DE2221490A1 - Automatik fuer den verzoegerungsfreien, vollstaendigen rueckdrehmomentausgleich fuer hubschrauber mit einem wellengetriebenen hauptund einem heckrotor mit neuartiger durch die automatik bedingter sicherheitsseitensteuerung - Google Patents

Description

• Automatik für den verzögerungsfreien, vollständigen Rückdrehmomentausgleich für Hubschrauber mit 1 wellengetriebenen Haupt- und 1 Heokrotor mit neuartiger, durch die Automatik bedingter Sicherheitsseitensteuerung.
• Beschreibung.
• er einrotorige Hubschrauber mit Rückdrehmomentausgleich durch den Heckro-tor ist aufgrund seines einfachen Aufbaus der preisgünstigste.
• Diesem Vorteil steht ein wesentlicher Nachteil entgegen, der bisher eine weitere Verbreitung verhindert und eine damit verbundene größere und billigere Auflage unmöglich gemacht hat.
• Es handelt sich um das Ausgleichen des mit dem Flugzustand des Hubschraubers wechselnden Rückdrehmoments durch den Piloten.
• Abgesehen von der längeren Ausbildungszeit und den damit etwa fünfmal höheren Kosten gegenüber einem leistungsmäßig etwa vergleichbaren Flächenflugzeug ist es gerade das verwickelte Zusammenspiel verschiedener Steuerelemente, das potentielle Käufer vom Kauf eines Hubschraubers fernhit.
• Diese Schwierigkeiten sind von den Hubschrauberfirmen selbstverständlich erkannt worden.
• Versuche, das Xiickdrehmoment automatisch auszugleichen, wurden ebenfalls unternommen.
• Bekannt ist von der amerikanischen Firma Hiller, daß sie' versucht hat, den Überdruck zwischen Axialverdichter und Brennkammer einer Gasturbine anzuzapfen und auf den federbelasteten Kolben eines Verstellzylinders zu leiten.
• Ii cihnlicher Weise wiirde auch der Ansaugunterdruck bei Kolbenmotoren auf umgekehrt federbelastete Kolben von Verstellzylindern geleitet.
• (Beschreibung) Beide Systeme weisen jedoch entscheidende Nachteile auf, die sie im Endeffekt für einen generellen Einbau untauglich machen: Sie arbeiten nicht verzögerungsfrei und auch nicht genau proportional.
• Dies läßt sich ganz einfach an der Tatsache nachweisen, daß nach obigen Systemen die Heckrotorblattverstellung für des gleiche Drehmoment immer auch gleich ist.
• Ob jedoch z.B. das maximale Drehmoment im Schwebeflug anliegt oder ob dies im Schnellflug der Fall ist, vermag von diesen Systemen nicht unterschieden werden.
• So, wie der Hauptrotor Im Schnellflug einen höheren Auftrieb abgibt, verhlt es sich gleichermaßen ist dem Quertrieb des Heckrotors.
• ist ist also klar, daß bei Schnellflug ein geringerer Verstellbetrag ftir den RückdrehMomentausgleich notwendig ist.
• Das vorliegende System, für welches das Patent beantragt wird, geht von ganz anderen Voraussetzungen aus.
• Hier wird das Drehmoment, das am Hauptrotor herrscht und das auch die Größe des Rückdrehmoments bestimmt, direkt als Maß für die Heckrotorblattverstellung benützt.
• In den Antriebssystem zwischen Motor oder Gasturbine einerseits und dem Hauptrotor andrerseits ist ein - im Betrieb- antriebsdrehmomentbelastetes oder -übertragendes Maschinenteil1so eingebaut, daß es unter Belastung Schwenk- oder (und) Verschiebebewegungen ausführen kann.
• ls Beispiel wurde der Planetenträger1eines als Untersetzungsgetriebe vorgesehenen Planetensatzes gewählt, der schwenkbar und nicht gehäusefest eingebaut ist.
• Das Maschinenteil darf jedoch nur begrenzte Schwenk- oder (und) Verschiebebewegungen ausführen, damit es überhaupt zum Antrieb kommt. (Würde der Planetenträger nicht festgehalten, so würde er zu rotieren anfangen, und suf die Hauptrotorwelle kame überhaupt kein Drehmoment.) Das Maschinenteil wird daher in geeigneter gleise zuruckgehalten.
• (Beschreibung) Die Rückhaltekraft greift so an, daß der Kraftangriffspunkt immer einen direkten (r) oder rechnerischen (reff) Abstand, der konstant bleibt, zur Hauptrotordrehachse hat.
• Dies bedeutet, daß die Rückhaltekraft Zr= -Pu ist.
• Pu ist die am Kraftangriffspunkt herrschende Umfangskraft.
• -Pu . r oder-Pu . reff = Md Hauptrotor .
• Die Figur 1 zeigt, daß die Heckrotorwelle 2 längsverschieblich gelagert ist.
• Sie wird von einer Hohlwelle3mitgenommen.
• Die Hohlwelle 3 wird angetrieben.
• Beide Wellen, Hohl-3 und Heckrotorwelle 2 , haben einander entsprechende, halbkreisförmige Längsnuten 4 .
• Diese sind mit Kugeln gefüllt, die den Formschluß bewirken.
• Von der Hohlwelle 3 führen Stößel 5 , deren Länge im Flug nicht verstellbar ist, zu den Heckrotorblattverstellhebeln.
• Das Heckrotorblattprofil ist druckpunktfest.
• Soll der Heckrotor 6 einen Zug Z erbringen, muß die Heckrotorwele2 mit der gleich großen Kraft zurückgehalten werden.
• Hierfür bietet sich die Umfangskraft Pu, bzw. die Rückhaltekraft Zr an, Beide Kräfte Pu und Z sind einander entgegengerichtet.
