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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftübertragungseinrichtung eines Drehflügelflugzeugs mit einem Rotormast, der über ein oberes und ein unteres Wälzlager drehbar gelagert ist.
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Eine solche Kraftübertragungseinrichtung ist aus der
DE 14 56 089 bekannt. Die Kraftübertragungseinrichtung befindet sich üblicherweise am oberen Ende einer Antriebswelle für die Flügel bzw. Rotorblätter eines Drehflügelflugzeugs. Gewisse Drehflügelflugzeuge haben keine gelenkig gelagerten Rotorblätter, so dass die Kräfte und Vibrationen der Rotorblätter unmittelbar in den Rotormast eingeleitet werden. Dies führt zu erheblichen Belastungen des Rotormastes bei derartigen Drehflügelflugzeugen und so werden Rotormasten insbesondere bei derartigen Drehflügelflugzeugen leicht ausbaubar ausgelegt. Der Rotormast ist dementsprechend üblicherweise lediglich durch eine unterhalb des unteren Lagers befindliche Mastmutter gesichert und kann nach Lösen der Mastmutter nach oben aus einem den Rotormast aufnehmenden und insbesondere das obere Lager abstützenden Lagerkranz herausgezogen werden, um den Rotormast im Rahmen von Wartungsarbeiten auf Defekte zu inspizieren. Der grundsätzliche Aufbau des Rotormastes, den sich vorzugsweise auch die vorliegende Erfindung zu Eigen macht, ist in der
DE 199 44 412 C2 beschrieben, die im Übrigen ein Beispiel für eine Lösung vorstellt, den Rotormast auch im Betrieb auf eventuelle Defekte hin zu überprüfen.
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Die unmittelbare Einleitung von Kräften und Momenten der Rotorblätter in den Rotormast führt zu einer erheblichen Biegebeanspruchung desselben. So treten zwischen dem unteren und dem oberen Wälzlager, die etwa 300 mm von einander entfernt sind, Biegungen des Rotormastes mit einem Winkel von bis zu 0,5 Grad auf. Dies führt zu einer Ovalisierung der Berührungsflächen zwischen dem oberen Wälzlager und der Abstützung für dieses obere Wälzlager. Als Folge ergibt sich eine relative Drehbewegung zwischen der Abstützfläche und dem oberen Wälzlager entgegen der Drehrichtung des Rotormastes. Um diese Relativdrehung und damit einen abrasiven Verschleiß zu verhindern ist es bekannt, den inneren Ring des oberen Wälzlagers, der üblicherweise unmittelbar mit dem Rotormast zusammenwirkt, verdrehsicher abzustützen. Hierzu weist eine Stirnseite des inneren Rings üblicherweise auf dem Umfang verteilt vorgesehene Ausnehmungen auf, in welche abstützungsseitig gehaltene Stifte bzw. Nasen eingreifen.
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Gleichwohl ergibt sich durch die Ovalisierung eine Relativbewegung in axialer Richtung. Die Stifte werden periodisch aus den Ausnehmungen herausgezogen und in diese hereingedrückt. Es ergibt sich ein abrasiver Verschleiß an den Seitenwänden der Stifte, so dass die gewünschte verdrehgesicherte Halterung des Lagers nicht mehr gewährleistet ist. Im Übrigen kann Abrieb dieses Verschleißes in die Lager gelangen, was die Betriebssicherheit des Drehflügelflugzeuges gefährdet.
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Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Kraftübertragungseinrichtung für ein Drehflügelflugzeug mit verbesserter Lebensdauer anzugeben.
