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Die Erfindung betrifft einen Tragschrauber mit einem Motor, einem Motorkopf und einer Drehmomentübertragungsvorrichtung zum Übertragen eines Drehmoments des Motors zum Rotorkopf.
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Wie bei allen Fluggeräten ist es auch bei Tragschraubern das Ziel, diese möglichst leicht zu konstruieren. Das gilt in besonderem Maße bei Tragschraubern, weil diese, um als Luftsportgerät zugelassen werden zu können, eine maximale Masse von 450 kg nicht überschreiten dürfen. So besteht der Wunsch, die Drehmomentübertragungsvorrichtung besonders leichtgewichtig zu konstruieren. Dem sind aber bei bestehenden Tragschraubern dahingehend Grenzen gesetzt, dass die Drehmomentübertragungsvorrichtung so ausgelegt werden muss, dass sie Drehmomentspitzen verkraftet. Solche Drehmomentspitzen können beispielsweise zu Beginn des Vorrotierens entstehen, wenn der Pilot zu früh Gas gibt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Nachteile im Stand der Technik zu überwinden.
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Die Erfindung löst das Problem durch einen gattungsgemäßen Tragschrauber, bei dem die Drehmomentübertragungsvorrichtung eine pneumatische Kupplung aufweist.
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Vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass die Kupplung so ausgebildet sein kann, dass beim Einkuppeln ein maximales Drehmoment nicht überschritten wird. Aus diesem Grund kann der Antriebsstrang so ausgelegt werden, dass er zwar dieses vorgegebene maximale Drehmoment sicher überträgt, nicht aber deutlich größere Drehmomente. Da jedoch die Drehmomentsübertragungsvorrichtung nicht für eine etwaige Fehlbedienung durch den Piloten ausgelegt werden muss, kann sie leichtgewichtiger konstruiert werden.
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Es ist ein weiterer Vorteil, dass Schäden im Antriebsstrang durch Fehlbedienungen vermieden werden. Das erhöht die Betriebssicherheit und Verfügbarkeit des Tragschraubers.
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Es ist ein weiterer Vorteil, dass das Kuppelverhalten des Tragschraubers unabhängig von Umgebungsbedingungen ist. Bei bekannten Kupplungen, die einen Riementrieb umfassen, sinken der Haftreibungskoeffizient und der Gleitreibungskoeffizient mit zunehmender Luftfeuchtigkeit. Insbesondere dann, wenn der Riementrieb nass geworden ist, kann es daher leicht zum Durchrutschen kommen. Weil über die Kupplung teilweise beträchtliche Leistungen übertragen werden müssen, kommt es beim Durchrutschen leicht zu starkem Verschleiß des Riemens. Demgegenüber kann die pneumatische Kupplung als Trockenreibkupplung ausgelegt werden, die im Wesentlichen wartungsfrei ist.
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Es ist ein weiterer Vorteil, dass die Kupplung so angeordnet werden kann, dass ein Antriebsteil und ein Abtriebsteil der Kupplung koaxial zueinander und zu einer Kurbelwelle des Motors verlaufen. Beim Vorrotieren kann es so durch das anliegende Drehmoment zu keiner größeren Verlagerung des Motors relativ zum Rumpf des Tragschraubers kommen. Aus diesem Grund kann eine Motoraufnahme für den Motor weniger steif ausgelegt werden, was zusätzlich Gewicht spart.
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Die Erfindung bezieht sich auch auf elektrische Kupplungen, die über ein magnetisches Feld schalten. Elektrische Kupplungen haben sich jedoch für Tragschrauber als weniger geeignet herausgestellt, unter anderem, weil beim Vorrotieren über längere Zeit beträchtliche Drehmomente von circa 35 Newtonmetern übertragen werden müssen. Das führt zu thermischer Ausdehnung des Reibbelags und erfordert einen erhöhten Verfahrweg, der seinerseits einen großen elektrischen Strom zum Schließen der Kupplung notwendig macht. Obwohl eine elektrische Kupplung also wegen der einfachen Steuerung vorteilhaft erscheint, führen die Besonderheiten des Tragschraubers zu gravierenden Nachteilen, die einen Einsatz unattraktiv machen.
