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Die Erfindung betrifft Blattwinkel-Verstelleinrichtungen für Luftschrauben
mit einem Antriebskolben, welcher in Stellungen, die der Bremsstellung und der Segelstellung
der Luftschraubenblätter zugeordnet sind, bewegbar und von einer Seite her mittels
einer druckmittelbeaufschlagbaren Kammer in eine Richtung verschiebbar ist, die
einer bestimmten Blattwinkel-Verstellrichtung entspricht, und mit Federmitteln,
die von der anderen Seite her auf den Antriebskolben mit abgestuften Federkräften
im Sinne einer Blattwinkelverstellung in der anderen Richtung wirken.
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Es ist bereits bekannt, die von den Federmitteln auf den Antriebskolben
ausgeübte Rückstellkraft in bestimmten Abschnitten des Verstellbereiches durch eine
Abstufung der Federkräfte zu erreichen, welche durch Parallelschaltung von zwei
Federn erzielt wird. Die Parallelschaltung der Rückstellfedern dient bei einer bekannten
Einrichtung der vorstehend kurz beschriebenen Art zur Verstärkung der auf den Antriebskolben
wirkenden Rückstellkraft im Bereich der Segelstellung der Luftschraubenblätter,
damit diese sicher aus der Segelstellung zurückgeführt werden (britische Patentschrift
534 529).
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Ferner ist es bekannt, bei einer Luftschraube, deren Luftschraubenblätter
drehzahlabhängig verstellt werden, zur Erzeugung eines Grobeinstellbereiches und
eines Feineinstellbereiches die Federkräfte entsprechend der Drehzahl mittels einer
Kulissenführung zu verändern (USA.-Patentschrift 2492653).
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Schließlich ist noch eine Klemmvorrichtung zur stufenlosen Festlegung
von hydraulisch festellbaren Propellerflügeln für Axialverdichter bekannt, bei welcher
die Federkraft der die Kleminvorrichtung betätigenden Feder über einen Winkelhebel
und eine mittels eines druckmittelbeaufschlagbaren Antriebskolbens bewegbare Kulissenführung
verändert werden kann (deutsche Auslegeschrift 1019 046).
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Durch die Erfindung soll demgegenüber die Aufgabe gelöst werden, eine
Blattwinkel-Verstelleinrichtung für Luftschrauben zu schaffen, bei der die Verstellbewegung
in die Segelstellung und die Verstellbewegung aus der Bremsstellung heraus mit Federkräften
erfolgt, welche gegenüber den normalen Rückführungsfederkräften des Systems erhöht
sind.
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Ausgehend von einer Blattwinkel-Verstelleinrichtung der eingangs kurz
beschriebenen allgemeinen Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zur übertragung
der Federkraft auf den Antriebskolben eine an sich bekannte, mit dem Antriebskolben
verbundene Kulissenführung, die sich mit Bezug auf die Luftschraubendrehachse in
axialer Richtung erstreckt, über eine Hebeleinrichtung mit den Federmitteln in Verbindung
steht und daß die über die Kulissenführung axial auf den Antriebskolben wirkende
Kraftkomponente der Federkraft derart veränderbar ist, daß diese Komponente im Bereich
größter und geringster Federzusammendrückung der unter Vorspannung stetenden Federrnittel
zunimmt, wobei diese Federstellungen den der Brems- und SegelsteUung zugeordneten
Kolbenstellungen entsprechen.
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Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Blattwinkel-Verstelleinrichtung
gegenüber bekannten Einrichtungen, insbesondere gegenüber solchen, bei welchen Doppelfedersysteme
verwendet werden, ist eine beträchtliche Gewichtseinsparung, da die in den verschiedenen
Verstellbereichen erforderlichen Verstellkräfte bzw. Rückführungskräfte unter sehr
günstiger Ausnutzung der in den Federmitteln gespeicherten Energie bereitgestellt
werden, so daß eine verhältnismäßig leichte Feder ausreicht. lEerbei ist auch von
Bedeutung, daß das die Kulissenführung, die Federmittel und die Hebeleinrichtung
enthaltende System einen guten übertragungswirkungsgrad in der Größenordnung von
90 11/o aufweist.
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Als weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Blattwinkel-Verstelleinrichtung
ist zu nennen, daß eine Veränderung der Betätigungskraftbzw. Rückführungskraft in
Abhängigkeit von der jeweiligen Stellung des Antriebskolbens über einen weiten Verstellbereich
hin möglich ist, indem in einfacher Weise das Profil der Kulissenführung entsprechend
gestaltet wird.