• Außerdem sind sie nicht gleich groß.
• Es-besteht aber ein ganz bestimmtes Verhältnis zwischen beiden.
• Wenn R der senkrechte Abstand zwischen Haupt- und Heckrotordrehachse ist, dann gelten folgende Gleichungen: -Pu. r = Md Hauptrotor Z R Md Hauptrotor (bei RückdrehmomentauEgleich) daraus folgt -Pu. r = Z . R (Beschreibung) Laut Konstruktion sind r bzw. reff und R konstant.
• Es ist daher p Z.R u r daher Die Figur 1 zeigt, daß Pu und Z miteinander verbunden sind.
• Zwischengeschaltet ist ein Hebelsystem, bestehend aus 2 einarmigen Hebeln 7 u. 8.
• Jeder der beiden Hebel hat ein Untersetzungsverhältnis Diese Anordnung, also die Verbindung der Umfangskraft Pu mit dem Heckrotorzug Z unter Zwischenschaltung einer Übersetzung bzw. Untersetzung im Verhältnis R/r bzw.
• genügt theoretisch für den Rückdrehmomentausgleich.
• Maßungenauigkeiten bei der Fertigung und -wohl geringfügige-Reibungen bei den Ausgleichbewegungen machen es notwendig, diese Automatik @ustrimmen zu können.
• Daher ist der HebelS als Verstellhebel ausgeführt.
• Verändert man absichtlich eine gut ausgewogene Automatik dieser Art durch Verkleinern oder Vergrößern von kommt es zu Drehbewegungen um die Hauptrotordrehachse.
• Dies bedeutet: Durch gewolltes Verändern von iges kann man den Hubschrauber um die Hochachse steuern.
• Die Figur 1 zeigt die Pedale 9 u. 10, von denen über ein Gestänge 11 die Kolbenstange m. Kolben 12 eines rahmenfesten Mittelstellungszylinders 13 betätigt wird.
• Wird das rechte Pedal 9 getreten, fließt Öl zu dem Hebel 8 . iges = r ( x = Verstellweg) R - x (Beschreibung) Damit wird Pu scheinbar größer. Die Heckrotorwelle 2 folgt diesem stärkeren Zug, bis durch die hierbei sich vergröernde Anstellung der Heokrotorblätter wieder Gleichgewicht herrscht. Z . R > Md Heckrotor Z . R ist nun größer als für den Rückdrehmomentausgleich erforderlich. Es kommt zu einer Drehbewegung um die Hauptrotordrehachse im Uhrzeigersinne - also nach rechts.
• Auch in dieser Situation bleibt der automatische Riickdrehmomentausgleich wirksam.
• r Sinngemäß gilt das gleiche, wenn iges= (x=Verstell-R + x weg).
• Bei Motor- oder Triebwerk£iusfall ist Pu = ° Auch der Heckrotorzug geht auf Z = 0 Die Steuerung im vorbeschriebenen Sinne ist nun nicht mehr möglich.
• Um den Hubschrauber weiterhin seitensteuerfähig zu halten, führt das von den Pedalen 9 u. 10 kommende Gestänge 11 durch den Mittelstellungszylinder 13 unter Zwischenschaltung der Kolbenstange 12 desselben weiter zu dem 2-armigen Hebel 14.
• Dieser Hebel 14 wird bei Steuerbewegungen immer mitbewegt.
• An seinem anderen Ende tragt er einen Mittelstellungszylinder 15 , dessen Kolbenstange 16 Hebel » und 8 verbindet.
• Die beiden durch den Kolben dieses Mittelstellungszylinders 15 gebildeten Kammern sind mit einem durch ein Absperrventil 17 verschließbaren Überströmkanal verbunden.
• Bewegt sich der Mittelstellungszylinder 15 am Ende des 2-armigen Hebels 14 gegenüber dem Kolben, fließt Öl durch uen Überströmkanal.
• Dies ist der Fall solange der Motor (Triebwerk) läuft und die Automatik arbeitet.
• Bei Ausfall des Antriebs wird das Absperrventil 17 des Überströmkanals geschlossen. Gleichzeitig versperren 2 3-Wege- (Beschreibung) ventile 18 die beiden Zuleitungen 19 zu dem Verstellzylinder20des Hebels 8 und geben die Querverbindung zwischen den beiden Zuleitungen aB frei.
• Der Hebel 8 hat nun ein gleichbleibendes Übersetzungsverhältnis, Andrerseits kann das Öl des Mittelstellungszylinders 13 bei Kolbenbewegungen beim Steuern ungehindert hin und her fließen.
• ur durch das Umschalten von 1 Absperr- und 2 3-Wegeventilen, das gleichzeitig erfolgt, wird das eine Steuersystem ein- und das andere ausgeschaltet.
• Daß auch hierfüß von dem Piloten keine Aufmerksamkeit notwer-dig verlangt wird, zeigt ein weiterer Blick auf A?igur 1.
• Das Umschalten der genannten drei Ventile erfolgt ebenfalls autoluatisch.
• Das Lager21 des IIebels 7 ist verschiebbar angeordnet.
• Da Pu eine relativ große Kraft ist, geschieht dieses Verschieben unter Überwindung einer starken Feder 22.
• Der Federdruck ist so bemessen, daß ein Mindestdrehmoment vorhanden sein muß, das für einen gesteuerten Sinkflug ausreicht.
• Ist dies der Fall, bewegt sich das Lager 21 und ninmt einen Gleitbolzen 23 mit, an dessen Ende sich ein gabelartiger Mitnehmer befindet.
• Ein Winkelhebel24 greift mit einem Zapfen in diesen Mitnehmer.
• Bei der Verschiebebewegung des Lagers21 verstellt der Winkel-hebel 24 über eine Stange 25 die 3 Ventile 17 u. 18.
• Bei Triebwerkausfall wird Pu=0 und die Feder22 drückt das Lager in Ausgangsstellung zurück, wobei die Ventile wieder ihre ursprüngliche Stellung vor dem Start einnehmen.

