DE19546929A1 - Rotorblattsteuerung, insbesondere für einen Hubschrauber - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Rotorblattsteuerung, insbesondere für einen Hubschrauber, zur mono- und bizyklischen Blattwinkelverstellung, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist bekannt, daß sich durch eine höherharmonische Blattwinkelsteue­ rung die erforderliche Rotorleistung eines Hubschraubers bei hohen Fort­ schrittsgraden deutlich reduzieren und die Lärmentwicklung und das Vibrationsverhalten des Rotors vor allem in der Anflugphase erheblich ver­ bessern läßt, wobei der in dieser Hinsicht größte Einfluß von der zweiten Harmonischen, also der bizyklischen Blattwinkelsteuerung (2/rev) ausgeht, die für eine wirksame Verringerung des monozyklisch veränderten Blatt­ winkels in den Gebieten hoher Verluste besonders geeignet ist. Während individuelle Rotorblattsteuerungen, bei denen für jedes einzelne Rotorblatt ein mit dem Rotor umlaufender und pro Rotorumdrehung mehrfach aktivierter, zumeist hydraulischer Aktuator zur Erzeugung der multizykli­ schen Steuerbewegung benötigt wird, einen sehr großen Bau- und Energie­ aufwand erfordern, wird bei den aus der US-PS-3 144 908 bekannten Rotorblattsteuerungen der eingangs genannten Art, welche zwei unabhän­ gig voneinander verstellbare Taumelscheiben und zwischen den rotierenden Taumelscheibenteilen wirkende Steuerhebelpaare enthalten, die mit den einzelnen Rotorblättern jeweils über an den gemeinsamen Gelenkpunkt der Steuerhebelpaare angeschlossene Steuerstangen blattwinkelverstellend ver­ bunden sind, eine variabel aus mono- und bizyklischen Bewegungsanteilen zusammengesetzte, höherharmonische Steuerbewegung auf rein gelenk­ kinematische Weise erzeugt, so daß umlaufende, hochfrequent arbeitende Hydraulikaktuatoren in Fortfall geraten und der Bau- und Energieaufwand wesentlich reduziert wird. Derartige Rotorblattsteuerungen haben jedoch den Nachteil, daß die entstehende Steuerkurve starke Verzerrungen gegen­ über der zweiten Höherharmonischen aufweist und die erzielbaren bizykli­ schen Steuerbewegungen für eine wirksame Leistungsverbesserung des Rotors zu gering sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Rotorblattsteuerung der eingangs ge­ nannten Art so auszubilden, daß sich auf konstruktiv einfache Weise eine höherharmonische, gegenüber der reinen Sinusform weitgehend unverzerrte Steuerbewegung aus mono- und bizyklischen, in weiten Grenzen veränder­ lichen Bewegungsanteilen erzeugen läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 ge­ kennzeichnete Rotorblattsteuerung gelöst.

Erfindungsgemäß wird aufgrund der besonderen Gestaltung des Steuer­ mechanismus mit einem Winkelhebel anstelle eines Linearlenkers und dem Abgriff der Blattwinkelverstellbewegung am freien Winkelhebelende die Kinematik der Rotorblattsteuerung so verändert, daß sich hinsichtlich der bizyklischen Bewegungsanteile eine große Amplituden-Bandbreite und eine nahezu unverzerrte 2/rev-Sinusform ergibt, ohne daß hierfür baulich und energiemäßig aufwendige, mit der bizyklischen Arbeitsfrequenz betätigte Hydraulikaktuatoren benötigt werden. Mit der erfindungsgemäßen Rotor­ blattsteuerung läßt sich daher auf einfache und energiesparende Weise eine deutliche Leistungsverbesserung des Rotors erreichen.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der gegenseitige Axialabstand der Taumelscheiben gemäß Anspruch 2 wesentlich geringer, nämlich nach Anspruch 3 etwa fünfmal kleiner als der Radius der mono­ zyklischen Taumelscheibe, wodurch die am steuerstangenseitigen Ausgang der Rotorblattsteuerung erzielbaren Amplitudenänderungen der bizykli­ schen Bewegungsanteile weiter vergrößert werden und eine noch deut­ lichere Leistungsverbesserung des Rotors ermöglicht wird.