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Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung ist der Motor insbesondere ein Zylindermotor.
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Unter dem Rotorkopf wird insbesondere diejenige Einheit des Tragschraubers verstanden, die den Rotor mit dem starren Rumpf gelenkig verbindet. In anderen Worten ist der Rotorkopf dasjenige Bauteil, an dem der Rotor befestigt ist und mittels dem der Rotor relativ zum Rumpf vierschwenkbar ist.
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Unter der Drehmomentsübertragungsvorrichtung wird insbesondere eine Gesamtheit aus denjenigen Komponenten verstanden, die in einem Drehmomentfluss hinter dem Motor und vor dem Rotorkopf angeordnet sind. Besitzt der Rotorkopf einen Zahnkranz, der von einem Ritzel angetrieben wird, so endet die Drehmomentsübertragungsvorrichtung mit dem Ritzel.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kupplung eine Trockenreibkupplung. Derartige Trockenreibkupplungen besitzen zwei Reibpartner, die miteinander in und außer Eingriff bringbar sind, indem sie aufeinander zugestellt werden. Zwischen den beiden Reibpartnern ist keine Flüssigkeit vorhanden, so dass Haft-Gleit-Effekte nur zu einem geringen Ausmaß existieren. Bevorzugt sind die Reibpartner durch ein Gehäuse vor dem Zutritt von Feuchtigkeit geschützt.
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Günstig ist es, wenn zumindest einer der beiden Reibpartner genutet, insbesondere radial genutet, ist, so dass Reibwärme besonders gut abgeführt werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die pneumatische Kupplung eine Antriebswelle, eine Abtriebswelle und einen Pneumatikzylinder, wobei der Pneumatikzylinder die Abtriebswelle und/oder die Antriebswelle radial umgibt. Dabei wird unter dem Pneumatikzylinder das gesamte Bauteil aus Zylinder und Kolben verstanden. Unter dem Zylinder hingegen wird der zylinderförmige Hohlraum verstanden, in dem der Kolben läuft. Vorteilhaft an diesem Aufbau ist, dass er besonders platzsparend ist.
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Vorzugsweise hat der Pneumatikzylinder einen ringförmigen Querschnitt. Auf diese Weise baut die pneumatische Kupplung besonders kurz und kompakt und kommt mit einer geringen Anzahl an Bauteilen aus. Der Zylinder kann auch als axial hohlgebohrter Zylinder bezeichnet werden.
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Vorzugsweise besitzt die pneumatische Kupplung ein Einrücklager, das einen ersten Lagerring, der drehstarr mit dem Pneumatikzylinder verbunden ist, und einen zweiten Lagerring, der relativ zum Pneumatikzylinder drehbar angeordnet ist, aufweist. Dabei ist der erste Lagerring bevorzugt mit dem Kolben des Pneumatikzylinders verbunden. Ein Einrücklager ist ein Wälzlager, das zum Übertragen von axialen Kräften ausgebildet ist. Das Einrücklager überträgt bevorzugt die volle axiale Last, die vom Pneumatikzylinder erzeugt wird.
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Vorzugsweise umfasst der Tragschrauber einen Antriebsstrang, wobei die Antriebswelle Teil des Antriebsstrangs ist, sowie einen Abtriebsstrang, wobei die Abtriebswelle Teil des Abtriebsstrangs ist. Die Kupplung besitzt vorzugsweise eine Ausrückfeder, die zum Übertragen des Lastdrehmoments im Drehmomentfluss zwischen Antriebsstrang und Abtriebsstrang angeordnet ist. Unter einer Ausrückfeder wird insbesondere eine Feder verstanden, die eine axiale Bewegung zumindest eines Teils des Antriebsstrangs zu zumindest einem Teil des Abtriebsstrangs erlaubt. Die Ausrückfeder erlaubt es also, das Lastdrehmoment vom Motor zum Rotorkopf zu übertragen und gleichzeitig zwei Teile von Antriebs- bzw. Abtriebsstrang relativ zueinander zu bewegen. Auf diese Weise kann ein Reibschluss zwischen zwei Komponenten der Kupplung hergestellt werden.
