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Die Erfindung betrifft ein Getriebe zum Antreiben eines Rotormasts eines Hubschraubers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft zudem ein Hubschrauber mit einem solchen Getriebe.
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Ein Getriebe insbesondere für einen Hubschrauber dient dazu, Drehmoment oder Antriebsmoment und Leistung zwischen einer oder mehreren Antriebsmaschinen und einem Rotor, wie insbesondere dem Hauptrotor und/oder dem Heckrotor eines Hubschraubers zu übertragen.
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Ein Abtriebsglied des Hubschraubergetriebes ist koaxial mit einem senkrecht stehenden Rotormast, an dem die Rotorblätter befestigt sind, während die Antriebsmaschinen üblicherweise liegend in der Hubschrauberzelle angeordnet sind. In der Regel ist das Abtriebsglied mit Außenverzahnung, wie bspw. ein außenverzahntes Zahnrad, am äußeren Umfang des Rotormasts formschlüssig mit dem Rotormast verbunden und wird über ein außenverzahntes Zahnritzel angetrieben.
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Je nachdem, wie hoch die Drehzahl der Antriebsmaschinen ist, sind Übersetzungen im Bereich von 1 zu 14 und darüber gefordert. Solche hohen Übersetzungen werden bei bekannten Hubschraubergetrieben durch Hintereinanderschalten mehrerer Teilstufen realisiert. Bekannte Hubschraubergetriebe weisen daher eine hohe Teileanzahl und ein relativ hohes Gewicht auf und nehmen einen entsprechend hohen Bauraum in Anspruch. Um die Abwinkelung zwischen Antriebswellen und der Abtriebswelle bzw. dem Rotormast darstellen zu können, sind außerdem im Hubschraubergetriebe Kegeltrieb- und/oder Tellerradstufen notwendig, welche die Komplexität und damit auch die Kosten weiter erhöhen.
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Aus der
US 2009 / 0 227 415 A1 geht ein Getriebe, das einen Zahnradsatz umfasst, hervor, das in der Lage ist, hohe Ausgangsdrehmomente bei hohen numerischen Untersetzungsverhältnissen bei einem Leistungsgewicht zu übertragen. Ein Verteilerrad ist relativ zu einem Stirnrad angeordnet, um einen automatischen Drehmomentausgleich zu erzeugen. Das Verteilergetriebe kann als eingangsseitiges Schwimmringgetriebe ausgebildet sein, das nicht durch Lager, sondern durch Zahneingriffskräfte in allen Richtungen abgestützt wird. Ein automatischer Drehmomentausgleich wird dadurch erreicht, dass das Verteilerzahnrad am Außenumfang mit einer ersten und zweiten Schrägverzahnungsreihe und am Innenumfang des Verteilerzahnrads mit einer Doppelschrägverzahnung ausgebildet ist. Dies ermöglicht die Anordnung von einer Vielzahl an Planetenrädern in einer Vorgelegewellenanordnung mit einem Ende mit Schrägverzahnung und dem anderen Ende mit Stirnverzahnung.
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Die
DE 103 56 231 A1 offenbart ein Hubschraubergetriebe mit einem angetriebenen Sammelrad in Form eines Zahnkranzes, einem mit diesem drehfest verbindbaren Rotormast sowie einem am Rotormast drehfest angeordneten Rotorkopf. Der Rotorkopf weist seinerseits eine Mehrzahl von gleichmäßig über den Umfang desselben angeordnete und wenigstens um ihre Längsachse einstellbare Rotorblätter auf. Dem Sammelrad sind zumindest zwei gegeneinander austauschbare Rotormasten zuordenbar, die in Abhängigkeit von einem gewählten dynamischen Antriebs- und Steuerungssystem unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
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Aus der
US 5 823 470 A ist ein Getriebe zum Antreiben eines Rotormasts eines Hubschraubers bekannt. Das Fluggerät ist ein Kipprotorfluggerät, das auch in einem Hubschraubermodus betrieben werden kann. Das Getriebe umfasst mindestens ein zahnradförmiges Antriebsglied, dessen Drehachse in einem Winkel zur einer Drehachse des Rotormasts verläuft und ein koaxial zum Rotormast angeordnetes Abtriebsglied in Form eines Zahnrads, wobei das Zahnrad einen sich axial erstreckenden Abschnitt aufweist, an dessen radialer Innenseite eine Innenverzahnung angeordnet ist. Ein Antriebsmoment ist von dem Antriebsglied über zumindest ein Übersetzungsgetriebe auf das Abtriebsglied übertragbar. Das Übersetzungsgetriebe umfasst zumindest ein Stirnradgetriebe und ein Kronenradgetriebe. Das Stirnradgetriebe umfasst das Zahnrad und ein mit der Innenverzahnung in Zahneingriff stehendes Zahnritzel. Das Kronenradgetriebe umfasst ein Kronenrad und damit in Eingriff stehende Kegelräder.