Gemäß Anspruch 4 verlaufen der an der bizyklischen Taumelscheibe ange­ lenkte Steuerhebel und der steuerstangenseitige Hebelarm des Winkel­ hebels in der bezüglich der gehäusefesten Achse unverkippten Lage beider Taumelscheiben zweckmäßigerweise im wesentlich parallel zueinander und jeweils in einer zur gehäusefesten Achse senkrechten Ebene. Dies hat den Vorteil, daß sich mit der erfindungsgemäßen Rotorblattsteuerung auch eine rein monozyklische Grundschwingung ohne bizyklische Bewegungsanteile erzielen läßt.

Vorzugsweise wird der Scheitelwinkel des Winkelhebels gemäß Anspruch 5 vorzugsweise geringfügig, nämlich um etwa 5-10°, kleiner als 90° be­ messen. Hierdurch sind noch größere bizyklische Steuerbewegungen mög­ lich. Die sich daraus ergebenden Abweichungen von der reinen Sinus­ schwingung sind äußerst gering und daher ohne spürbaren Einfluß auf die Steuerkurve.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird gemäß An­ spruch 6 die multizyklische mit einer kollektiven Blattwinkelsteuerung in der Weise kombiniert, daß die Doppeltaumelscheibenanordnung zusätzlich bezüglich der gehäusefesten Achse höhenverschieblich einstellbar ist.

In besonders bevorzugter Weise ist die Stellvorrichtung zur Kipplagen­ einstellung der bizyklischen relativ zur monozyklischen Taumelscheibe gemäß Anspruch 7 zwischen den nicht-rotierenden Teilen der beiden Tau­ melscheiben vorgesehen. Die mono- und bizyklischen Bewegungsanteile lassen sich daher hinsichtlich Phasenlage und Amplitude jeweils unabhän­ gig voneinander durch getrennte Steuerkommandos einstellen. In diesem Fall empfiehlt es sich, gemäß Anspruch 8 mindestens drei zwischen den Taumelscheiben wirkende Stellglieder vorzusehen, durch die auch noch der Axialabstand zwischen bizyklischer und monozyklischer Taumelscheibe verändert werden kann, wodurch der Anwendungsbereich der Rotorblatt­ steuerung auf Fälle ausgeweitet wird, in denen zusätzlich zu einer rein sinusförmigen höherharmonischen eine hiervon gezielt abweichende Steuerbewegung gefordert wird.

Gemäß Anspruch 9 schließlich werden zur individuellen Kipplageneinstel­ lung der mono- und der bizyklischen Taumelscheibe vorzugsweise steuer­ kommandobetätigte, kraftverstärkende Hydraulikaktuatoren als Stellglieder verwendet.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispieles in Ver­ bindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:

Fig. 1 den Grundaufbau einer höherharmonischen, mechanischen Rotorblattsteuerung in der Null-Kipplage beider Taumelschei­ ben;

Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung mit der mono- und der bizyklischen Taumelscheibe in unterschiedlichen Kipp­ lagen;

Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung der monozyklischen (a), der bi­ zyklischen (b) und der sich durch Linearkombination hieraus ergebenden, höherharmonischen Steuerbewegung (c); und

Fig. 4 eine detailliertere perspektivische Ansicht der Rotorblattsteue­ rung mit bezüglich der gehäusefesten Achse unterschiedlich gekippten Taumelscheiben.

