zumindest in Z-Richtung Lasten zwischen der Getriebe-Rotor-Einheit und der Zelle überträgt und Vibrationen von der Zelle isoliert, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungstilger als ein elektro-magnetischer Schwingungstilger ausgebildet ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Drehflügelflugzeug, insbesondere einen Hubschrauber, mit einem aktiven Vibrations-Isolationssystem.
STAND DER TECHNIK
Es sind Drehflügelflugzeuge, insbesondere Hubschrauber, mit einer Längen- (X), Breiten- (Y) und Höhenrichtung (Z) bekannt, umfassend eine Zelle, eine vibrationserzeugende Getriebe-Rotor-Einheit, sowie ein in einem Vibrations-Übertragungspfad zwischen Zelle und Getriebe-Rotor-Einheit angeordnetes aktives Vibrations-Isolationssystem, welches die Zelle und die Getriebe-Rotor-Einheit miteinander verbindet. Ein solches aktives Vibrations-Isolationssystem ist z. B. mit einem strebenförmigen Lastübertragungselement ausgestattet, welches über einen Piezo-Aktuator verfügt, der an einem Strebenkörper angebracht ist. Bei einem derartigen System erfährt das strebenförmige Lastübertragungselement durch den Betrieb des Piezo-Aktuators erhebliche dynamische Zusatzlasten. Dies kann zu einer frühzeitigen Werkstoffermüdung führen.
Des Weiteren sind Drehflügelflugzeuge mit passiven Vibrations-Isolationssystemen bekannt. Bei einem solchen passiven Vibrations-Isolationssystemen handelt es z. B. um das sog. ARIS-System (Antiresonanz-Isolationssystem). Das ARIS-System ist mit hydraulischen Schwingungstilgungseinheiten ausgestattet, die Lasten zwischen der Getriebe-Rotor-Einheit und der Zelle übertragen. Ferner isolieren bzw. tilgen sie durch eine an einen jeweiligen Vibrationszustand angepasste Masse-Feder-Abstimmung Vibrationen der Getriebe-Rotor-Einheit von der Zelle. Infolge der Vibrationen sowie durch Betriebslasten treten an den Schwingungstilgungseinheiten Längenänderungen auf. Um die Lastübertragung und Längenveränderung zuverlässig realisieren zu können, besitzen die hydraulischen Schwingungstilgungseinheiten längenveränderliche Metallbälge.
Aufgrund der bei diesem passiven System auftretenden hohen dynamischen Betriebslasten sowie infolge von Zusatzbelastungen, die bei dem Hydrauliksystem und dessen Hydraulikflüssigkeit weg-, druck- und temperaturabhängig und dadurch schwer vorauskalkulierbar sind, sind die hydraulischen Schwingungstilgungseinheiten einer erhöhten Werkstoffermüdung unterworfen. Dies kann zum Ausfall der Metallbälge führen. Die hydraulischen Schwingungstilgungseinheiten besitzen daher nur relativ kurze Lebenszyklen und sind sehr wartungsintensiv.
Das passive hydraulische Vibrations-Isolationssystem ist darüber hinaus nur auf eine vorbestimmte, konstante Rotordrehzahl bzw. Vibrationsfrequenz abgestimmt. Die Vibrationsfrequenz ist im Wesentlichen von der Rotordrehzahl und der Rotorblattanzahl abhängig. Das passive System kann im laufenden Betrieb daher nicht auf variable Rotordrehzahlen sowie veränderliche Vibrationszustände eingestellt werden.