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Besonders bevorzugt spannt die Ausrückfeder den Pneumatikzylinder in seine Ruhelage vor. Bei der Ruhelage handelt es sich vorzugsweise um die Stellung des Pneumatikzylinders, in dem er seine minimale Ausdehnung bzw. Auslenkung hat. In dieser Stellung liegt ein Kolben des Pneumatikzylinders, der im Zylinder läuft, in der Regel an der Stirnseite, also am Zylinderkopf an. Aus Sicherheitsgründen ist in der Regel vorgesehen, dass die Kupplung in dieser Stellung kein Drehmoment überträgt. Sollte dann nämlich während des Fluges die Druckluftversorgung ausfallen, so kann es nicht dazu kommen, dass der Rotor gebremst wird.
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Vorzugsweise umfasst die pneumatische Kupplung einen Reibbelag und eine Ankerplatte, wobei die Ausrückfeder so ausgebildet ist, dass der Reibbelag und die Ankerplatte dann, wenn der Pneumatikzylinder druckfrei ist, einen Ruhe-Abstand von zumindest 0,5 mm haben. Das führt zu einer besonders hohen Betriebssicherheit, weil sichergestellt ist, dass auch eine etwaige thermische Ausdehnung der Komponenten der Kupplung, beispielsweise durch Motorwärme oder Sonneneinstrahlung, nicht dazu führt, dass die Kupplung unbeabsichtigt schließt.
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Vorzugsweise hat der Pneumatikzylinder einen Hub von zumindest 2 mm. Das gestattet es, einen Reibbelag vorzusehen, der eine Dicke von mindestens 2 mm hat. Zu Beginn des Vorrotierens muss ein relativ hohes Drehmoment von beispielsweise 35 Newtonmetern bei einer gegebenenfalls hohen Leistung von beispielsweise 80 kW übertragen werden. Das führt, insbesondere bei rutschender Kupplung zu Beginn des Rotierens, zu einer hohen thermischen Belastung am Reibbelag und damit zu hohem Verschleiß. Durch den großen Hub, der durch die Verwendung eines Pneumatikzylinders möglich wird, hat die pneumatische Kupplung eine hohe Lebensdauer.
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Vorzugsweise ist der Pneumatikzylinder direkt wirkend angeordnet. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass der Kolben des Pneumatikzylinders so angeordnet ist, dass eine Bewegung des Kolbens um einen vorgegebenen Hub zu einer Veränderung eines Abstandes zwischen Reibbelag und Ankerplatte um genau diesen Hub führt. Das erspart die Verwendung von Hebeln und führt zu einer besonders robusten und gleichzeitig leichten pneumatischen Kupplung.
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Insbesondere bei ungeübten Piloten kann es vorkommen, dass zu schnell eingekuppelt wird. Das führt zu Drehmomentspitzen im Antriebsstrang zwischen Motor und Rotorkopf, die zu Schäden führen, wenn der Antriebsstrang nicht hinreichend stabil ausgelegt ist. Um die Drehmomentspitzen sicher abzufangen, ist bei herkömmlichen Tragschraubern ein schwerer Antriebsstrang notwendig. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die pneumatische Kupplung eine Druckluftzuleitung zum Pneumatikzylinder, die eine Drossel umfasst. Vorzugsweise umfasst die Druckluftzuleitung ein Drosseleinlassventil, insbesondere ein Rückschlag-Drosseleinlassventil.
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Die Drossel, das Drosseleinlassventil bzw. das Rückschlag-Drosseleinlassventil sind so ausgebildet, dass ein schlagartiges Anlegen des Nenndrucks an die Druckluftzuleitung dazu führt, dass eine Einkoppelzeitspanne vom Zeitpunkt des Anlegens des Nenndrucks bis zum Übertragen des vollständigen Drehmoments vom Antriebsstrang zum Abtriebsstrang mindestens 100 Millisekunden beträgt. Vorzugsweise beträgt die Einkoppelzeitspanne höchstens 5 Sekunden. Zum Einkoppeln ist es dann ausreichend, ein Einlassventil, insbesondere das Drosseleinlassventil zu öffnen. Während der Einkoppelzeitspanne steigt das übertragende Drehmoment bevorzugt monoton, insbesondere streng monoton, an, so dass der Rotor auf Drehzahl kommt. Durch das kontrollierte Einkuppeln werden Drehmomentspitzen vermieden, so dass sämtliche Komponenten des Antriebs- bzw. Abtriebsstrangs leichtgewichtig ausgelegt werden können.