Die in den Fig. gezeigte Rotorblattsteuerung enthält eine Doppel-Taumel­ scheibenanordnung 2 mit einer unteren, monozyklischen Taumelscheibe 4 und einer oberen, bizyklischen Taumelscheibe 6, sowie ein nach Art eines Gelenkdreiecks zwischen den Taumelscheiben 4, 6 wirkendes Steuerhebel­ paar 8 für jedes Rotorblatt, welches aus einem im Scheitelpunkt an der monozyklischen Taumelscheibe 4 drehbar gelagerten 90°-Winkelhebel 10 und einem einerseits an die bizyklische Taumelscheibe 6 und andererseits an den einen Winkelhebelarm 12 gelenkig angeschlossenen Steuerhebel 14 besteht. Das freie Ende 30 des anderen Winkelhebelarms 16 ist über eine zur Achse A im wesentlichen parallel verlaufende Steuerstange 18 mit dem zugehörigen Rotorblatt (nicht gezeigt) blattwinkelverstellend verbunden.

Die beiden Taumelscheiben 4 und 6 sind koaxial zueinander auf einer ge­ meinsamen Achse A - gemäß Fig. 4 der Rotor-Drehachse - höhenverschieb­ lich und jeweils über eine Kardan- oder Kugelgelenkführung 20.1 bzw. 20.2 nach Größe und Richtung individuell kippbeweglich angeordnet. Im übrigen besteht jede Taumelscheibe 4, 6 in üblicher Weise aus einem nicht­ rotierenden Teil 4A bzw. 6A und einem gemeinsam mit den Steuerhebel­ paaren 8 rotationsgleich mit dem Rotor um die Achse A umlaufenden Taumelscheibenteil 4B bzw. 6B. Der Gleichlauf der Taumelscheibenteile 4B und 6B mit dem Rotor wird, wie in Fig. 4 gezeigt, durch mit dem Rotormast 22 verkoppelte Mitnehmer 24 bewirkt.

Zur Einstellung des Kippwinkels und der Kipprichtung sowie der Höhen­ lage der monozyklischen Taumelscheibe 4 bezüglich der gehäusefesten Achse A sind drei, jeweils zwischen Taumelscheibe 4 und einem gehäuse­ festen Stützpunkt wirkende Stellglieder in Form von steuerkommandobe­ tätigten Hydraulikaktuatoren 26 (von denen in den Fig. nur zwei ersichtlich sind) vorgesehen. Hiervon unabhängig sind der Kippwinkel und die Kipp­ richtung sowie evtl. auch der Axialabstand der bizyklischen Taumelscheibe 6 bezüglich der monozyklischen Taumelscheibe 4 mit Hilfe von zwei bzw. drei, zwischen beiden Taumelscheiben wirkenden Hydraulikaktuatoren 28 einstellbar.

Der Taumelscheibenabstand in Richtung der Achse A ist etwa fünfmal kleiner als der Radius der monozyklischen Taumelscheibe 6. Die Längen des Hebelarms 12 und des Steuerhebels 14 sind so gewählt, daß der Hebel­ arm 12 parallel zur Achse A ausgerichtet bleibt, wenn beide Taumel­ scheiben 4 und 6 gemeinsam und parallel zueinander um ihren jeweiligen Gelenkpunkt 20.1 bzw. 20.2 verkippt werden, d. h. der Steuerhebel 14 ist gleich lang wie die Radiusdifferenz der Taumelscheiben 4, 6 und die Länge des Winkelhebelarms 12 entspricht dem gegenseitigen Scheibenabstand. Das Längenverhältnis der Hebelarme 16 und 12, von dem die Amplitude der bizyklischen Bewegungsanteile in Richtung der umlaufenden Steuer­ stange 18 mitbeeinflußt wird, beträgt bei dem gezeigten Ausführungsbei­ spiel etwa Eins.

