DE102006042575A1

DE102006042575A1 - Rotor head unit for helicopter or surface airplane, has blade holders and bearing unit movably arranged to each other, where movability between bearing unit and blade holders is enabled totally or partially by solid joints

Info

Publication number: DE102006042575A1
Application number: DE200610042575
Authority: DE
Inventors: Matthias Rupprecht; Andreas Preissler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-09-11
Filing date: 2006-09-11
Publication date: 2008-03-27

Abstract

The rotor head unit has blade holders (27) and a bearing unit (33) movably arranged to each other, and solid joints (29) provided in a control area of rotor blades. The movability between the bearing unit and the blade holders is enabled totally or partially by the solid joints. An electric motor for the drive of the rotor is realized on the bearing unit, and a belt pulley for driving the rotor over an engine is realized on the bearing unit. Control movements are transferred in interior of the bearing unit.

Description

Die Erfindung beschreibt eine vereinfachte Rotorkopf- und Antriebseinheit eines Hubschraubers oder Flächenflugzeugs. In 1 ist der prinzipielle Aufbau eines Hubschraubers dargestellt.The invention describes a simplified rotor head and drive unit of a helicopter or surface aircraft. In 1 is the basic structure of a helicopter shown.

Er besteht aus einem Rumpf/Chassis (1), einem Motor (2), einem Getriebe (3) einer Rotorwelle (4), die sich in der Rotorachse (5) befindet, und einem Rotorkopf und Rotorblättern (7). Der Rotorkopf besteht aus einem Zentralstück (6), das mit der Rotorwelle (4) fest verbunden ist. Daran schwenkbar befestigt sind die Blatthalter (9). An ihnen sind die Rotorblätter (7) befestigt. Zur Steuerung des Hubschraubers müssen die Einstellwinkel der Rotorblätter zyklisch und kollektiv verändert werden. Kollektivverstellung bewirkt eine Veränderung des Einstellwinkels unabhängig von der Drehbewegung. Damit kann die durch den Rotor entstehende Kraft, die im Rotormittelpunkt in Richtung der Rotorachse entsteht, vergrößert und verkleinert und im Vorzeichen geändert werden. Zyklisch bedeutet, dass sich der Einstellwinkel eines Rotorblattes pro Umdrehung um die Hauptrotorachse sinusförmig vergrößert und verkleinert. Damit greift die entstehende Kraft nicht mehr in der Rotorachse an und führt zu Nick- und Rollbewegungen des Hubschraubers. Die Steuerung erfolgt über Hebel und Knüppel oder, wie hier beschrieben, über Servoantriebe (11 12 13). Zur Übertragung der Steuersignale an die Rotorblätter wird üblicherweise eine Taumelscheibe (14) verwendet. Sie ist um die Rotorachse angeordnet und besteht aus einem rotierenden Teil (15) und einem nicht rotierenden Teil (16). Über Gestänge (17) werden die Gelenkpunkte (18 19) an dem rotierenden Teil der Taumelscheibe (15) und den Blatthaltern (9) verbunden. Durch Verkürzen oder Verlängern dieser Gestänge können die Einstellwinkel der Rotorblätter zueinander justiert werden (Einstellung des Spurlaufs). Die Servoantriebe werden so mit dem nicht rotierenden Teil (16) der Taumelscheibe verbunden, dass ein Kippen in alle Richtungen und ein Auf- und Abbewegen der Taumelscheibe ermöglicht wird. Ein Kippen der Taumelscheibe ermöglicht eine zyklische Veränderung des Einstellwinkels. Heben und Senken der Taumelscheibe verändert den Anstellwinkel aller Blätter in gleicher Weise und führt somit zu einer kollektiven Veränderung des Einstellwinkels. Die Rotorwelle wird über ein Getriebe (3) mit dem Antriebsmotor, in 1 als Elektromotor dargestellt, verbunden. Durch den Heckrotor wird eine Kraft erzeugt, die dem Drehmoment der Rotorwelle entgegenwirkt und so ein Drehen des Hubschraubers um die Rotorachse verhindert. Hier sei nur am Rande erwähnt, dass Modellhubschrauber aufgrund ihrer dynamischen Eigenschaften und Systemdämpfungen oft nicht kontrollierbar sind. Dazu werden zusätzlich Hilfssteuerblätter eingesetzt. Sie werden nach ihrem Erfinder als Hiller Paddel bezeichnet. Die Steuerbewegungen der Taumelscheibe wirken anteilig oder vollständig auf diese Hilfspaddel, die wiederum anteilig oder vollständig den Einstellwinkel der Rotorblätter steuern. Durch geeignete konstruktive Auslegung oder zusätzliche Regelsysteme kann in manchen Fällen auf diese aufwändige Mechanik verzichtet werden. Diese Mechaniken sind noch aufwändiger als das in 1 dargestellte Prinzip. Eine detaillierte Beschreibung der