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Zur Lösung dieses Problems wird mit der vorliegenden Erfindung eine Kraftübertragungseinrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 vorgeschlagen. Die erfindungsgemäße Kraftübertragungseinrichtung hat ein zwischen dem unteren und dem oberen Wälzlager angeordnetes Distanzrohr. Dieses Distanzrohr hat einen ersten und einen zweiten Längenabschnitt, wobei der zweite Längenabschnitt gegenüber dem ersten Längenabschnitt eine erhöhte Biegeelastizität aufweist. Das Distanzrohr ist dabei üblicherweise so ausgebildet, dass dieses eine durch die Mastmutter bewirkte bzw. gesicherte Vorspannkraft zwischen den beiden Lagern überträgt. Dies bedeutet, dass üblicherweise der erste Längenabschnitt als Hülse mit hoher Biegesteifigkeit und üblicherweise den Rotormast unmittelbar umgebend ausgebildet ist. Dieser erste Längenabschnitt bildet dabei üblicherweise den unteren Längenabschnitt des Distanzrohres, der benachbart zu dem unteren Wälzlager vorgesehen ist und sich üblicherweise über eine Sicherungshülse abstützt, die von der Mastmutter übergriffen ist, eine Anlagefläche für das untere Wälzlager ausbildet und mit welcher der Rotormast üblicherweise verschraubt ist.
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Dem gegenüber ist der zweite Längenabschnitt in seiner Biegeelastizität verringert. Die Verringerung ist derart, dass regelmäßig für das obere Wälzlager eine ringförmige Anlagefläche bereitgestellt wird, welche der Ovalisierung bedingt durch die biegemäßige Auslenkung des Rotormastes jederzeit folgen kann. Der Innenring des oberen Wälzlagers liegt dementsprechend auf dem Distanzrohr vollflächig auf, auch wenn erhebliche Biegekräfte in den Rotormast eingeleitet werden und dieser um seine Längsachse erheblich gebogen wird.
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Nach Einbau wirken auf das Distanzrohr beim Betrieb dementsprechend zum einen die Vorspannkräfte, die durch die Mastmutter eingebracht bzw. gesichert werden und welche zwischen dem unteren und dem oberen Wälzlager übertragen werden, um diese in axialer Richtung zu positionieren. Des Weiteren wirkt auf das Distanzrohr die Biegebeanspruchung, welche indes aufgrund des zweiten Bereiches so kompensiert wird, dass die Wälzlager mit ihren zugehörigen und den Rotormast abstützenden Innenringen axial vollflächig abgestützt sind, auch dann, wenn der Rotormast eine erhebliche Durchbiegung erfährt.
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Insbesondere mit Blick auf diese Vorspannung und den Umstand, dass bei einer erheblichen Biegebeanspruchung der Rotormast einseitig auf Druck beansprucht und auf der anderen Seite auf Zug beansprucht wird und dass auf der Zugseite vorzugsweise das Distanzrohr dem sich daraus ergebenden Anheben des inneren Lagerrings folgen sollte, wird gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, den zweiten Längenabschnitt gegenüber dem ersten mit einer erhöhten axialen Kompressibilität auszubilden. Der zweite Längenabschnitt dient dementsprechend auch der Speicherung der axialen Vorspannkraft derart, dass aufgrund der in den zweiten Bereich eingebrachten axialen Vorspannung die üblicherweise durch das Distanzrohr abgestützte Anlagefläche für den Innenring des oberen Wälzlagers dem Anheben des inneren Wälzlagerrings aufgrund der Biegebewegung des Rotormastes folgen kann.
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Da die relative Auslenkung des Rotormastes aufgrund einer Biegebeanspruchung zum freien Ende des Rotormastes, d. h. nach oben zunimmt, wird der zweite Längenabschnitt üblicherweise im oberen Bereich des Distanzrohres vorgesehen. Diese Weiterbildung führt üblicherweise zu einem Distanzrohr mit zwei Längenabschnitten unterschiedlicher Biegesteifigkeit, wobei der untere Längenabschnitt als Hülsenabschnitt ausgeformt ist und der obere Längenabschnitt unmittelbar eine Anlagefläche für das obere Wälzlager bereitstellt. Dementsprechend ist das obere Wälzlager an dem zweiten Längenabschnitt direkt abgestützt.
