DE19711845A1 - Mechanischer Schwingungstilger - Google Patents
Mechanischer SchwingungstilgerInfo
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- F16F7/00—Vibration-dampers; Shock-absorbers
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- B64C2027/002—Vibration damping devices mounted between the rotor drive and the fuselage
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen mechanischen Schwingungstilger nach
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Hydraulische oder mechanische Schwingungstilger, wie sie etwa bei Hub
schraubern Verwendung finden, um die vom Rotor-Getriebesystem einwir
kenden dynamischen Belastungen von der Hubschrauberzelle fernzuhalten,
enthalten ein vom schwingenden Bauteil mechanisch oder hydraulisch erreg
tes Feder-Massesystem, welches so abgestimmt ist, daß lokal eine Aufhe
bung der dynamischen Kraftanteile an der Tragstruktur erfolgt, so daß im
Antiresonanzfall praktisch keine Schwingungen mehr vom Bauteil an die
Tragstruktur übertragen werden. Aus Gründen einer hohen Tilgungswirkung
bei zugleich geringer Pendelmasse benötigen derartige Schwingungstilger
ein großes Übersetzungsverhältnis und eine Federanordnung, die eine ge
ringe Federsteifigkeit aufweist, gleichzeitig aber auch eine hohe Schwing
festigkeit besitzen muß, um den statischen und dynamischen Lastan
teilen langdauernd standzuhalten. Darüber hinaus unterliegen solche Schwin
gungstilger, vor allem in der Luftfahrt, häufig strikten Gewichts- und Platz
beschränkungen.
Diese Forderungen werden von den bekannten Schwingungstilgern nur in
begrenztem Umfang erfüllt: So ist aus der DE 29 51 526 C2 ein Schwingungs
tilger mit einer hydraulischen Übersetzung bekannt, die aus unterschiedlich
großen, miteinander kommunizierenden, jeweils durch einen metallischen
Federbalg begrenzten Hydraulik-Teilräumen besteht. Da die Federbälge zu
sätzlich zu den dynamischen und statischen Lastanteilen auch den hydrau
lischen Druckschwankungen im Inneren ausgesetzt sind, müssen sie mit
einer relativ großen Wandstärke und daher bei entsprechend weicher Feder
charakteristik auch einer großen Baulänge ausgeführt werden. Eine weitere
Feder wird zur Erhöhung des statischen Flüssigkeitsdrucks in der hydrau
lischen Übersetzung benötigt, um zu verhindern, daß es während des
Expansionshubs der Pendelmasse in den Hydraulik-Teilräumen zu Kavita
tionserscheinungen kommt. Bedingt durch die Mehrfach-Federanordnung
und die große Federlänge erfordert ein solcher Schwingungstilger daher, be
zogen auf die erzielbare Tilgungswirkung, ein hohes Bauvolumen und -ge
wicht.
Ferner ist aus der US 3 322 379 ein mechanischer Schwingungstilger der
eingangs genannten Art bekannt, der aus einem einerseits an dem dynamisch
erregten Bauteil und andererseits an der Tragstruktur gelenkig angeschlosse
nen, am freien Hebelende mit einer Pendelmasse versehenen Übersetzungs
hebel sowie einer zwischen Bauteil und Tragstruktur wirksamen Schrauben
federanordnung besteht. Hierbei erhöht sich der ohnehin schon große
Platzbedarf für die bei ausreichender Federweichheit und Schwingungs
festigkeit voluminöse Schraubenfederanordnung noch zusätzlich um die
Einbaulänge des mechanischen Hebel-/Pendelsystems, so daß auch dieser
Schwingungstilger einen erheblichen Einbauraum benötigt, welcher häufig
nicht zur Verfügung steht.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schwingungstilger der eingangs genann
ten Art so auszubilden, daß er über eine hohe Tilgungswirkung und eine
große Schwingungsfestigkeit verfügt und zugleich ein sehr geringes Einbau
volumen besitzt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den im Patentanspruch 1 ge
kennzeichneten Schwingungstilger gelöst.
Erfindungsgemäß wird durch die Verwendung eines einzelnen, rein mecha
nisch belasteten und trotz hoher Federweichheit und Schwingungsfestigkeit
sehr kompakt ausführbaren Drehfederstabs in Verbindung mit der längen
konformen Anordnung von Drehfederstab und mechanischem Hebelsystem
ein Schwingungstilger geschaffen, der, bezogen auf die erzielbare Tilgungs
wirkung und Lebensdauer, ein äußerst geringes Bauvolumen besitzt und sich
auch unter beengten Platzverhältnissen, also etwa bei Hubschraubern zwi
schen Rotorgetriebe und Zellstruktur, problemlos unterbringen läßt.