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Die
US 6 428 443 B1 betrifft ein Getriebe zum Antreiben eines Rotors mit einer Rotorachse, umfassend ein Rotorsonnenrad, das koaxial zum Rotor ist und sich mit diesem gemeinsam dreht, ein stationäres Sonnenrad koaxial zum Rotorsonnenrad, sowie mindestens einen Planeten mit einer Achse parallel zu der Rotorsonnenradachse. Der Planet umfasst ein erstes Planetenrad in kämmendem Eingriff mit dem stationären Sonnenrad und ein zweites Planetenrad in kämmendem Eingriff mit dem Rotorsonnenrad. Das erste Planetenrad hat einen ersten Planetenteilungsdurchmesser hat, das zweite Planetenrad hat einen sich vom ersten Planetenteilungsdurchmesser unterscheidenden zweiten Planetenteilungsdurchmesser. Das erste Planetenrad rotiert mit dem zweiten Planetenrad gleichläufig. Das Getriebe umfasst ferner ein erstes Hohlrad, das koaxial mit dem Rotor angeordnet ist, wobei das erste Hohlrad eine Innenverzahnung in kämmendem Eingriff mit dem ersten Planetenrad hat. Außerdem umfasst das Getriebe Mittel zum Drehen des ersten Hohlrads mit einer ersten Drehzahl, sowie ein zweites Hohlrad koaxial mit dem Rotor. Das zweite Hohlrad hat eine Innenverzahnung in kämmendem Eingriff mit dem zweiten Planetenrad. Außerdem sieht das Getriebe Mittel zum Drehen des zweiten Hohlrads mit einer sich von der ersten Drehzahl unterscheidenden zweiten Drehzahl vor.
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Aus der
US 6 042 499 A geht ein Getriebe für einen Hubschrauber hervor, umfassend einen Traktionsgeschwindigkeitsänderungsmechanismus mit einem stufenlos variablen Geschwindigkeitsänderungsverhältnis, der mit einer Ausgangswelle eines Motors verbunden ist. Ferner umfasst das Getriebe ein erstes Sonnenrad, das mit einer Ausgangswelle des Fahrgeschwindigkeitsänderungsmechanismus verbunden ist, ein erstes Planetenrad, das mit dem Umfang des ersten Sonnenrads kämmt und von einem Gehäuse gelagert ist, ein zweites Sonnenrad, das mit der Ausgangswelle des Motors verbunden ist, ein zweites Planetenrad, das mit dem Umfang des zweiten Sonnenrads kämmt, ein Hohlrad, dessen Innenzähne mit dem ersten Planetenrad und dem zweiten Planetenrad kämmen, einen Planetenträger, der die Umlaufbewegung des zweiten Planetenrads aufnimmt, um ein Kollektorrad anzutreiben, und eine Hauptrotorwelle, die direkt mit dem Kollektorzahnrad verbunden ist, um einen Hauptrotor anzutreiben und zu drehen.
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Die
DE 102 19 925 A1 betrifft ein Hubschraubergetriebe zum Antrieb eines Rotormasts eines Hauptrotors, umfassend mindestens eine Antriebswelle, deren Drehachse in einem Winkel zu einer Drehachse des Hauptrotors verläuft, sowie eine Planetengetriebestufe, welche mehrere Planetenräder aufweist, die auf einem, den Abtrieb bildenden Planetenträger gelagert sind. Die Planetenräder stehen in gleichzeitigem Zahneingriff mit einem Sonnenrad und einem Hohlrad. Zwischen dem Sonnenrad und dem Hohlrad ist ein Koppelmechanismus vorgesehen, welcher ihnen eine entgegengesetzte Drehrichtung aufprägt. Der Koppelmechanismus ist gebildet aus einem mit dem Sonnenrad drehfest verbundenen ersten Zahnrad und einem mit dem Hohlrad drehfest verbundenen zweiten Zahnrad, welche zur Drehachse des Hauptrotors koaxial sind und auf sich gegenüberliegenden Seiten der Antriebswelle mit einem oder jeweils einem auf der Antriebswelle angeordneten Ritzel in Eingriff stehen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Getriebe der eingangs genannten Art die Kräfte besser vom Getriebe in den Rotormast einzuleiten. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung einen Hubschrauber mit einem solchen Getriebe bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 3. Die Aufgabe wird zudem durch einen Hubschrauber nach Anspruch 4 gelöst.