Aus der EP 0 501 659 A1 ist ein aktives Schwingungsstellsystem zur Verminderung von Schwingungen einer Struktur, insbesondere zur Verminderung von Schwingungen eines Hubschrauberrumpfes, bekannt. Das aktive Schwingungsstellsystem umfasst einen ersten Regelkreis, der Sensoren zum Erfassen von Kräften in einem primären Schwingungsbelastungsweg und zum Abgeben von Signalen an eine Regeleinheit, die eine Zeitbereichs-Steuerlogik zum Bereitstellen von ersten Betätigungsanforderungssignalen aufweist; einen zweiten Regelkreis mit einer Anzahl von Sensoren zum Erfassen von sekundären Schwingungskräften auf der Struktur und zum Abgeben von Signalen an eine Regeleinheit, die eine Zeitbereichs-Steuerlogik zum Bereitstellen von zweiten Betätigungsanforderungssignalen aufweist; und eine Summierungseinrichtung zum Summieren der ersten und zweiten Betätigungsanorderungssignale und zum Bereitstellen der resultierenden Betätigungsanforderungssignale zum Betrieben einer oder mehrerer Betätigungseinrichtungen die an oder über Teile der Struktur angeschlossen sind, um die Schwingung der Struktur zu reduzieren.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe beziehungsweise das technische Problem zugrunde, ein Drehflügelflugzeug mit einem verbesserten aktiven Vibrations-Isolationssystem zu schaffen, welches auf einfache und effektive Art und Weise an unterschiedliche Rotordrehzahlen und Vibrationszustände anpassbar ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Drehflügelflugzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Dieses Drehflügelflugzeug, insbesondere ein Hubschrauber, mit einer Längen- (X), Breiten- (Y) und Höhenrichtung (Z), umfasst eine Zelle, eine vibrationserzeugende Getriebe-Rotor-Einheit als primäre Vibrationsquelle, sowie ein in einem Vibrations-Übertragungspfad zwischen Zelle und Getriebe-Rotor-Einheit angeordnetes aktives Vibrations-Isolationssystem, welches die Zelle und die Getriebe-Rotor-Einheit miteinander verbindet. Das aktive Vibrations-Isolationssystem weist erfindungsgemäß mindestens einen aktiv ansteuerbaren, lastübertragenden elektromagnetischen Schwingungstilger (z. B. einen elektro-magnetischen Linearmotor) auf, welcher zumindest in Z-Richtung Lasten zwischen der Getriebe-Rotor-Einheit und der Zelle überträgt und Vibrationen von der Zelle isoliert.
Bei dem erfindungsgemäßen Drehflügelflugzeug ist infolge der Verwendung des aktiv ansteuerbaren, lastübertragenden elektro-magnetischen Schwingungstilgers das aktive Vibrations-Isolationssystem auf einfache und effektive Art und Weise variabel an unterschiedliche Rotordrehzahlen und Vibrationszustände anpassbar. Der aktive elektro-magnetische Schwingungstilger kann eine sehr hohe Leistung bzw. sehr hohe Stellkräfte aufbringen und hierbei die im stationären Betrieb und Flugbetrieb auftretenden Lasten zwischen Getriebe-Rotor-Einheit und der Zelle zuverlässig aufnehmen und übertragen. Gleichzeitig lässt sich der elektromagnetische Schwingungstilger extrem schnell und präzise verstellen und kann auftretende Vibrationen somit nahezu verzögerungsfrei isolieren bzw. tilgen. Die Ansteuerung bzw. Regelung des elektro-magnetischen Schwingungstilgers ist z. B. mit Hilfe einer elektrischen bzw. elektronischen Steuerung-/Regeleinrichtung durchführbar. Dies gestattet auch den Einsatz einer Steuerungs- bzw. Regelungssoftware, so dass die Steuer- und Vibrationsisolierungs-Charakteristik des elektro-magnetischen Schwingungstilgers über die Software leicht an unterschiedliche Drehflügelflugzeugtypen und Schwingungs- bzw. Vibrationszustände angepasst werden kann.
Somit ist es möglich, die Zelle besonders effektiv von Vibrationen zu isolieren bzw. Vibrationen zu tilgen, die durch die Getriebe-Rotor-Einheit bzw. dieser zuzuordnende Eigenresonanzeffekte, usw., bzw. das Zusammenwirken von Zelle und Getriebe-Rotor-Einheit entstehen. Dadurch wird der Komfort des Drehflügelflugzeugs erhöht, und die vibrationsbedingten Belastungen der Zelle werden reduziert.
Darüber hinaus hat es sich gezeigt, dass der elektro-magnetische Schwingungstilger insbesondere gegenüber hydraulischen Schwingungstilgungseinheiten sehr robust ist und über eine höhere Lebensdauer verfügt. Dies führt nicht nur zu längeren Wartungsintervallen und damit reduzierten Wartungskosten, sondern auch zu einer erhöhten Sicherheit des aktiven Vibrations-Isolations-Systems bzw. des Drehflügelflugzeugs. Ferner lassen sich die zur Steuerung des elektro-magnetischen Schwingungstilgers erforderlichen Komponenten, wie zum Beispiel eine Kontroll- bzw. Steuer- und/oder Regeleinrichtung sowie eine geeignete Sensorik, gegenüber hydraulischen Systemen in ihrer Konstruktion erheblich vereinfachen und verkleinern. Dies reduziert das Gewicht des Gesamtsystems, was für Luftfahrzeuge besonders vorteilhaft ist.
Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale des erfindungsgemäßen Drehflügelflugzeugs sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zusätzlichen Ausgestaltungsdetails und weiteren Vorteilen ist nachfolgend näher beschrieben und erläutert.