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Wenngleich aufgrund der in Längenabschnitten veränderten Biegeelastizität des Distanzrohres alternative Möglichkeiten denkbar sind, das obere Wälzlager mit seinem Innenring verdrehfest gegenüber dem Distanzrohr zu halten, werden gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung Formschlusselemente vorgeschlagen, die zwischen dem zweiten Längenabschnitt und dem oberen Wälzlager vorgesehen sind und durch welche das Distanzrohr verdrehfest an dem oberen Wälzlager, speziell an dem auf dem Rotormast aufsitzenden inneren Laufring des oberen Wälzlagers gesichert ist.
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Der zweite Längenabschnitt weist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung eine mäandrierende Querschnittsgestalt auf. Diese mäandrierende Querschnittsgestalt zeigt sich bei einer Längsschnittansicht durch das Distanzrohr regelmäßig in Form von Ringsegmenten mit unterschiedlichem Durchmesser, die in axialer Richtung alternierend zueinander vorgesehen und die durch üblicherweise sich in radialer Richtung erstreckende Verbindungssegmente miteinander verbunden sind. Dabei ist jeweils zumindest ein äußeres und ein inneres Ringsegment vorgesehen, wobei das äußere Ringsegment üblicherweise über ein unteres radiales Verbindungssegment mit dem ersten Längenbereich verbunden ist. Zur Erhöhung der Biegeelastizität sind in der Regel jeweils mehrere äußere und mehrere innere Ringsegmente in axialer Richtung alternierend ausgeformt. Die inneren Ringsegmente haben dabei einen Innendurchmesser, der in etwa dem Außendurchmesser des Rotormastes entspricht, so dass beide Durchmesser angepasst sind.
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Durch die radiale Erstreckung der radialen Verbindungssegmente kann die Biegesteifigkeit angepasst werden. Eine weitere Anpassung der Biegesteifigkeit kann durch die Materialwahl und/oder die Wandstärke erfolgen. Dabei will die vorliegende Erfindung indes vorzugsweise eine Distanzrohr schaffen, bei welchem der erste und der zweite Längenabschnitt integral an einem einheitlichen Bauteil ausgeformt sind. Es sind zwar auch Lösungen denkbar, bei welchen die Längenabschnitte mit Blick auf die unterschiedliche Biegeelastizität durch unterschiedliche Materialen ausgeformt und miteinander verbunden werden. Die Herstellung des Distanzrohres aus einem einheitlichen Werkstoff wird aber aus Gründen der Dauerfestigkeit bevorzugt.
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So ist das Distanzrohr vorzugsweise aus einem zunächst geschmiedeten Rohling hergestellt. Die mäandrierende Querschnittsgestalt wird in diesem üblicherweise durch spanhebende Bearbeitung ausgeformt, d. h. indem zunächst an einem Längenabschnitt des geschmiedeten Rohlings mit dickerer Wandstärke von der Innenumfangsfläche her radial nach außen reichende Nuten ausgedreht werden, die sich mit radial nach innen von der Außenumfangsfläche her erstreckenden Nuten in axialer Richtung abwechseln.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Drehflügelflugzeug mit einem in verbesserter Weise abgestützten Rotormast, der in Anspruch 9 angegeben ist. Weiterbildungen dieses Drehflügelflugzeuges sind in Anspruch 10 spezifiziert.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In dieser zeigen:
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1 eine perspektivische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines Distanzrohres;
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2 eine Längsschnittansicht des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels des Distanzrohres und
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3 eine Längsschnittansicht des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels in einer Einbausituation.
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Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines mit Bezugszeichen 2 gekennzeichneten Distanzrohres, bei welchem es sich um ein mittels spanhebender Bearbeitung aus einem geschmiedeten zylindrischen Rohling ausgeformten Bauteil handelt. Das Distanzrohr 2 hat zwei Längenabschnitte, wobei einer erster Längenabschnitt 4 den unteren Längenabschnitt bildet und ein zweiter Längenabschnitt 6 das obere Ende des Distanzrohres 6 ausformt, an dessen Stirnseite auf dem Umfang verteilt vorgesehene Nasen 8 ausgeformt sind. Diese Nasen 8 erheben sich axial von einer inneren Ringfläche 10, der außenumfänglich von einer umlaufenden Nut 12 umgeben ist, auf deren Umfang verteilt Schmiermittelbohrungen 14 ausgespart sind.