bisher verwendeten Konstruktionen und Varianten sowie zum dynamischen Systemverhalten sind in dem Buch „Der RC – Hubschrauber" (ISBN 3-88180-030-1) dargestellt.It consists of a fuselage / chassis ( 1 ), a motor ( 2 ), a transmission ( 3 ) a rotor shaft ( 4 ) located in the rotor axis ( 5 ), and a rotor head and rotor blades ( 7 ). The rotor head consists of a central piece ( 6 ), which with the rotor shaft ( 4 ) is firmly connected. The leaf holders are pivotally attached thereto ( 9 ). On them are the rotor blades ( 7 ) attached. To control the helicopter, the pitch of the rotor blades must be cyclically and collectively changed. Collective adjustment causes a change in the setting angle regardless of the rotational movement. Thus, the force resulting from the rotor, which arises in the rotor center in the direction of the rotor axis, enlarged and reduced and changed in the sign. Cyclic means that the setting angle of a rotor blade increases and decreases sinusoidally per revolution about the main rotor axis. Thus, the resulting force no longer attacks in the rotor axis and leads to pitching and rolling movements of the helicopter. The control takes place via lever and stick or, as described here, via servo drives ( 11 12 13 ). For transmitting the control signals to the rotor blades is usually a swash plate ( 14 ) used. It is arranged around the rotor axis and consists of a rotating part ( 15 ) and a non-rotating part ( 16 ). Via linkage ( 17 ) the points of articulation ( 18 19 ) on the rotating part of the swash plate ( 15 ) and the sheet holders ( 9 ) connected. By shortening or lengthening of this linkage, the setting angle of the rotor blades can be adjusted to each other (setting the tracking). The servo drives are thus connected to the non-rotating part ( 16 ) of the swash plate, that a tilting in all directions and an up and down movement of the swash plate is made possible. A tilting of the swash plate allows a cyclic change of the setting angle. Lifting and lowering the swash plate changes the angle of attack of all blades in the same way and thus leads to a collective change in the setting angle. The rotor shaft is driven by a gear ( 3 ) with the drive motor, in 1 shown as an electric motor connected. Through the tail rotor, a force is generated which counteracts the torque of the rotor shaft and thus prevents a rotation of the helicopter about the rotor axis. It should be mentioned only marginally that model helicopters are often not controllable due to their dynamic properties and system damping. In addition auxiliary control sheets are used. They are named after their inventor as Hiller paddle. The control movements of the swash plate act proportionally or completely on these auxiliary paddles, which in turn proportionally or completely control the setting angle of the rotor blades. By appropriate design or additional control systems can be dispensed with this complex mechanism in some cases. These tuners are more elaborate than the ones in 1 illustrated principle. A detailed description of the previously used constructions and variants as well as the dynamic system behavior are in the book "The RC Helicopter" (ISBN 3-88180-030-1) shown.

Aufgabetask

Bisherige Konstruktionen weisen einige Nachteile auf. Die Anlenkung der Blätter soll möglichst leichtgängig, steif und spielfrei sein. Durch die Summe der Gelenke und Hebel ist das nur bedingt zu erreichen. Ein weiterer Aspekt ist die Gewichtsreduzierung. Durch die Trennung in Motor, Getriebe, Lagerung, Rotorwelle und Anlenkkonstruktion und die dazu Notwendige starre Verbindung dieser Teile über ein Chassis steigt das Gewicht der Konstruktion. Das Getriebe ist mit Verschleiß behaftet und führt zu Geräuschentwicklung. Der in Folge von Unfällen auftretende Reparaturaufwand steigt ebenfalls mit dem Umfang der Konstruktion an.Previous Constructions have some disadvantages. The articulation of the leaves should preferably smooth, be stiff and play free. By the sum of the joints and levers this is only partially achievable. Another aspect is the weight reduction. Due to the separation in engine, transmission, bearing, rotor shaft and Anlenkkonstruktion and the necessary rigid connection this Parts over one Chassis increases the weight of the construction. The transmission is with Wear and leads to noise. The result of accidents occurring repair costs also increases with the extent of Construction on.