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Die Erfindung geht aus von einem Getriebe zum Antreiben eines Rotormasts mit mindestens einem Antriebsglied, dessen Drehachse in einem Winkel zur einer Drehachse des Rotormasts verläuft, und mit einem koaxial zum Rotormast angeordneten Abtriebsglied, wobei ein Antriebsmoment von dem Antriebsglied über zumindest ein Übersetzungsgetriebe auf das Abtriebsglied übertragbar ist.
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Das Antriebsglied ist erfindungsgemäß ein Zahnrad, insbesondere in der Form eines Ritzels. Das Abtriebsglied ist erfindungsgemäß Ein Zahnrad. Das außenverzahnte Glied liegt erfindungsgemäß Als ein Zahnritzel oder Ritzel vor. Als Zahnritzel bzw. Ritzel wird das im Durchmesser kleinere der beiden Zahn- bzw. Kettenräder in einem Zahnrad-, Zahnriemen- oder Kettengetriebe bezeichnet. Bei einem Kegelradgetriebe spricht man allgemein von einem Kegelrad und einem Kegelritzel.
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Die jeweiligen Glieder können auch mit einer Welle drehfest verbunden sein oder als eine Welle ausgeführt sein.
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Unter einer Welle ist ein, üblicherweise aber nicht ausschließlich stabförmiges Maschinenelement zu verstehen, das ausgebildet ist, Drehbewegungen und/oder Drehmomenten weiterzuleiten und/oder rotierenden Teile zu lagern.
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Unter einem Übersetzungsgetriebe ist eine Übertragungseinrichtung zu verstehen, die ausgebildet ist, Bewegungen unter Einschluss damit verbundener Kraftumformungen umzuformen, zu wandeln oder zu transformieren, eine Drehzahl in eine andere Drehzahl umzuwandeln, d.h. zu übersetzen. Beide Drehzahlen stehen dabei in einem konstruktiv festgelegten Verhältnis, dem Übersetzungsverhältnis i zueinander. Das Übersetzungsverhältnis ist das Verhältnis der Zähnezahlen, Durchmesser, Drehmomente der getriebenen zu den treibenden Rädern, wobei es sich bei den Drehzahlen genau umgekehrt verhält. Ist das Übersetzungsverhältnis größer Eins, wird auch von einer Übersetzung ins Langsame oder umgangssprachlich von einer Untersetzung gesprochen. Ist das Übersetzungsverhältnis kleiner Eins, wird von einer Übersetzung ins Schnelle gesprochen.
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Eine jeweilige drehfeste Verbindung der rotierbaren Elemente der Planetenradsätze ist erfindungsgemäß bevorzugt über eine oder auch mehrere zwischenliegende Wellen realisiert, die dabei bei räumlich dichter Lage der Elemente auch als kurze axiale und/oder radiale Zwischenstücke vorliegen können. Konkret können die permanent drehfest miteinander verbundenen Elemente der Planetenradsätze dabei jeweils entweder als drehfest miteinander verbundene Einzelkomponenten oder auch einstückig vorliegen. Im zweitgenannten Fall werden dann die jeweiligen Elemente und die ggf. vorhandene Welle durch ein gemeinsames Bauteil gebildet, wobei dies insbesondere eben dann realisiert wird, wenn die jeweiligen Elemente im Getriebe räumlich dicht bei einander liegen.
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Die Erfindung offenbart nun die technische Lehre, dass das Abtriebsglied eine Innenverzahnung aufweist, wobei das Abtriebsglied mit einem außenverzahnten Glied des zumindest einen Übersetzungsgetriebes in Zahneingriff steht.