Solange die beiden Taumelscheiben 4 und 6 parallel zueinander ausgerich­ tet bleiben, wirkt die Doppelscheibenanordnung 2 in jeder Kipp- und Höhenlage wie eine herkömmliche Taumelscheibensteuerung mit einer rein monozyklischen Steuerbewegung der umlaufenden Steuerstangen 18 am freien Hebelarmende 30, wobei der Winkelhebelarm 16 im wesentlichen senkrecht zur Achse A ausgerichtet bleibt. Der Verlauf der monozyklischen Steuerbewegung, deren Phasenlage und Amplitude durch entsprechende Wahl des Kippwinkels und der Kipprichtung der Taumelscheibe 4 festge­ legt wird, ist in Fig. 3 in gestrichelten Linien (Kurve a) dargestellt.

Wird jedoch die bizyklische Taumelscheibe 6 relativ zur monozyklischen Taumelscheibe 4 verkippt (Fig. 2), so kommt das Steuerhebelpaar 8 in der Weise zur Wirkung, daß der Steuerhebel 14 beim Umlauf um die gehäuse­ feste Achse A eine Schwenkbewegung bezüglich der bizyklischen Taumel­ scheibe 6 ausführt, derart, daß er am Hochpunkt der Taumelscheibe 6 am stärksten nach unten verschwenkt ist (rechter Teil der Fig. 2) und am Tief­ punkt der Taumelscheibe 6 relativ zu dieser am weitesten nach oben ver­ kippt ist (linker Teil der Fig. 2). Infolgedessen wird der Winkelhebel 10 durch den Steuerhebel 14 gegenüber der monozyklischen Taumelscheibe 4 zusätzlich nach einwärts geschwenkt, und zwar am Hochpunkt der bizykli­ schen Taumelscheibe 6 etwa gleich weit wie am Tiefpunkt. Dies führt zu einer bizyklischen Steuerbewegung des freien Hebelendes 30, deren Ampli­ tude und Phasenlage von dem gewählten Kippwinkel und der gewählten Kipplage der bizyklischen relativ zur monozyklischen Taumelscheibe ab­ hängig ist. Diese bizyklische Steuerbewegung, deren Verlauf in Fig. 3 in strichpunktierten Linien (Kurve b) dargestellt ist, überlagert sich der monozyklischen Grundschwingung a, und aus der Linearkombination bei­ der Schwingungsanteile a und b resultiert die höherharmonische Steuerbe­ wegung c zweiten Grades, die über die Steuerstange 18 an das entspre­ chende Rotorblatt übertragen wird. Die Einstellung der höherharmonischen Steuerkurve erfolgt computergesteuert über ein Kennfeld, in dem die optimalen, der jeweiligen Flugsituation entsprechenden Amplituden und Phasenlagen gespeichert sind. Als Eingangsgrößen sind dafür die Stellung des Steuerknüppels sowie Informationen über Fluglage und -geschwindig­ keit erforderlich. Hieraus werden die zugehörigen Stellwege der Hydraulik­ aktuatoren berechnet. Um eine exakte Regelung der Aktuatoren zu ermög­ lichen, sind diese mit Wegaufnehmern ausgestattet.

Die bizyklische Schwenkbewegung des Winkelhebels 10 bezüglich der Taumelscheibe 4 läßt sich dadurch vergrößern, daß der Scheitelwinkel des Winkelhebels 10 um etwa 5-10° kleiner als 90° gewählt und der Steuer­ hebel 14 dementsprechend verlängert wird, wie dies in Fig. 1 in gestrichel­ ten Linien gezeigt ist. Hieraus ergibt sich zwar eine Abweichung der mono­ zyklischen Steuerkurvenkomponente von der reinen Sinusform, jedoch ist diese Abweichung so gering, daß ihr Einfluß kaum spürbar ist.