Lösungsolution

Der Kern der Erfindung besteht im Einsatz von Festkörpergelenken als Verbindung zwischen Blatthaltern und einer der Taumelscheibe ähnlichen Lagereinheit (33). In Folge kann die gesamte Konstruktion so vereinfacht werden, dass eine kompakte, robuste und leichte Einheit entsteht. In einem weiteren Schritt kann Motor und Rotor auf eine gemeinsame Lagereinheit gesetzt werden. Diese Lagereinheit kann mit nur einem Lager, das für die Aufnahme von axialen und radialen Kräften ausgelegt ist, realisiert werden. 2, 3 und 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen zwei Blatt Rotorkopf. Als Antrieb ist ein vielpoliger bürstenloser Elektromotor in die Konstruktion integriert. Eine Grundplatte (20) ist fest verbunden mit dem Chassis des Hubschraubers. In der Grundplatte (20) ist das Kugellager (21) fixiert. Der aus Elektroblech hergestellte Stator (22), dessen Pole mit Kupferdraht (nicht dargestellt) bewickelt werden, ist ebenfalls an der Grundplatte (20) fixiert. In Verbindung mit den Permanentmagneten (23) und dem aus Stahl hergestellten Rückschlussring (24) wird ein auf niedere Drehzahlen optimierter Elektromotor realisiert. Den innen liegende rotierende Teil des Lagers, die Magnete (23) und den Rückschlussring (24) verbindet die Kopfplatte (25). Über zwei Halteklötze (26) sind die Blatthalter (27) schwenkbar gelagert. Die gabelförmigen Enden dienen zur Aufnahme der Rotorblätter. Die durch die Fliehkraft entstehenden hohen Kräfte werden über Druckkugellager aufgenommen und über die Blattlagerwelle (28) und die Kopfplatte geführt. Wesentlicher Teil der Erfindung ist eine Kombination aus mehreren Festkörpergelenken die durch ein Z-förmig gebogenes Federstahlblech (29) realisiert sind. Dieses verbindet die Blatthalter (27) und die Steuerplatte (30). Die Steuerplatte (30) ist über einen Excenter (31) und Schrauben (nicht dargestellt) in den Bohrungen (32) mit dem Federstahlblech (29) verbunden. Durch Verdrehen des Excenters (31) kann das Federstahlblech zur Steuerplatte gekippt und dadurch der Einstellwinkel der Rotorblätter zueinander justiert werden (Spurlaufeinstellung). Um ein seitliches ausweichen zu verhindern verfügt das Federstahlblech (29) über einen Schlitz. Es wird dort durch die hindurchragende Blattlagerwelle (28) geführt. Am unteren Ende der Steuerplatte (30) befindet sich eine Lagereinheit (33). Sie führt eine kurze Welle, die über drei Gelenkköpfe und Gestänge mit drei Servoantrieben (34 35 36) verbunden ist. Die Steuerstangen sind etwa 90° zueinander angeordnet, so dass durch die Servoantriebe der Ansteuerpunkt (37) um die Rotorachse und längs zur Rotorachse bewegt werden kann. Der Ansteuerpunkt (37) kann wie dargestellt aus einzelnen Anlenkpunkten bestehen. Er kann aber bei kleinen Systemen auch in Einheit mit der Lagereinheit (33) z.B. in Form eines Kugelkopfes realisiert werden. 4 zeigt einige Beispiele (Position A, B, C) für zyklische und kollektive Auslenkungen. Das Federstahlblech (29) wird durch einen Schlitz auf der Blattlagerwelle (28) geführt. In 4 wird ebenfalls dargestellt, dass durch das Federstahlblech (29) mehrere Festkörpergelenke realisiert werden. Die Sektionen (29a) werden tordiert, wenn durch Servoantrieb (35) die Steuerstange und damit der Mittelteil des Federstahlblechs (29b) angehoben wird (Position A). Erfolgt durch Servoantrieb 34 eine Auslenkung in Position B, so wird im dargestellten Fall der Bereich (29c) tordiert. Es erfolgt in der dargestellten Position des Kopfes keine Änderung des Einstellwinkels. Erfolgt durch Servoantrieb 36 eine Auslenkung in Position C, so wird im dargestellten Fall der Einstellwinkel der Blätter verändert. Die Positionen B und C führen bei rotierendem Kopf zu einer zyklischen Verstellung