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ZweckmäßigeAusführungsformenderErfindungbilden Gegenstand der anliegenden
weiteren Ansprüche. Im folgenden wird die Erfindung durch die Beschreibung eines
Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser
Zeichnung stellt dar F i g. 1 eine teilweise im Schnitt gezeichnete Seitenansicht
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, F i g. 2 eine graphische
Darstellung zur Verdeutlichung des Bedarfes an bereitzustellender Energie, welche
zur Einstellung der Luftschraubenblätter in die Segelstellung und aus der Bremsstellung
notwendig ist, wobei sich ein einfaches lineares Federsystem mit dem Federsystem
der Einrichtung nach der Erfindung vergleichen läßt, und F i g. 3 eine graphische
Darstellung, in welcher zum Vergleich einerseits für die erfindungsgemäße Einrichtung
und andererseits für bisher bekannte Einrichtungen die Federkraft über dem Federweg
aufgetragen ist.
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In F i g. 1, worauf zunächst Bezug genommen sei, ist ein Ausführungsbeispiel
dargestellt, in welchem die Bezuaszahl 10 ganz allgemein die Luftschraubenanordnung,
nicht jedoch den dieser im allgemeinen zugeordneten Steuermechanismus bezeichnet.
Die Steuereinrichtungen für die Luftschraube sind in der zeichnerischen Darstellung
der Einfachheit halber weggelassen. Die Luftschraubenblätter 12, von denen in der
Zeichnung eines dargestellt ist, sind am Umfang der Luftschraube angeordnet und
an einer Nabe 14 befestigt, welche eine Veränderung des Blattwinkels ermöglicht.
Die Nabe ist in der üblichen Weise auf die Welle des Antriebsmotors aufg gesetzt
und dreht sich um die Luftschraubenachse. Am radial inneren Ende des Luftschraubenblattes
12 ist ein exzentrischer Arm13 angeordnet, welcher sich in radialer Richtung nach
innen auf den Drehungsmittelpunkt der Luftschraubenanordnung hin erstreckt und mit
einer geeigneten Gabel- oder Kulissenanordnung 18 verbunden ist, die ihrerseits
über eine hohle Kolbenstange22 mit einem die Blattwinkelverstellung vornehmenden
Antriebskolben20 verbunden ist.
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Aus vorstehendem ergibt sich, daß eine axiale Verschiebung des Antriebskolbens
20 zu einer Verdrehung der Luftschraubenblätter 12 um ihre Längsachse führt, so
daß der Blattwinkel verändert wird. Durch Zufuhr von hochgespannter Druckflüssigkeit
über die hohle Kolbenstange 22 sowie über einen Bohrungskanal 28 zu der Kammer
26 wird der Antriebskolben 20 nach links gedrängt, wodurch die
Luftschraubenblätter
in Richtung auf geringere Anstellwinkel verstellt werden. Dieser Bewegung des Kolbens
20 wirkt eine Kraft eiit- en, die durch eine geg Federanordnung erzeugt wird, welche
allgemein durch die Bezugszahl 30 bezeichnet ist.
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Innerhalb des Nabenkopfes 36, welcher sich von der Nabe 14
aus nach vorwärts erstreckt und an deren Stirnseite über einen Flansch 40 befestigt
ist, sind Tellerfedern 32 koaxial aiigeordnet. Diese Tel-- gestapelt und
zeichlerfedem sind in axialer Richtung C nen sich durch eine große Federkonstante
und gerin-C, ,-en Federweg aus. Die Tellerfedern 32 sind im all-C gemeinen
toriodförmig und weisen einen Durchbruch auf , der ein sich in axialer Richtung
erstreckendes Kulissenführun-selement 34 umYibt. Die Tellerfedern sind in axialer
Richtung vorgespannt und koaxial mit Bezug auf die Luftschraubendrehachse angeordnet.
Es können jedoch auch andere Federn Verwendung finden. Das freie Ende der Federpackung
stützt sich gegen einen Federsitz 44 ab, der seinerseits mit einem flexiblen Ringelement
42 verbuinden ist, das gegen den oberen Arm eines Winkelbebels 46 drückt. Der Winkelhebel
46 ist an einer Schwenklagerung 47 gelagert, welche mit Bezug auf die Luftschraubennabe
feststehend an einer geeigneten Halterung 48 angeordnet ist, die ihrerseits in einen
Dom 38 des Nabenkopfes eingesetzi ist. Vorzugsweise sind drei derartige Winkelhebel
am Umfang rund um das Kulissenführungseleinent 34 verieilt, doch hat die Zahl der
verwendeten Winkelhebel keinen wesentlichen Einfluß. Das gegenüberliegende Ende
des 'Winkelhebels 46 trä(yt eine Rolle 50, die gegen die Profilfläche
52 des Kulissenführungsclementes 34 drückt. Wird die von der federbelasteten
Rolle 50 auf das Kulissenführungselement34 au-,geübte Kraft in ihre zwei
Koinponenten zerlegt (Horizontalkraft und Vertikalkraft), so zeigt sich, daß die
Größe der Horizontalkomponente von dem Profil der Nockenanordnung abhängt. Ist die
gemeinsame Tangente am Berührungspunkt zwischen Rolle und Kulissenführung zur Achse
des die Kulissenführuna bildenden Zapfens parallel, so entsteht keine Horizontalkomponente,
und das Kulissenführungselerneat 34 hat daher auch kein Bestreben, sich in axialer
l' ichtung zu bewegen. Jedesmal, wenn die Tangente durch den genannten Berührungspunkt
einen best;malten Winkel zu der Mittellinie einnimmt, tritt eine Horizontalkomponente
auf. Je arößer dieser Winkel ist, desto größer ist auch die Horizontalkomponente
und damit die resultierende Kraft in axialer Richtung.