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Der zweite Längenabschnitt 6 ist gebildet durch drei äußere Ringsegmente 16, drei innere Ringsegmente 18 sowie jeweils dazwischen vorgesehene radiale Verbindungssegmente 20. Die äußeren Ringsegmente 16 haben bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils einen identischen äußeren Radius, der in etwa dem Radius des Rohlings zur Ausformung des Distanzrohres 2 jedenfalls im oberen, zweiten Längenabschnitt 6 entspricht. Der innere Durchmesser der inneren Ringsegmente 18 ist geringfügig größer als der Außendurchmesser eines Rotormastes gewählt, der in 3 dargestellt und dort mit Bezugszeichen 22 gekennzeichnet ist. Der Innendruchmesser der inneren Ringsegmente 18 ist an diesen Außendurchmesser des Rotormastes 22 so angepasst, dass ein Ringspalt verbleibt, durch den Schmiermittel fließen kann. Die äußeren und inneren Ringsegmente 16, 18 sind durch Nuten voneinander getrennt. Es sind vom Innenumfang des Distanzrohres 2 radial nach außen reichende innere radiale Nuten 24 vorgesehen, die durch Drehbearbeitung von der Innenumfangsfläche des Rohlings her ausgespart sind, so wie vom Außenumfang radial nach innen ausgeformt äußere radiale Nuten 26, die durch spanhebende Bearbeitung von der Außenumfangsfläche des Rohlings ausgespart sind. Das obere innere Ringsegment 18 bildet die innere Ringfläche 10 aus.
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Der erste Längenabschnitt 4 ist hülsenförmig mit glatter Außenumfangs- und Innenumfangsfläche ausgeformt. Die Innenumfangsfläche umgibt den Rotormast radial mit geringem Spiel. Lediglich ein unterer Fuß 28 des Distanzrohres 2 ist demgegenüber verbreitert und weist an seinem Innenumfang ein Innengewinde 30 sowie Schmiermitteldurchtritte 31 auf.
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Durch die zuvor beschriebene Ausgestaltung hat der zweite Längenabschnitt 6 eine erhöhte Biegeelastizität und axiale Kompressibilität gegenüber dem ersten Längenabschnitt 4.
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Die
3 zeigt die Einbausituation des in den
1 und
2 gezeigten Ausführungsbeispiels. Das Distanzrohr
2 umgibt den Rotormast
22, der oberseitig von einem oberen Wälzlager
32 abgestützt ist, dessen Innenring oberseitig über eine Distanzhülse
33 an einer mit Bezugszeichen
34 gekennzeichneten Anlageschulter des Rotormastes
22 anliegt. Der Aussenring des oberen Wälzlagers
32 wird von einem Lagerkranz
35 gehalten, der mehrere Bauteile hat und erhaben über einem Chassis
36 eines Drehflügelflugzeuges montiert ist (vgl.
DE 14 56 089 A1 ).
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Das Chassis 36 umgibt ein unteres Wälzlager 38, welches ein Rillenkugellager 38.1 und ein darunter angeordnetes Zylinderrollenlager 38.2 umfasst. Dieses so gebildete untere Wälzlager 38 stützt sich über eine Sicherungshülse 40 an dem Rotormast 22 ab. Die Sicherungshülse 40 ist mit dem Rotormast 22 verschraubt, der hierzu ein Außengewinde 42 aufweist, mit welchem auch da. Das freie Ende des Rotormastes 22 ist mit einer Mastmutter 44 verschraubt, die einen Ringkragen 46 ausformt, der an dem unteren Wälzlager 38 anliegt und die inneren Ringe der Lagerelemente 38.1, 38.2 gegen eine durch die Sicherungshülse 40 ausgeformte Ringfläche 48 andrückt. Die Sicherungshülse 40 stützt ferner axial den Fuß 28 des Distanzrohres 2 ab.