des Einstellwinkels. Die Sektion 29d stellt eine Biegezone dar, die erforderlich ist, um die Kombination aus zyklischer und kollektiver Ansteuerung zu ermöglichen.The essence of the invention is the use of solid joints as a connection between sheet holders and a swash plate-like storage unit ( 33 ). As a result, the entire design can be simplified to create a compact, rugged and lightweight unit. In a further step, the motor and rotor can be placed on a common storage unit. This bearing unit can be realized with only one bearing, which is designed for the absorption of axial and radial forces. 2 . 3 and 4 shows an embodiment for a two-blade rotor head. The drive is a multi-pole brushless electric motor integrated into the construction. A base plate ( 20 ) is firmly connected to the chassis of the helicopter. In the base plate ( 20 ) is the ball bearing ( 21 ) fixed. The stator made of electrical steel ( 22 ), whose poles are wound with copper wire (not shown) is also on the base plate ( 20 ) fixed. In conjunction with the permanent magnets ( 23 ) and the steel ring ( 24 ) is realized at low speeds optimized electric motor. The inner rotating part of the bearing, the magnets ( 23 ) and the return ring ( 24 ) connects the top plate ( 25 ). About two holding blocks ( 26 ) are the leaf holders ( 27 ) pivotally mounted. The forked ends serve to accommodate the rotor blades. The high forces resulting from the centrifugal force are transmitted via thrust ball bearings picked up and over the blade bearing shaft ( 28 ) and guided the top plate. An essential part of the invention is a combination of several solid-state joints through a Z-shaped bent spring steel sheet ( 29 ) are realized. This connects the leaf holders ( 27 ) and the control plate ( 30 ). The control plate ( 30 ) is via an eccentric ( 31 ) and screws (not shown) in the holes ( 32 ) with the spring steel sheet ( 29 ) connected. By turning the Excenters ( 31 ), the spring steel sheet can be tilted to the control plate and thereby the setting angle of the rotor blades are adjusted to each other (track adjustment). To prevent lateral deflection, the spring steel plate ( 29 ) over a slot. It is there by the projecting blade bearing shaft ( 28 ) guided. At the bottom of the control panel ( 30 ) is a storage unit ( 33 ). It carries a short shaft, which has three rod ends and linkage with three servo drives ( 34 35 36 ) connected is. The control rods are arranged approximately 90 ° to each other, so that by the servo drives the Ansteuerpunkt ( 37 ) can be moved about the rotor axis and along the rotor axis. The control point ( 37 ) can consist of individual articulation points as shown. However, in small systems it can also be combined with the storage unit ( 33 ) can be realized for example in the form of a ball head. 4 shows some examples (position A, B, C) for cyclic and collective deflections. The spring steel sheet ( 29 ) by a slot on the journal shaft ( 28 ) guided. In 4 is also shown by the spring steel sheet ( 29 ) Several solid joints are realized. The sections ( 29a ) are twisted when driven by servo drive ( 35 ) the control rod and thus the middle part of the spring steel sheet ( 29b ) is raised (position A). Served by servo drive 34 a deflection in position B, so in the case shown the area ( 29c ) twisted. There is no change in the setting angle in the illustrated position of the head. Served by servo drive 36 a deflection in position C, so in the illustrated case, the setting angle of the leaves is changed. The positions B and C lead to a cyclic adjustment of the setting angle with a rotating head. The section 29d represents a bending zone required to enable the combination of cyclic and collective driving.