In weiterer, besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung besteht der
Drehfederstab nach Anspruch 2 aus einem zentralen Federstabteil und min
destens einem diesen konzentrisch umschließenden, endseitig mit dem
Federstabteil drehfest verbundenen, hohlrohrförmigen Federstababschnitt,
wodurch die Einbaulänge des Drehfederstabs deutlich verkürzt und dadurch
das Bauvolumen des Schwingungstilgers nochmals signifikant verringert
wird.
Um die im allgemeinen linear gerichteten, dynamischen und statische
Kraftanteile auf einfache Weise in ein den Drehfederstab verspannendes
Torsionsmoment umzusetzen, ist der Drehfederstab gemäß Anspruch 3
zweckmäßigerweise einerseits über mindestens eine drehfeste Einspannung
und andererseits über einen Lastarm mit einer radial von der Stab-Längs
achse beabstandeten Gelenkstelle lastübertragend zwischen Bauteil und
Tragstruktur angeordnet. Dabei läßt sich die Biegespannung zwischen der
Krafteinleitung am Lastarm und der Einspannstelle des Drehfederstabs da
durch auf ein erwünschtes Maß reduzieren, daß der Drehfederstab an beiden
Enden abgestützt ist, und zwar nach Anspruch 4 zweckmäßigerweise nur an
einem Ende drehfest, am anderen jedoch drehbar, oder aber, wie nach An
spruch 5 bevorzugt, mit einer drehfesten Einspannung an beiden Dreh
federstab-Enden. Unter dem Aspekt einer möglichst großen Lebensdauer
kann es sich empfehlen, die erforderliche Federweichheit durch eine kombi
nierte Torsions- und Biegeverformung des Drehfederstabs in der Weise zu
erzielen, daß der Lastarm nach Anspruch 6 im wesentlichen mittig zwischen
den beiden Abstützstellen des Drehfederstabs angeordnet ist.
Eine weitere, besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht
nach Anspruch 7 darin, daß sich der Radialabstand zwischen der Gelenk
stelle und der Längsachse des Drehfederstabs und somit die Antiresonanz
frequenz des Schwingungstilgers veränderlich einstellen läßt, was nach An
spruch 8 auf baulich einfache Weise dadurch erreicht wird, daß der Dreh
federstab quer zur Stab-Längsachse verstellbar angeordnet und der Lastarm
in Verstellrichtung des Drehfederstabs begrenzt frei verschieblich mit der
Gelenkstelle verbunden ist. Alternativ läßt sich die Antiresonanzfrequenz
des Schwingungstilgers nach Anspruch 9 auf baulich ebenfalls sehr einfache
Weise aber auch dadurch verändern, daß die drehfeste Einspannung unter
Änderung der wirksamen Torsionsfederlänge des Drehfederstabs in Stab-
Längsrichtung verfahrbar angeordnet ist. Dabei wird die Querverschiebung
des Drehfederstabs bzw. die Längsverschiebung der Einspannstelle nach
Anspruch 10 vorzugsweise motorisch gesteuert, um so die Antiresonanz
frequenz des Schwingungstilgers der Erregerfrequenz kontinuierlich nach
zustellen, wie dies vor allem bei modernen Hubschraubern, die mit einer
variablen Rotordrehzahl betrieben werden, erwünscht ist.
Die Erfindung wird nunmehr anhand zweier Ausführungsbeispiele in Verbin
dung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schematisierter
Darstellung:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines mechanischen Schwingungs
tilgers nach der Erfindung;
Fig. 2 eine geschnittene Teilansicht eines gegenüber Fig. 1 modifizier
ten Schwingungstilgers im Bereich des Drehfederstabs; und
Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III der Fig. 2.