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Grundsätzlich werden bei Stirnrädern eine Außenverzahnung (außenverzahnt) und eine Innenverzahnung (innenverzahnt) unterschieden. Bei einer Außenverzahnung sind die Zähne am Umfang nach außen gerichtet und bei einer Innenverzahnung entsprechend nach innen. Die Zahnflanken einer Außenverzahnung sind konvex, d.h. sie besitzen eine nach außen gewölbte Form. Bei einer Innenverzahnung sind die Zahnflanken hingegen konkav, d.h. sie sind nach innen gewölbt.
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Es hat sich herausgestellt, dass sich durch die Innenverzahnung des Stirnrads ein größerer Durchmesser realisieren lässt. Durch einen vergrößerten Durchmesser wird der Hebelarm vergrößert, was bedeutet, dass bei gleichem Drehmoment weniger Kraft benötigt wird. Anders ausgedrückt, wird die Verzahnungstragfähigkeit verbessert.
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Zudem ergibt sich durch das bessere Aneinanderschmiegen der konvex/konkaven-Flankenpaarung eine breitere Kontaktfläche. Dies führt wiederum zu einer geringeren Flankenbeanspruchung, was größere übertragbare Drehmomente ermöglicht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Abtriebsglied einen sich axial erstreckenden Abschnitt auf, an dessen radialer Innenseite die Innenverzahnung angeordnet ist.
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Zudem ist es bevorzugt, wenn der sich axial erstreckende Abschnitt an einem radial äußeren Ende des Zahnrads angeordnet ist.
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Das Getriebe weist erfindungsgemäß zumindest ein Kegelradgetriebe und zumindest ein Stirnradgetriebe auf. Das Stirnradgetriebe umfasst erfindungsgemäß das als ein innenverzahntes Zahnrad ausgeführtes Abtriebsglied und ein als ein Zahnritzel ausgeführtes außenverzahntes Glied. Das Kegelradgetriebe umfasst erfindungsgemäß das als Kegelritzel ausgeführtes Antriebsglied und ein Kegelrad, wobei das Kegelrad mit dem Zahnritzel drehfest verbunden ist.
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Das Zahnrad des Stirnradgetriebes weist erfindungsgemäß einen sich axial erstreckenden Abschnitt auf, an dessen radialer Innenseite die Innenverzahnung angeordnet ist, sodass das mit dem Zahnrad in Zahneingriff stehende Zahnritzel axial zwischen Zahnrad und Kegelrad angeordnet ist.
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Das Zahnritzel und das Kegelrad sind erfindungsgemäß als eine um dieselbe Drehachse drehbar angeordnete integrale Baueinheit mit einer ersten Außenverzahnung und einer zweiten Außenverzahnung ausgebildet.
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Ein anderer Aspekt der Erfindung ist es, einen Hubschrauber mit einem Getriebe gemäß der Erfindung oder gemäß einer der bevorzugten Ausführungen bereitzustellen.
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Die Erfindung wird anhand dreier Figuren näher erläutert. Die 1 zeigt in einer schematischen Ansicht eine bevorzugte Ausführungsform des Getriebes und ein Getriebe nach dem Stand der Technik. 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Getriebes in einem Querschnitt in einer weiteren bevorzugten Ausführung. 3 zeigt einen Hubschrauber mit dem erfindungsgemäßen Getriebe.
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Rechts ist ein als Hubschraubergetriebe ausgeführtes Getriebe 10 nach dem Stand der Technik dargestellt. Ein Rotormast 1, an dessen oberen axialen Ende Rotorblätter angeordnet sind, ist an seinem unteren axialen Ende mit einem außenverzahnten Abtriebsglied 2', das als ein außenverzahntes Zahnrad vorliegt, formschlüssig drehfest verbunden. Das Zahnrad 2' ist mit einem Zahnritzel 3 in ständigem Zahneingriff. Zahnrad 2' und Zahnritzel 3 bilden ein erstes Übersetzungsgetriebe in Form einer Zahnradstufe oder einer Stirnradpaarung. Der Rotormast kann um eine Drehachse 8 drehen oder rotieren.