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Vorzugsweise weist der Tragschrauber eine Montagevorrichtung zum Montieren der Kupplung auf, wobei der Pneumatikzylinder drehstarr mit der Montagevorrichtung verbunden ist. Das hat den Vorteil, dass die Druckluft über eine Leitung zugeführt werden kann, die nicht rotieren muss.
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Vorzugsweise besitzt die Kupplung ein Durchrutsch-Drehmoment, dass kleiner ist als ein maximal übertragbares Drehmoment von im Drehmomentfluss hinter der Kupplung angeordneten Komponenten. Sollte es, beispielsweise durch einen Pilotenfehler, dazu kommen, dass ein zu großes Drehmoment vom Motor an die Antriebsseite angelegt wird, so beginnt die pneumatische Kupplung durchzurutschen, bevor ein Drehmoment erreicht wird, das zu einer Beschädigung der Komponenten des Abtriebsstrangs führen könnte. Das erhöht die Betriebssicherheit und die Robustheit des Tragschraubers.
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Vorzugsweise ist die Kupplung koaxial zu einer Kurbelwelle des Motors angeordnet. Das hat den Vorteil, dass beim Vorrotieren wirkende Drehmomente nur in geringem Ausmaß dazu führen, dass sich der Motor relativ zum Rumpf verlagert. Das heißt, eine Motoraufhängung des Motors verzieht sich nicht relativ zum Rumpf und kann daher weicher und damit leichtgewichtiger ausgelegt werden.
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Vorzugsweise umfasst die Drehmomentübertragungsvorrichtung ein Winkelgetriebe, das im Drehmomentfluss hinter der Kupplung angeordnet ist.
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Vorzugsweise umfasst die Drehmomentübertragungsvorrichtung ein Wellengelenk, das im Drehmomentfluss hinter dem Winkelgetriebe so angeordnet ist, dass eine von der Drehmomentabgabe des Motors bedingte Verlagerung des Motors relativ zum Rumpf ausgleichbar ist. Hierunter ist zu verstehen, dass eine elastische Verformung der Aufnahme, die den Motor trägt bzw. von Teilen des Rumpfs, an denen der Motor befestigt wird, relativ zu den übrigen Komponenten der Drehmomentübertragungsvorrichtung durch das Wellengelenk kompensiert wird. Es ist dadurch möglich, die Komponenten, mittels derer der Motor am Rumpf befestigt ist, weniger steif auszulegen, wodurch sie leichtgewichtiger hergestellt werden können. Wenn der Motor beim Vorrotieren ein Drehmoment auf die Drehmomentübertragungsvorrichtung ausübt, so verzieht sich der Rumpf relativ zur Drehmomentübertragungsvorrichtung also nur bis zum Wellengelenk.
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Das Wellengelenk kann so ausgebildet sein, dass es einen zeitlich veränderlichen Winkel zwischen den beiden vom Wellengelenk verbundenen Wellen ausgleicht.
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Alternativ oder additiv ist das Wellengelenk ausgebildet, um eine Bewegung der Wellen in oder entgegen ihrer Längsachse auszugleichen.
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Besonders bevorzugt ist das Wellengelenk auf Höhe der Propellerdrehachse angeordnet. Hierunter ist zu verstehen, dass das Wellengelenk höchstens einen geringen Abstand, insbesondere von unter 40 cm, von der Propellerdrehachse hat.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines exemplarischen Ausführungsbeispiels näher erläutet. Dabei zeigt
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1 einen erfindungsgemäßen Tragschrauber in einer Ansicht von der Seite,
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2 eine Komponente des Tragschraubers gemäß 1 mit der Drehmomentübertragungsvorrichtung,
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3 eine pneumatische Kupplung der Drehmomentübertragungsvorrichtung in einer perspektivischen Explosionsansicht von der Seite,
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4 die pneumatische Kupplung in einer Schnitt-Explosionsansicht von der Seite
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5 eine Schnitt-Explosions-Ansicht von unten und
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6 eine Schnittansicht der pneumatischen Kupplung.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Tragschrauber 10, der einen Rotor 12 besitzt, der an einem Rotorkopf 14 befestigt ist. Der Rotorkopf 14 wird von einem in 1 nicht eingezeichneten Motor angetrieben, der auch zum Antreiben eines Propellers 16 vorgesehen ist.