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Das obere Wälzlager 32 ist als Zylinderrollenlager ausgeformt. An der unteren Stirnseite des inneren Laufringes dieses Wälzlagers 32 sind auf dem Umfang verteilt vorgesehene Ausnehmungen 50 ausgespart, in welchen die Nasen 8 als Sicherungsstifte eingreifen, so dass der innere Ring des oberen Wälzlagers 32 verdrehfest an dem inneren Anlagering 10 des Distanzrohres 2 anliegt. Durch Verschrauben der Sicherungshülse 40 und Kontern mit der Mastmutter 44 sind die Wälzlager 32, 38 unter Zwischenlage des Distanzrohres 2 unter Vorspannung gehalten. Die Vorspannkraft wird oberseitig axial durch Anlage des inneren Laufringes des oberen Wälzlagers 32 an der Anlageschulter 34 des Rotormastes 22 abgestützt.
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Bei einer Biegebeanspruchung des Rotormastes 22 ergibt sich eine gedachte Biegelinie, die tangential – so die Anschauung auf Höhe des unteren Wälzlagers 38 – von der in 3 eingezeichneten Mittellängsachse L abgeht und diese in Richtung auf das obere Ende des Rotormastes 22 zunehmend verlässt. Aufgrund der Rotation des Rotormastes ist diese Biegelinie eine in Umfangsrichtung umlaufende Biegelinie. Die in den Rotormast 22 eingebrachte Biegebeanspruchung wird durch den zweiten Längenabschnitt 6 kompensiert. Auf der Druckseite nähern sich die Ringsegmente 16, 18 unter Verringerung der lichten Weite der Nuten 24, 26 an einander an, wohingegen auf der Zugseite eine Dehnung stattfindet. Beim Zusammenbau der in 3 gezeigten Kraftübertragungseinrichtung für das Drehflügelflugzeug wird vorzugsweise eine gewisse axiale Vorspannung in den zweiten Längenabschnitt 6 eingebracht, so dass dieser sich auf der Zugseite auch über seine Einbaulage hinaus axial dehnen und der Taumelbewegung des freien Endes des Rotormastes 22 und damit des oberen Wälzlagers 32 folgen kann. Folglich wird der innere Ring des oberen Wälzlagers 32 auch bei einer erheblichen Biegeauslenkung des Rotormastes 22 sicher zwischen dem inneren Anlagering 10 des Distanzrohres 2 und der rotormastseitigen Anlageschulter 34 unter Vorspannung angelegt und gehalten.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Distanzrohr
- 4
- erster Längenabschnitt
- 6
- zweiter Längenabschnitt
- 8
- Nase
- 10
- innerer Anlagering
- 12
- Nut
- 14
- Bohrung
- 16
- äußeres Ringsegment
- 18
- innere Ringfläche
- 20
- radiales Verbindungselement
- 22
- Rotormast
- 24
- innere radiale Nut
- 26
- äußere radiale Nut
- 28
- Fuß
- 30
- Innengewinde
- 31
- Schmiermitteldurchtritt
- 32
- oberes Wälzlager
- 33
- Distanzhülse
- 34
- Anlageschulter
- 35
- Lagerkranz
- 36
- Chassis
- 38
- unteres Wälzlager
- 38.1
- Rillenkugellager
- 38.2
- Zylinderrollenlager
- 40
- Sicherungshülse
- 42
- Außengewinde
- 44
- Mastmutter
- 46
- Ringkragen
- 48
- Ringfläche
- 50
- Ausnehmung
- L
- Mittellängsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 1456089 [0002]
- DE 19944412 C2 [0002]
- DE 1456089 A1 [0024]
