DE19711845C2 - Mechanischer Schwingungstilger - Google Patents

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.

Aus der DE 27 39 617 C2 ist eine Schwingungsisoliervorrichtung zum Verbinden eines Körpers mit einer schwingenden Masse bekannt, die eine Verbindungseinrichtung aufweist, die die schwingende Masse mit dem Körper koppelt. Die Verbindungseinrichtung weist einen gewichtsbela­ steten Hebelarm, Schwenkeinrichtungen und eine Federeinrichtung auf, die einerseits die Masse gegenüber dem Körper abstützt und andererseits eine Nullstelle im Übertragungsmaß der Schwingungsisoliervorrichtung bei einer bestimmten Schwingungsfrequenz festlegt. Dabei weist die Fe­ dereinrichtung eine oder mehrere Torsionsfedern auf, die koaxial zur Dreh­ achse der zweiten Schwenkeinrichtung angeordnet ist. An einem Ende der Torsionsfedern ist ein Hebelarm angeordnet, der orthogonal zur Torsions­ feder verläuft. Die Schwingungsisoliervorrichtung ist auf Aufhängeböcken befestigt. Dadurch sowie durch die Befestigung des gewichtsbelasteten Hebelarms an dem Gehäuse der Schwenkbefestigung mit dem Torsions­ stab, und durch die Anordnung des Hebelarms orthogonal zur Achse des Torsionsstabs, benötigt auch dieser Schwingungstilger einen relativ großen Einbauraum. Außerdem ist die Schwingungsisoliervorrichtung nach der DE 27 39 617 C2 aus verhältnismäßig viel Material gebildet, so daß diese Vorrichtung auch noch in Bezug auf das Gewicht ungünstig ist.

Aus der US 4,720,060 ist ein Schwingungstilger mit einer Drehstabfeder bekannt, der an seinem ersten Ende fest eingespannt ist und an seinem zweiten Ende verschieblich festgehalten wird. Die Drehstabfeder ist in dem Bereich, der nahe dem ersten Ende gelegen ist, relativ steif ausge­ bildet, während der restliche Teil aus flexiblem Material besteht. An dem steiferen Teil des Drehfederstabs ist die Halterung, die das schwingende Bauteil trägt, und ein schräg wegragender Arm mit einem Gewicht ein­ stellbar befestigt, an dessen freiem Ende ein Gewicht angebracht ist. Wenn der Drehstab auf Grund der dynamischen Anregung durch die Halterung, an der das schwingende Bauteil befestigt ist, in Schwingung versetzt wird, wird die Schwingung des Drehstabs auf den Arm mit dem Gewicht über­ tragen, das je nach der Stelle, an der der Arm mit dem Gewicht am Dreh­ federstab befestigt ist, Schwingungen des Drehfederstabs absorbiert. Die Anordnung nach der US 4,720,060 bewirkt jedoch nur eine relativ geringe Tilgung der Schwingungen des dynamisch erregten Bauteils, da das Über­ setzungsverhältnis relativ gering ist, da der Arm mit dem Gewicht im Ver­ hältnis zum flexiblen Teil des Drehstabs relativ kurz ist und auch im rela­ tiv spitzen Winkel zum Drehstab verläuft. Außerdem ist die Einstellung des Schwingungstilgers relativ aufwendig und ungenau, so daß dieser für einen Einsatz in der Luftfahrt nicht geeignet ist.

Die DE 30 06 762 A1 offenbart eine Aufhängung für ein Hubschrauber- Rotorgetriebe mit mehreren Dämpfungseinrichtungen. Zur Befestigung des Rotorgetriebes an jeweils einer Dämpfungseinrichtung ist ein Elastomer­ lager vorgesehen, an dem zwei balkenartige Trägerarme vorgesehen sind. An einem freien Ende der Trägerarme sind die Trägarme über weitere Ela­ stomerlager am Zellenbeschlag des Hubschraubers befestigt. Am anderen freien Ende der Trägerarme ist eine Tilgermasse vorgesehen, wobei die Trägerarme über eine im wesentlichen U-förmig gebogene Blattfeder dy­ namisch angeregt werden, deren eines Ende mit dem Getriebehäuse in Ver­ bindung steht, und deren anderes Ende an den Trägerarmen befestigt ist, und zwar auf der Seite, die dem Zellenbeschlag gegenüberliegt. Der Nach­ teil dieser Anordnung ist, daß sie hinsichtlich des Gewichts ungünstig ge­ staltet ist. Die DE 30 06 762 A1 offenbart in einer zweiten Ausführungsform eine Schwingungsdämpfungseinrichtung mit einem Außengehäuse und einem in diesem längsverschieblichen Innengehäuse, in dem eine Schwin­ gungsdämpfungsflüssigkeit eingebracht ist. Das Außengehäuse ist am Ge­ triebe befestigt, so daß sich die dynamische Erregung des Getriebes auf das Außengehäuse überträgt. Das Innengehäuse ist an der Hubschrauber­ zelle befestigt. Durch die dynamische Erregung des Getriebes und somit des Außengehäuses verschiebt sich das Innengehäuse nach Art eines Kol­ bens im Außengehäuse, wodurch die im Innengehäuse vorgesehene Schwingungsdämpfungsflüssigkeit vorgepumpt und zurückgesaugt wird. Dadurch ergibt sich eine Beschleunigung und Verschiebung von Massen mit gleicher Frequenz und Amplitude und entgegengesetzter Phasenlage, so daß die Schwingungen des Getriebes nicht auf die Hubschrauberzelle übertragen werden. Ein Nachteil dieser Anordnung ist ebenfalls, daß sie relativ schwer ist, da sie nicht nur das Innen- und Außengehäuse umfaßt, sondern als Schwingungsdämpfungsflüssigkeit vorzugsweise Quecksilber oder eine andere Flüssigkeit mit relativ großer Masse verwendet. Ein weiteres Problem dieser Schwingungsdämpfungseinrichtung ist, daß sie nur schwer auf die Eigenschwingungen des Getriebes einstellbar ist.

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 be­ anspruchten 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 statischen 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 Endei 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 Figuren 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 Hubschrauber, bestehend aus einem zwischen einem dynamisch erregten Bauteil (2, 102) und einer Tragstruktur (4, 104) angeordneten Feder-Masse-System

• 1. mit einer lastübertragend zwischen Bauteil (2, 102) und Tragstruktur (4, 104) wirkenden Federanordnung, die einen mit der Tragstruktur (4, 104) verbundenen Drehfederstab (8, 108) umfaßt,
• 2. mit einem Übersetzungshebel (20, 120), der an seinem freien Ende mit einer Pen­ delmasse (28) versehen ist und an seinem anderen Ende in Richtung der Bauteiler­ regung drehgelenkig mit der Tragstruktur (4, 104) verbunden ist und der parallel zu dem Drehfederstab (8, 108) verläuft, und
• 3. mit einem Lastarm (14, 114), der den Drehfederstab (8, 108) mit dem Überset­ zungshebel (20, 120) mechanisch verbindet und der mit dem dynamisch erregten Bauteil (2, 102) verbunden ist.

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.