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In F i a. 1 sind die einzelnea Kraftkomponenten und die resultierende
Kraft vektoriell übereinander eingezeichnet, woraus die auf das Kulissenführungselement
34 wirkende, wirksamt2 Betätigungskraft in der Zwischenstellung, der Segelstellung
und der Bremsstellung zu ersehen ist. Die bereitgestellte Kraft ist dann diejenige
Kraft, welche der über die Druckkammer 26 auf die rechte Stirnfläche des
Antriebskolbens 20 wirkenden Kraft des hydraulischen Druckmittels entgegengerichtet
ist. Bei der in der Zeichebenen Stellung wird demgemäß nur nung wiedergeg eine geringe
Kraft auf den Kolben 20 ausgeübt, und aus diesem Grunde gelangt in diesem Bereich
auch nur eine kleine Betätigungshraft nach dem die Betätigungsgabel und die Rolle
enthaltenden Mechanismus zur Verstellung des jeweiligen Blattwinkels. Diese Kraft
reicht vollständig aus, um in dem genannten Bereich eine ordnungsgemäße Blattwinkelverstellung
zu erreichen. Soll jedoch das Luftschraubenblatt in die Segelstellung bewegt werden,
so wird Druckmittel vermittels des gesonderten, die Blattwinkelverstellung steuernden
Mechanismus, welcher in der Zeichnung nicht dargestellt ist, aus der Druckkammer
26 abgelassen, und die Federmittel drängen den Antriebskolben nach rechts,
so daß er in eine Stellung gelangt, in welcher große aerodynamische Kräfte, welche
durch die Vorwärtsgeschwindigkeit verursacht werden, die Luftschraubenblätter in
Stellungen mit geringem Anstellwinkel zu drängen suchen. Wenn jedoch die Rolle den
geneigten Abschnitt56 des Kulissenführungselementes 34 erreicht, so tritt eine größere
horizontal gerichtete Kraft auf, welche dazu ausreicht, die auf die Luftschraubenblätter
wirkenden Gegenkräft-- zu überwinden, so daß die Luftschraubenblätter in die Segelstellung
geführt werden.
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In ähnlicher Weise gelangt die Rolle 50, wenn die Luftschraubenblätter
in die Bremsstellung geführt werden sollen, in den Bereich der Abschrägung
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der Kulissenführung, wodurch eine zusätzliche Betätigungskraft auf den
Antriebskolben 20 wirkt, welche die durch die aerodynamische Belastung der Luftschraubenblätter
verursachten auftretenden Gegenkräfte bei der Bewegung aus der Bremsstellung überwindet.
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Der Arbeitsbereich, in welchem Federenergie benötigt wird, kann besonders
gut aus F i g. 2 der Zeichnungen entnommen werden, in welcher der jeweilige
Blattanstellwinkel mit Bezug auf das zugehörige Drehmoment in mk-p aufgetragen ist.
Die senkrechte Linie A kennzeichnet die der Bremsstellung entsprechende Blattverstellung,
und die senkrechte Linie B kennzeichnet die Segelstellung. Die Linie C gibt
diejenigen Momente wieder, die iin gesamten Verstellbereich erforderlich sind, und
die Linie D kennzeichnet die Charakteristik eines einfachen linearen Federsystems.
Aus der graphischen Darstellung ist ersichtlich, daß die notwendige Federenergie
zur Erzeugung der Blattwinkelverstellung im Bereich zwischen der Bremsstelluna und
der Segelstelluno, durch die Kurve C definiert ist. Die gesamte übrige Energie,
wie sie sich unterhalb der Linie D darstellt, bleibt unbenutzt und ist daher
verlorene Energie.
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F i g. 3 der Zeichnungen zeigt einen graphischen Vergleich
in einem Diagramm, in dem die wirksamen Kräfte über dem Federweg aufgetragen sind,
und zwar einmal für ein einfaches lineares System und ein anderes Mal für ein Federsystem
nach dem Ausführungsbeispiel. Hierbei zeigt die Kurve E die Abhängigkeit
der wirksamen Kraft von dem Federweg der Tellerfedern ' während die Kurve
F die wirksame Kraft in Abhängigkeit von dem Federweg einer Feder wiedergibt, wie
sie in einfachen Federsystemen zur Anwendung kommt. Aus dem Vergleich der beiden
graphischen Darstellungen ergibt sich, daß die Tellerfederanordnung einen sehr kurzen
Federweg aufweist, wobei eine -roße Federkonstante festzustellen ist, während der
Federweg einfacher Federsysteme verhältnismäßig groß und die Federkonstante verhältnismäßig
niedrig ist.