Technische Ausführungen können in vielfältigen Variationen der Erfindung entstehen. So können über je ein Festkörpergelenk pro Blatthalter auch Rotoren mit mehr als zwei Blättern realisiert werden. Dabei muss der Spurlauf pro Blatthalter getrennt einstellbar sein. Im dargestellten Beispiel können die Festkörpergelenke 29a kombiniert werden mit konventionellen Gelenken, z.B. Kugelköpfen, die die Aufgabe der Festkörpergelenke 29c und 29d übernehmen. Dabei bleiben viele Vorteile der Erfindung immer noch erhalten.Technical embodiments may arise in many variations of the invention. Thus, rotors with more than two blades can be realized via one solid-state joint per blade holder. The track run per blade holder must be separately adjustable. In the example shown, the solid-state joints 29a Combined with conventional joints, eg ball heads, which are the task of the solid joints 29c and 29d take. Many advantages of the invention still remain.

Grundsätzlich kann die Erfindung auch eingesetzt werden, wenn der Antrieb des Rotors über ein Antriebsmittel, z.B. Zahnräder oder Riemen, erfolgt. So kann ein großes Spektrum von Motoren verwendet werden.Basically The invention also be used when the drive of the rotor via a Drive means, e.g. gears or belt, takes place. So can a wide range of engines used become.

Durch den Einsatz von Festkörpergelenken können viele konstruktive Vorteile erzielt werden. Die Anzahl der Bauelemente sinkt, die Steifigkeit der Anlenkung und die Spielfreiheit werden verbessert. In Verbindung mit der Übertragung der Steuerbewegung im Zentrum der Lagereinheit entsteht eine enorm einfache und robuste Konstruktion. In Folge kann die Antriebseinheit einfach integriert und dadurch zusätzlich Gewicht eingespart werden.By The use of solid joints can be many constructive advantages are achieved. The number of components decreases, the rigidity of the linkage and the backlash become improved. In connection with the transfer of the tax movement In the center of the storage unit, a tremendously simple and robust system is created Construction. As a result, the drive unit can be easily integrated and in addition To save weight.

Als weitere Anwendung kann eine solche Konstruktion auch als Antriebseinheit für Flächenflugzeuge eingesetzt werden. Zur Anpassung von Motordrehzahl und Fluggeschwindigkeit sind Verstellpropeller, teilweise mit Umkehr der Schubrichtung, bekannt. Durch die zusätzliche zyklische Verstellmöglichkeit kann der Auftriebspunkt verlagert und so die Flug- oder Schwebelage gesteuert werden.When Another application can also be such a construction as a drive unit for surface aircraft be used. To adjust the engine speed and airspeed are variable pitch propellers, partly with reversal of the thrust direction, known. By the additional cyclic adjustment The buoyancy point can shift and so the flight or Schwebelage to be controlled.

Claims

Rotor head unit with cyclic and collective adjustability with blade holders ( 27 ) and a storage unit ( 33 ), whereby leaf holder ( 27 ) and storage unit ( 33 ) are movably arranged to each other, characterized in that a mobility between the storage unit ( 33 ) and the sheet holders ( 27 ) in whole or in part through solid joints ( 29 ).

Rotor head unit according to claim 1, characterized in that the relative movement between the bearing unit ( 33 ) and the sheet holders ( 27 ) exclusively by solid-state joints ( 29 ) and other rigid components is made possible.

Rotor head unit according to claim 1, characterized in that the relative movement between the bearing unit ( 33 ) and the sheet holders ( 27 ) is made possible by solid joints and conventional joints.

Rotor head unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the control movements in the interior of the bearing unit ( 21 ) be transmitted.

Rotor head unit according to one or more of the preceding claims characterized in that the bearing unit of only one rolling bearing exists, which is capable of transmitting radial and axial forces.

Rotor head unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that on the same storage unit ( 21 ) An electric motor for driving the rotor is realized.

Rotor head unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that on the same storage unit ( 21 ) a sprocket pulley or pulley is realized to drive the rotor via a mounted motor.

Rotor head unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that by an adjustment between solid-state joint ( 29 ) and storage unit ( 33 ) the track can be adjusted.

Rotor head unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the solid-body joint has a slot through which the blade bearing shaft ( 28 ) and thereby the solid-state joint ( 29 ) to be led.

Rotor head unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the bearing unit ( 33 ) and the control point ( 37 ) is realized as a unit, eg as a ball head.