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2 zeigt den Motor 18 in Form eines Zylindermotors, der über zwei Aufnahmen 20.1, 20.2 an einer Tragstruktur 22 eines Rumpfs 23 befestigt ist. Der Motor 18 besitzt eine Kurbelwelle 24, die mit einer Antriebswelle 26 einer pneumatischen Kupplung 28 verbunden ist. Eine Abtriebswelle 30 der pneumatischen Kupplung 28 ist mit einem Winkelgetriebe 32 verbunden. Das Winkelgetriebe 32 besitzt eine Abgangswelle 34, die über ein Wellengelenk 36 mit einer Mastwelle 38 verbunden ist.
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Der Winkel zwischen Abgangswelle 34 und der Abtriebswelle 30 liegt zwischen 80° und 100°. Im vorliegenden Fall beträgt der Winkel 90°. Die Mastwelle 38 endet in einem Ritzel 40, das mit einem Zahnkranz 42 des Rotorkopfs 14 zusammenwirkt.
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Der Propeller 16 hat eine Propellerdrehachse D und das Wellengelenk 36 verläuft auf Höhe der Propellerdrehachse D. Es ist auch möglich, das Wellengelenk D unterhalb der Propellerdrehachse D oder knapp oberhalb anzuordnen.
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3 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht der Kupplung 28. Die pneumatische Kupplung 28 umfasst eine Montagevorrichtung 44 zum Montieren am Rumpf 23 (2). Die Montagevorrichtung 44 umfasst vier Verbindungselemente 46.1, 46.2, 46.3, 46.4, die auf einer Basisplatte 48 montiert und mit einer Stirnplatte 50 verbunden sind. Radial innerhalb der Verbindungselemente 46 ist ein Mitnehmer 52 angeordnet, der in Einbaulage mit der Kurbelwelle 24 (2) in Eingriff steht. Der Mitnehmer 52 umfasst eine Ankerplatte 54, die einen Reibpartner einer Reibverbindung darstellt, wobei der andere Reibpartner durch einen Reibbelag 56 gebildet ist. Der Reibbelag 56 ist auf einer Reibbelagstragplatte 58 montiert.
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Wenn der Motor 18 (2) arbeitet, dreht sich der Mitnehmer 52 und damit dreht sich auch die Ankerplatte 54. Über ein Kugellager 59, (vgl. 5) ist am Mitnehmer 52 eine Achszentrierung 60 gelagert, in die die Abtriebswelle 30 eingreift und so gelagert ist.
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An der Stirnplatte 50 ist ein Zylindergehäuse 62 (5) mit einem Zylinder 64 befestigt. Im Zylinder 64 läuft ein Kolben 66 (3) der torusförmig ist und einen kreisscheibenförmigen Querschnitt aufweist. Das Zylindergehäuse 62 und der Kolben 66 sind Teile eines Pneumatikzylinders 68.
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Am Kolben 66 ist ein Einrücklager 70 montiert, das einen ersten Lagerring 72 ( 5) und einen zweiten Lagerring 74 umfasst. Der erste Lagerring 72 ist drehstarr mit dem Kolben 66 verbunden, wohingegen der zweite Lagerring 74 drehstarr an der Reibbelagstragplatte 58 angebracht ist.
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An der Achszentrierung 60 ist eine Ausrückfeder 76 befestigt, die Arme 78.1, 78.2, 78.3 (3) hat. An den Enden der Arme 78 ist die Ausrückfeder 76 an der Reibbelagstragplatte 58 befestigt, beispielsweise angeschraubt. In 3 sind die Löcher für die Schraubverbindungen für die Arme 78.2 und 78.3 in der Reibbelagstragplatte 58 zu sehen.