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Eine Antriebswelle ist mit einem als Kegelritzel ausgeführten Antriebsglied 5 drehfest verbunden und steht mit einem Kegelrad 4 in ständigem Zahneingriff. Kegelrad 4 und Kegelritzel 5 bilden ein zweites Übersetzungsgetriebe in Form eines Kegelradgetriebes. Die Antriebswelle ist mit einer Antriebsmaschine 20 (in 2 dargestellt) antriebstechnisch in Verbindung und dreht um eine Drehachse 7. Vorliegend sind zwei Antriebsmaschinen vorgesehen, sodass auch das vorstehend erläuterte Stirnradgetriebe und das Kegelradgetriebe zweifach vorgesehen sind. Es ist auch denkbar, dass auch eine andere Anzahl von Antriebsmaschinen vorgesehen sein kann. So können auch lediglich eine einzige oder drei Antriebsmaschinen vorgesehen sein.
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Über eine ähnliche Stirnrad- und Kegelradgetriebepaarung ist eine Abtriebswelle 6 mit einem Heckrotor des Hubschraubers verbunden.
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Die bevorzugte Ausführung des erfindungsgemäßen Getriebes weist im Gegensatz zum Stand der Technik ein innenverzahntes Zahnrad 2 auf. Das innenverzahnte Zahnrad steht in ständigem Zahneingriff mit dem aus dem SdT bekannten Zahnritzel 3. D.h. es kämmen nach innen, d.h. zur Achse 8 gerichtete Zähne 2a des Zahnrads 2 mit Zähnen 3a des Zahnritzels 3.
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Das Zahnrad 2 weist an seinem radial äußeren Rand einen sich nach axial unten erstreckenden Vorsprung 2b auf, an dessen Innenseite die Verzahnung 2a angeordnet ist. So ergibt sich eine Stirnradpaarung mit einem Innenverzahnten Zahnrad und einem außenverzahnten Zahnritzel.
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Das Zahnritzel 3 ist axial unterhalb des Zahnrads 2 angeordnet. So lässt sich bei gleichbleibendem Bauraum der Durchmesser des Zahnrads 2 vergrößern, was zur einer besseren Zahntragfähigkeit führt. Das Zahnritzel 3 ist mit dem Kegelrad 4 drehfest verbunden, sodass Zahnritzel 3 und Kegelrad 4 dieselbe Drehachse 9 aufweisen.
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2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Getriebes in einer bevorzugten Ausführung in einem Querschnitt. Gut zu erkennen ist, in welch vorteilhafter Weise Zahnritzel 3 und Kegelrad 4 den axialen Bauraum unterhalb des Zahnrads 2 ausnutzen. Das Zahnritzel 3 und das Kegelrad 4 sind als eine integrale Baueinheit ausgeführt, d.h. es liegt lediglich ein einziges Bauteil vor. Diese Baueinheit ist also ein Maschinenelement, das an einem ersten axialen Ende eine Stirnradverzahnung 3a aufweist und an einem zweiten axialen Ende, das dem ersten Ende gegenüberliegt, eine Kegelradverzahnung 4a aufweist. Das Bauteil bzw. Zahnritzel 3 und Kegelrad 4 sind um dieselbe Achse 9 drehbeweglich gelagert. Andererseits ist es auch denkbar das Zahnritzel 3 und das Kegelrad 4 als separate Maschinenelemente auszuführen und miteinander drehfest zu verbinden, sodass sie um ihre gemeinsame Drehachse 9 drehen können. Die Achse 9 ist zur Achse 8 des Rotors 1 axial beabstandet, d.h. die Achsen 8 und 9 weisen keinen Winkel zueinander auf. Der Abtrieb zum Heckrotor ist nicht dargestellt.
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3 zeigt einen Hubschrauber 30 mit dem vorstehend in 2 beschriebenen Getriebe 10.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotormast
- 2
- Zahnrad, Abtriebsglied, innenverzahnt
- 2'
- Zahnrad, Abtriebsglied, außenverzahnt
- 2a
- Verzahnung
- 2b
- axialer Vorsprung
- 3
- Ritzel, Zahnritzel, außenverzahnt
- 3a
- Verzahnung
- 4
- Kegelrad, Glied
- 4a
- Verzahnung
- 5
- Kegelritzel, Antriebsglied
- 6
- Abtriebswelle für Heckrotor
- 7
- Drehachse des Antriebsglieds
- 8
- Drehachse des Rotormasts
- 9
- Drehachse des Zahnritzels und des Kegelrades
- 10
- Getriebe, Hubschraubergetriebe
- 20
- Antriebsmaschine
- 30
- Hubschrauber