Der in den Fig. gezeigte Schwingungstilger ist zwischen einem dynamisch
erregten Bauteil 2 und einer Tragstruktur 4, z. B. dem Rotor-Getriebesystem
und der Zellstruktur eines Hubschraubers angeordnet und dient dazu, die
statischen Lastanteile L1, also die während des Flugs vom Rotorsystem er
zeugten Auftriebskräfte, an die Tragstruktur 4 zu übertragen, die dyna
mischen Lastanteile L2 hingegen von der Tragstruktur 4 fernzuhalten. Zu
diesem Zweck enthält der Schwingungstilger ein insgesamt mit 6 bezeichne
tes Hebel-/Pendelsystem sowie einen lastübertragend zwischen Rotorge
triebe 2 und Tragstruktur 4 angeordneten Drehfederstab 8, der an seinem
einen Ende über eine drehfeste Einspannung 10 und an seinem gegenüber
liegenden Ende über ein Drehlager 12 an der Tragstruktur 4 abgestützt und
im Bereich seines drehbar gelagerten Endes mit einem Lastarm 14 ein
schließlich einer von der Längsachse des Drehfederstabs 8 radial beabstan
deten Gelenkstelle 16 versehen ist, welche mit dem Rotorgetriebe 2 über
eine an diesem befestigte Strebe 18 in Verbindung steht.
Das Hebel-/Pendelsystem 6 besteht aus einem Übersetzungshebel 20, der im
wesentlichen parallel und längenkonform zum Drehfederstab 8 angeordnet
ist. An seinem einen Ende ist der Übersetzungshebel 20 über ein Drehgelenk
in Form eines Elastomerlagers 22 und einen Zwischenlenker 24 in Richtung
der statischen und dynamischen Lastanteile L1, L2 schwenkbar mit der
Tragstruktur 4 und über ein weiteres Elastomerlager 26 schwenkbeweglich
mit der Strebe 18 verbunden, während am freien Hebelende eine Pendel
masse 28 befestigt ist, wobei die freie Hebellänge im Hinblick auf ein großes
Übersetzungsverhältnis des Hebels 20 wesentlich größer als der gegen
seitige Abstand der Drehgelenke 22, 26 gehalten ist.
Die Eigenfrequenz des durch das Hebel-/Pendelsystem 6 und den Drehfeder
stab 8 gebildeten Feder-Massesystems ist so abgestimmt, daß die dabei er
zeugten Pendelkräfte gleich groß wie, aber entgegengesetzt zu den Erreger
kräften L2 gerichtet sind (Antiresonanzfall). Hierfür muß der Drehfederstab
8 eine geringe Federsteifigkeit, zugleich aber aus Lebensdauergründen eine
hohe Schwingungsfestigkeit besitzen. Wegen der in dieser Hinsicht günsti
gen Werkstoffeigenschaften ist er aus Titan hergestellt.
Für Anwendungsfälle mit variabler Erregerfrequenz, also etwa Rotor
systeme, die mit veränderlicher Rotordrehzahl betrieben werden, läßt sich
die Antiresonanzfrequenz des Schwingungstilgers der Erregerfrequenz da
durch nachsteuern, daß die drehfeste und die drehbare Abstützung 10, 12
des Drehfederstabs 8 mit Hilfe eines - in Fig. 1 nicht gezeigten - Stellan
triebs quer zur Federstab-Längsachse verstellbar an der Tragstruktur 4 ange
ordnet und die Gelenkstelle 16 in Richtung der Verstellbewegung des
Drehfederstabs 8 reibungsarm verschieblich in einem entsprechenden Lang
loch 30 des Lastarms 14 geführt ist, so daß sich der Radialabstand der
Gelenkstelle 16 von der Federstab-Längsachse und dementsprechend auch
die Torsionsbelastung des Drehfederstabs und damit die Eigenfrequenz des
Schwingungstilgers während des Betriebs in bestimmten Grenzen konti
nuierlich verändern läßt.
Die Fig. 2 und 3, in denen die dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechen
den Bauelemente durch ein um 100 erhöhtes Bezugszeichen gekennzeichnet
sind, zeigen eine modifizierte Ausführungsform eines Drehfederstabs 108 im
Bereich der einen Federstabhälfte. Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht
der Federstab 108 aus mehreren, zueinander konzentrischen Federstab
abschnitten, nämlich einem zentralen Federstabteil 32 und jeweils zwei
diesen auf jeder Seite mit radialem Abstand umschließenden, torsions
elastischen Federrohrteilen 34 und 36, die jeweils wechselweise (bei 38)
miteinander und mit dem zentralen Federstabteil 32 elektronenstrahl
verschweißt sind. Ferner ist der Lastarm 114 etwa in der Mitte des Dreh
federstabs 108 am zentralen Federstabteil 32 befestigt, so daß der Dreh
federstab 108 unter der Wirkung der in Längsrichtung der Strebe 118 gerich
teten Lastanteile L1 und L2 nicht nur torsions- sondern auch - wenn auch
nur in geringem Maße - biegeverformt wird, wodurch sich, verglichen mit
einer durchbiegungsfreien Abstützung des Drehfederstabs 108, die Feder
steifigkeit des Drehfederstabs 108 weiter reduzieren läßt.