DARSTELLUNG EINES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
Ein erfindungsgemäßes Drehflügelflugzeug (hier: ein Hubschrauber) besitzt eine Längen- (X), Breiten- (Y) und Höhenrichtung (Z). Der Hubschrauber umfasst eine Zelle, eine Getriebe-Rotor-Einheit als eine primäre Vibrationsquelle, sowie ein in einem Vibrations-Übertragungspfad zwischen Zelle und Getriebe-Rotor-Einheit angeordnetes aktives Vibrations-Isolationssystem, welches die Zelle und die Getriebe-Rotor-Einheit miteinander verbindet. Das Vibrations-Isolationssystem ist in diesem Beispiel mit drei, vorzugsweise vier aktiv ansteuerbaren, lastübertragenden Schwingungstilgern in Form von längenverstellbaren, elektro-magnetischen Linearmotoren ausgestattet. Diese elektro-magnetischen Linearmotoren übertragen Lasten bzw. Betriebslasten zwischen der Getriebe-Rotor-Einheit und der Zelle zumindest in der Z-Richtung und isolieren Vibrationen von der Zelle.
Ein jeweiliger elektro-magnetischer Linearmotor ist vorzugsweise als ein langgestrecktes, strebenartiges Element mit mindestens zwei gegenüberliegenden Befestigungsanschlüssen ausgebildet, mit denen der Linearmotor an die Zelle und die Getriebe-Rotor-Einheit anschließbar ist. Der elektro-magnetische Linearmotor erstreckt sich hierbei im Wesentlichen in Z-Richtung. Der Vibrations-Übertragungspfad zwischen der Zelle und der Getriebe-Rotor-Einheit wird in diesem Ausführungsbeispiel jeweils von einem elektro-magnetischen Linearmotor dargestellt. Generell können jedoch auch zusätzliche Vibrations-Übertragungspfade vorhanden sein, die sich z. B. aus Strukturelementen ergeben, die zum Linearmotor parallel geschaltet sind. Auch auf diese Übertragungspfade kann der elektromagnetische Linearmotor infolge der Parallelschaltung Einfluss nehmen. Die Länge des Übertragungspfades ist in diesem konkreten Beispiel als die Länge zwischen den zwei gegenüberliegenden Befestigungsanschlüssen in einem unausgelenkten Neutralzustand (Auslenkung = 0 mm) des elektro-magnetischen Linearmotors definiert.
Der elektro-magnetische Linearmotor ist mit einer elektrischen Energiequelle verbunden. Diese elektrische Energiequelle kann zum Beispiel ein mit dem Linearmotor gekoppelter elektrischer Stromspeicher sein. Dieser Stromspeicher ist vorzugsweise ausgewählt aus einer Gruppe von Stromspeichern, umfassend regenerative Stromspeicher, insbesondere Akkumulatoren, elektrochemische kapazitive Stromspeicher, insbesondere elektrochemische Doppelschicht-Kondensatoren, wie zum Beispiel sogenannte UltraCaps^TM.
Der elektro-magnetische Linearmotor besitzt einen Verstellweg von ca. ± 0 bis 5 mm, vorzugsweise ± 0 bis 4 mm, ± 0 bis 3 mm, ± 0 bis 2,5 mm, ± 0 bis 2 mm, ± 0 bis 1 mm. In diesem Beispiel beträgt der Verstellweg ± 0 bis 2,5 mm.
Der elektro-magnetische Linearmotor ist mit einem Sicherungs-Endanschlag versehen, welcher im inaktiven Betrieb des Linearmotors oder bei einem Versagen desselben die Lasten zwischen der Zelle und der Getriebe-Rotor-Einheit überträgt und eine zuverlässige Verbindung zwischen der Zelle und der Getriebe-Rotor-Einheit sicherstellt. Der Sicherungs-Endanschlag kann zusätzlich mit einer Verriegelungseinrichtung versehen sein, welche den Linearmotor in dem zuvor beschriebenen Zustand in einer gesicherten Verstellposition verriegelt und somit eine unerwünschte Relativbewegung zwischen Zelle und Getriebe-Rotor-Einheit verhindert.
Alternativ zu dem Sicherungs-Endanschlag oder auch zusätzlich dazu kann zwischen der Zelle und der Getriebe-Rotor-Einheit eine zum elektro-magnetischen Linearmotor parallel geschaltete Stützeinrichtung angeordnet sein, welche im inaktiven Betrieb des Linearmotors oder bei einem Versagen desselben die Lasten zwischen der Zelle und der Getriebe-Rotor-Einheit überträgt und eine sichere Verbindung zwischen der Zelle und der Getriebe-Rotor-Einheit sicherstellt. Bei dieser Stützeinrichtung kann es sich zum Beispiel um eine Stützstrebe, um eine Stützfeder oder um eine Feder-Dämpfereinheit handeln. Diese Stützeinrichtung übernimmt (sofern es sich nicht um die vorhergenannte Feder-Dämpfereinheit handelt) vorzugsweise keine vibrationsisolierenden oder -absorbierenden Aufgaben. Ebenso wenig sollte sie einen Einfluss auf die flugdynamischen Eigenschaften des Hubschraubers bzw. der Rotoreinheit haben.