Wie bereits erwähnt, können die beiden Taumelscheiben 4 und 6 auch un­ abhängig voneinander auf der Achse A bzw. dem Rotormast 22 gemäß Fig. 4 höhenverschieblich angeordnet und durch mehr als zwei Stellzylinder 28 miteinander verkoppelt sein, so daß die bizyklische Taumelscheibe 6 nicht nur bezüglich des Kippwinkels und der Kipprichtung, sondern auch bezüg­ lich ihres Axialabstands relativ zur monozyklischen Taumelscheibe 4 ver­ änderlich einstellbar ist. Dies bietet die Möglichkeit, den Verlauf der am freien Winkelarmende 30 abgegriffenen Steuerkurve nach Maßgabe des über die Stellzylinder 28 eingestellten Scheibenabstands gezielt gegenüber dem in Fig. 3 gezeigten, rein sinusförmigen Schwingungsverlauf c zu ver­ formen.

Claims (9)

1. Rotorblattsteuerung, insbesondere für einen Hubschrauber, zur mono- und bizyklischen Blattwinkelverstellung, bestehend aus einer Doppel-Taumelscheibenanordnung mit einer monozyklischen und einer unabhängig von dieser bezüglich einer gehäusefesten Achse kippbeweglich einstellbaren, bizyklischen Taumelscheibe und minde­ stens einem nach Art eines Gelenkdreiecks einerseits miteinander und andererseits mit den Taumelscheiben gelenkig verbundenen Steuerhebelpaar mit einer zugeordneten, die Steuerhebelbewegung bezüglich der gehäusefesten Achse beim Umlauf der Taumelschei­ benanordnung blattwinkelverstellend an den Rotor übertragenden Steuerstange, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der monozyklischen Taumelscheibe (4) verbundene Steuer­ hebel des Steuerhebelpaares (10, 14) als im Scheitelpunkt an der monozyklischen Taumelscheibe (4) drehbar gelagerter Winkelhebel (10) mit einem Scheitelwinkel von im wesentlichen 90° ausgebildet und die Steuerstange (18) auf Seiten des Steuerhebelpaares an den freien Hebelarm (16) des Winkelhebels gelenkig angeschlossen ist.

2. Rotorblattsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gegenseitige Axialabstand der Taumelscheiben (4, 6) wesentlich kleiner als der Radius der monozyklischen Taumelscheibe (4) ist.

3. Rotorblattsteuerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der gegenseitige Axialabstand der Taumelscheiben (4, 6) etwa fünf­ mal kleiner als der Radius der monozyklischen Taumelscheibe (4) ist.

4. Rotorblattsteuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der an der bizyklischen Taumelscheibe (6) angelenkte Steuerhebel (14) und der steuerstangenseitige Hebelarm (16) des Winkelhebels (10) in der bezüglich der gehäusefesten Achse (A) unverkippten Lage beider Taumelscheiben (4, 6) im wesentlichen parallel zuein­ ander und jeweils in einer zur gehäusefesten Achse senkrechten Ebene verlaufen.

5. Rotorblattsteuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Scheitelwinkel des Winkelhebels (10) geringfügig, nämlich um etwa 5-10°, kleiner als 90° ist.

6. Rotorblattsteuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Doppel-Taumelscheibenanordnung (2) zur kollektiven Blatt­ winkelverstellung zusätzlich bezüglich der gehäusefesten Achse (A) höhenverschieblich einstellbar ist.

7. Rotorblattsteuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kipplageneinstellung der bizyklischen (6) relativ zur monozykli­ schen Taumelscheibe (4) eine zwischen den nicht-rotierenden Teilen (4A, 6A) der beiden Taumelscheiben wirkende Stellvorrichtung (Stellglieder 28) vorgesehen ist.

8. Rotorblattsteuerung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellvorrichtung mindestens drei, zwischen den Taumelscheiben (4, 6) wirkende Stellglieder (28) enthält, durch die zusätzlich der Axialabstand der bizyklischen (6) bezüglich der monozyklischen Taumelscheibe (4) veränderlich einstellbar ist.

9. Rotorblattsteuerung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellglieder (28) als kraftverstärkende Hydraulikaktuatoren aus­ gebildet sind.