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Im ungekuppelten Zustand dreht der Motor den Mitnehmer 52 und damit die Ankerplatte 54. Alle übrigen Komponenten der Kupplung 28 rotieren nicht. Der Kolben 66 liegt mit einer Stirnseite 80 (3), die eine umlaufende, kreisförmige Nut aufweist, in 5 links im Zylinder 64 an.
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Wird im Zylinder 64 der Druck erhöht, so bewegt sich der Kolben 66 aus dieser Ruhestellung entgegen der Kraft der Ausrückfeder 76 in 5 um einen Hub H nach rechts. Dadurch bewegen sich auch das Einrücklager 70 und die Reibbelagstragplatte 58 auf die Ankerplatte 54 zu, bis es zum Reibschluss zwischen dem Reibbelag 56 und der Ankerplatte 54 kommt.
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Durch den Reibschluss dreht die Reibbelagstragplatte 58 zusammen mit dem zweiten Lagerring 74 des Einrücklagers 60. Der Kolben 66 hingegen rotiert nicht. Da die Arme 78.1, 78.2, 78.3 an der Reibbelagstragplatte 58 befestigt sind, dreht sich auch die Achszentrierung 60 und damit die drehstarr mit der Achszentrierung 60 verbundene Abtriebswelle 30. Wird der Druck im Zylinder 64 abgesenkt, so drückt die Ausrückfeder 64 den Kolben 66 zurück in seine Ruhelage und der Reibbelag 56 kommt außer Eingriff mit der Ankerplatte 54.
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Die 3, 4 und 5 könnten den Eindruck vermitteln, dass die Verbindungselemente 46 in Kontakt mit einem der rotierenden Elemente stehen, jedoch sind sie nur mt der Stirnplatte 50 verbunden und beispielsweise die Reibbelagstraglatte 58 und die Ankerplatte 54 rotieren frei radial innerhalb der Verbindungselemente 46.
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Der Reibbelag 54 weist eine Vielzahl von Nuten 82.1, 82.2, ... auf. Die Nutzen 82 verlaufen radial auswärts und durchsetzen den Reibbelag 54 vollständig. So wird der Reibbelag 54 beim Einkuppeln durch einen Luftstrom gekühlt, der durch die Zentrifugalkraft hervorgerufen wird. Die Ankerplatte 54 ist gelocht, was die Kühlung der Ankerplatte 54 verbessert.
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Der Pneumatikzylinder 68 ist mittels eines schematisch eingezeichneten Drossel-Einlassventils 84 und eines Druckluftanschlusses 86 mit einer nicht eingezeichneten Druckluftversorgung von beispielsweise 8 bar verbunden. Das Drossel-Einlassventil 84 ist über eine elektrische oder mechanische Betätigungsvorrichtung aus einem Cockpit des Tragschraubers bedienbar.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Tragschrauber
- 12
- Rotor
- 14
- Rotorkopf
- 16
- Propeller
- 18
- Motor
- 20
- Aufnahme
- 22
- Tragstruktur
- 23
- Rumpf
- 24
- Kurbelwelle
- 26
- Antriebswelle
- 28
- Kupplung
- 30
- Abtriebswelle
- 32
- Winkelgetriebe
- 34
- Abgangswelle
- 36
- Wellengelenk
- 38
- Mastwelle
- 40
- Ritzel
- 42
- Zahnkranz
- 44
- Montagevorrichtung
- 46
- Verbindungselemente
- 48
- Basisplatte
- 50
- Stirnplatte
- 52
- Mitnehmer
- 54
- Ankerplatte
- 56
- Reibbelag
- 58
- Reibbelagstragplatte
- 59
- Kugellager
- 60
- Achszentrierung
- 62
- Zylindergehäuse
- 64
- Zylinder
- 66
- Kolben
- 68
- Pneumatikzylinder
- 70
- Einrücklager
- 72
- erster Lagerring
- 74
- zweiter Lagerring
- 76
- Ausrückfeder
- 78
- Arm
- 80
- Stirnseite
- 82
- Nut
- 84
- Drossel-Einlassventil
- 86
- Druckluftanschluss
- D
- Propellerdrehachse
- H
- Hub