Ein jeweiliger elektro-magnetischer Linearmotor ist mit einer Sensor-/Kontrolleinrichtung gekoppelt, welche vibrationsbedingte Schwingungszustände bzw. Längenänderungen des Vibrations-Übertragungspfades zwischen der Zelle und der Getriebe-Rotor-Einheit erfasst und den jeweiligen elektro-magnetischen Linearmotor derart ansteuert bzw. regelt und umgekehrt proportional zur erfassten Längenänderung auslenkt (d. h. verlängert oder verkürzt), dass dieser die auftretenden Vibrationen von der Zelle isoliert.
Für jeden elektro-magnetischen Linearmotor kann entweder eine gemeinsame Sensor-/Kontrolleinrichtung oder aber eine individuelle Sensor-/Kontrolleinrichtung vorgesehen sein. Die Erfassung der vibrationsbedingten Längenänderung kann grundsätzlich über jeden für diesen Zweck geeigneten Sensor erfolgen. So sind sowohl berührende als auch berührungslose Sensoren denkbar. Berührende Sensoren können zum Beispiel an dem elektro-magnetischen Linearmotor selbst oder an einer anderen Komponente der Zelle, der Getriebe-Rotor-Einheit oder eines beliebigen anderen zwischengeschalteten Elementes angeordnet sein. Eine direkte Erfassung der vibrationsbedingten Längenänderung ist zum Beispiel über Dehnungsmessstreifen, Piezoelemente oder dergleichen möglich. Eine berührungslose Erfassung der vibrationsbedingten Längenänderung kann zum Beispiel durch Ultraschall- oder Lasersensoren oder dergleichen realisiert werden. Ferner ist eine indirekte Messung der vibrationsbedingten Längenänderung bzw. des Vibrationszustandes zum Beispiel über Beschleunigungssensoren möglich. Generell müssen die verwendeten Sensoren nicht zwangsläufig an dem elektromagnetischen Linearmotor selbst angeordnet sein, sondern können sich auch an der Zelle und/oder der Getriebe-Rotor-Einheit oder anderen Zwischenelementen befinden.
Eine umgekehrt proportionale Auslenkung bedeutet, dass der elektro-magnetische Linearmotor

– um den (im Wesentlichen) gleichen Betrag verlängert wird, um den sich der Übertragungspfad vibrationsbedingt verkürzt;
– bzw. um den (im Wesentlichen) gleichen Betrag verkürzt wird, um den sich der Übertragungspfad vibrationsbedingt verlängert.

Durch einen derart angesteuerten Linearmotorbetrieb läuft die auftretende Vibration gewissermaßen stets „in die Leere". Und vibrationsbedingte Zusatzkräfte bzw. Zusatzbelastungen werden nicht auf die Zelle übertragen.
Die Sensor-/Kontrolleinrichtung verfügt vorzugsweise über eine Datenverarbeitungseinrichtung mit einem geeigneten Softwareprogramm und arbeitet mit einem an den jeweiligen Hubschraubertyp angepassten Steuer/Regelalgorithmus. Zusätzlich kann die Sensor-/Kontrolleinrichtung mit einer Schnittstelle versehen sein, die einen Datenaustausch mit einer externen Datenverarbeitungseinrichtung ermöglicht.
Das oben beschriebene Vibrations-Isolationssystem verfügt vorzugsweise über eine Schutzeinrichtung gegen elektromagnetische Störungen.
Obwohl die erfindungsgemäße Lösung in dem obigen Ausführungsbeispiel anhand eines Systems beschrieben wurde, bei dem der bzw. die elektro-magnetischen Linearmotoren sich im Wesentlichen in Z-Richtung erstrecken und Lasten zwischen der Getriebe-Rotor-Einheit und der Zelle im Wesentlichen nur in Z-Richtung übertragen und Vibrationen von der Zelle im Wesentlichen auch nur in Z-Richtung isolieren, ist die erfindungsgemäße Lösung nicht auf eine solche Anwendung beschränkt. Je nach Anordnung des jeweiligen elektro-magnetischen Linearmotors (zum Beispiel eine schräge Anordnung in Bezug zur Z-Richtung) kann der betreffende elektro-magnetische Linearmotor auch Lasten bzw. Lastkomponenten in X- und Y-Richtung übertragen und Vibrationen auch in X- und/oder Y-Richtung von der Zelle isolieren. Für eine derartige Ausgestaltungsform ist die Konstruktion der Sensor-/Kontrolleinrichtung sowie deren Funktionsweise entsprechend anzupassen.