Ein weiterer Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel liegt darin, daß
der Drehfederstab 108 an beiden Enden drehfest eingespannt ist, und zwar
jeweils über einen an der Tragstruktur 4 in Achsrichtung des Drehfederstabs
108 verschieblich geführten, mittels eines Spindeltriebs 40 verstellbaren
Lagerbock 42. Hierdurch läßt sich die freie Drehfederstablänge zwischen
Lastarm 114 und Abstützung 42 und somit die Eigenfrequenz des Schwin
gungstilgers während des Betriebs kontinuierlich verändern und der Er
regerfrequenz nachsteuern. In diesem Fall ist die Gelenkstelle 116 radial un
verschieblich am Lastarm 114 angeordnet und die Strebe 118 zum Ausgleich
der kreisbogenförmigen Bewegung der Gelenkstelle 116 quer zur Drehfeder
stabachse elastisch verformbar, wie dies in Fig. 3 durch den im Querschnitt
verjüngten Strebenabschnitt 44 angedeutet ist. Im übrigen ist die Bau- und
Betriebsweise des Schwingungstilgers nach den Fig. 2 und 3 die gleiche wie
beim ersten Ausführungsbeispiel.
Claims (10)
1. Mechanischer Schwingungstilger, insbesondere für einen Hubschrau
ber, bestehend aus einem zwischen einem dynamisch erregten Bauteil
und einer Tragstruktur angeordneten Feder-Massesystem mit einer
lastübertragend zwischen Bauteil und Tragstruktur wirkenden Feder
anordnung sowie einem einerseits mit dem Bauteil und andererseits
mit der Tragstruktur in Richtung der Bauteilerregung drehgelenkig
verbundenen, am freien Hebelende mit einer Pendelmasse versehenen
Übersetzungshebel,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Federanordnung aus einem im wesentlichen parallel zum Über
setzungshebel (20; 120) und diesen längenübergreifend angeordneten
Drehfederstab (8; 108) besteht.
2. Schwingungstilger nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Drehfederstab (108) aus einem zentralen Federstabteil (32) und
mindestens einem diesen konzentrisch umschließenden, endseitig mit
dem Federstabteil drehfest verbundenen, hohlrohrförmigen Federstab
abschnitt (34, 36) besteht.
3. Schwingungstilger nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Drehfederstab (8; 108) einerseits über mindestens eine drehfeste
Einspannung (10; 42) und andererseits über einen Lastarm (14; 114)
mit einer radial von der Stab-Längsachse beabstandeten Gelenkstelle
(16; 116) lastübertragend zwischen Bauteil (2; 102) und Tragstruktur
(4; 104) angeordnet ist.
4. Schwingungstilger nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Drehfederstab (8) am einen Ende (bei 12) drehbar abgestützt und
am entgegengesetzten Ende (bei 10) drehfest eingespannt ist.
5. Schwingungstilger nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
die drehfeste Einspannung (42) an beiden Enden des Drehfederstabs
(108) vorgesehen ist.
6. Schwingungstilger nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Lastarm (114) im wesentlichen mittig zwischen den Enden des
Drehfederstabs (108) angeordnet ist.
7. Schwingungstilger nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Radialabstand zwischen der Gelenkstelle (16) und der Längsachse
des Drehfederstabs (8) veränderlich einstellbar ist.
8. Schwingungstilger nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Drehfederstab (8) quer zur Stab-Längsachse verstellbar angeord
net und der Lastarm (14) in Verstellrichtung des Drehfederstabs be
grenzt frei verschieblich mit der Gelenkstelle (16) verbunden ist.
9. Schwingungstilger nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
die drehfeste Einspannung (42) zur Änderung der wirksamen Tor
sionslänge in Stab-Längsrichtung bezüglich des Drehfederstabs (108)
verfahrbar ist.
10. Schwingungstilger nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Querverschiebung des Drehfederstabs (8) bzw. die Längsverschie
bung der drehfesten Einspannung (42) motorisch gesteuert ist.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE1997111845 DE19711845C2 (de) | 1997-03-21 | 1997-03-21 | Mechanischer Schwingungstilger |
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Country | Link |
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FR2761439A1 (fr) | 1998-10-02 |
DE19711845C2 (de) | 1999-01-14 |
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