Obwohl nicht zwingend erforderlich, ist es grundsätzlich möglich, im Rahmen des erfindungsgemäßen Drehflügelflugzeugs zusätzlich zu dem aktiven Vibrations-Isolationssystem passive Vibrations-Isolationssysteme bzw. Vibrations-Dämpfungssysteme zwischen Zelle und Getriebe-Rotor-Einheit vorzusehen, so z. B. auch konventionelle Feder-Dämpfereinheiten.

Claims

Drehflügelflugzeug, insbesondere ein Hubschrauber, mit einer Längen- (X), Breiten- (Y) und Höhenrichtung (Z), umfassend eine Zelle, eine vibrationserzeugende Getriebe-Rotor-Einheit als primäre Vibrationsquelle, sowie ein in einem Vibrations- Übertragungspfad zwischen Zelle und Getriebe-Rotor-Einheit angeordnetes aktives Vibrations-Isolationssystem, welches die Zelle und die Getriebe-Rotor-Einheit miteinander verbindet, wobei das aktive Vibrations-Isolationssystem mindestens einen aktiv ansteuerbaren, lastübertragenden Schwingungstilger umfasst, welcher zumindest in Z-Richtung Lasten zwischen der Getriebe-Rotor-Einheit und der Zelle überträgt und Vibrationen von der Zelle isoliert, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungstilger als ein elektro-magnetischer Schwingungstilger ausgebildet ist.
Drehflügelflugzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive elektro-magnetische Schwingungstilger ein aktiv ansteuerbarer, lastübertragender elektro-magnetischer Linearmotor ist.
Drehflügelflugzeug nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der aktive elektro-magnetische Schwingungstilger als ein langgestrecktes, strebenartiges Element mit mindestens zwei gegenüberliegenden Befestigungsanschlüssen ausgebildet ist, mit denen der Schwingungstilger an die Zelle und die Getriebe-Rotoreinheit anschließbar ist.
Drehflügelflugzeug nach einem der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive elektro-magnetische Schwingungstilger einen Sicherungs-Endanschlag besitzt, welcher im inaktiven Betrieb des Schwingungstilgers oder bei einem Versagen desselben die Lasten zwischen der Zelle und der Getriebe-Rotoreinheit überträgt.
Drehflügelflugzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sicherungs-Endanschlag eine Verriegelungseinrichtung besitzt, welche den Schwingungstilger im inaktiven Betrieb oder bei einem Versagen desselben in einer vorbestimmten Position verriegelt.
Drehflügelflugzeug nach einem der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Zelle und der Getriebe-Rotoreinheit eine zum aktiven elektromagnetischen Schwingungstilger parallel geschaltete Stützeinrichtung angeordnet ist, welche im inaktiven Betrieb des Schwingungstilgers oder bei einem Versagen desselben die Lasten zwischen der Zelle und der Getriebe-Rotoreinheit überträgt.
Drehflügelflugzeug nach einem der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektro-magnetische Schwingungstilger mit einem elektrischen Stromspeicher gekoppelt ist, der ausgewählt ist aus einer Gruppe von elektrischen Stromspeichern, umfassend regenerative elektrische Stromspeicher, insbesondere Akkumulatoren, elektrochemisch-kapazitive Stromspeicher, insbesondere elektrochemische Doppelschicht-Kondensatoren.
Drehflügelflugzeug nach einem der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive elektro-magnetische Schwingungstilger einen Verstellweg von ± 0 bis 5 mm, oder ± 0 bis 4 mm, oder ± 0 bis 3 mm, oder ± 0 bis 2,5 mm, oder ± 0 bis 2 mm, oder ± 0 bis 1 mm besitzt.
Drehflügelflugzeug nach einem der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive elektro-magnetische Schwingungstilger mit einer Sensor-/Kontrolleinrichtung gekoppelt ist, welche vibrationsbedingte Längenänderungen des Vibrations- Übertragungspfades zwischen Zelle und Getriebe-Rotoreinheit erfasst und den aktiven elektro-magnetischen Schwingungstilger derart ansteuert und umgekehrt proportional zur erfassten Längenänderung auslenkt, dass dieser die Vibrationen von der Zelle isoliert.