Claims (11)

Patentanspruch: Automatik für den verzügerungsfreien, vollständingen Rückdrehmomentausgleich für Hubschrauber mit 1 wellengetriebenen Haupt- und 1 Heckrotor mit neuartiger durch die Automatik bedingter Sicherheitsseitensteuerung gekennzeichnet durch die folgenden, an sich bekannten merkmale 1 - 11, deren Zusammenwirken selber ein kennzeichnendes Merkmal der beanspruchten Automatik ist.

1. In dem Antriebs system zwischen Motor oder Gasturbine einerseits und dem Hauptrotor andrerseits ist ein - im Betrieb - antriebsdrehmomentbelastetes oder =übertragendes Maschinenteil (1) so eingebaut, daß es unter Belastung Schwenk- oder (und) Verschiebebewegungen durchführen Wirde, wenn es nicht in geeigneter Weise zurückgehalten würde, sodaß nur noch begrenzte Schwenk- oder (und)Verschiebebewegungen möglich sind.

2. Die Heckrotorwelle (2) ist in einer angetriebenen, rahmenseitig axial fixierten Hohlwelle (3) langsverschieblich gelagert.

Sie wird mit der Kraft -Z zurückgehalten. Z ist die Heckrotorzugkraft.

3. Von der Hohlwelle (3) gehen Stößel (5), die im Fluge nicht verstellbar sind, zu den Heckrotorblattverstellhebeln.

4. Das Heckrotorblättprofil ist druckpunktfest.

5. Die das Maschinenteil (1) zurückhaltende Kraft Zr = Pu.

ist die am Angriffspunkt der Kraft Z r wirksame Umfangskraft. Dieser Kraftangriffspunkt hat auch bei Schwenk-oder (und) Verschiebebewegungen des Maschinenteils (1) immer den gleichen, direkten r oder rechne-rischen r eff Abstand zur Hauptrotordrehachse.

-Pu. r , bzw.-Pu. reff = Md Hauptrotor ( r soll weiterhin auch dort gelten, wo es sich nur um den rechnerischen Abstand reff handeln kann) (Patentanspruch)

6. Pu und Z sind unter Zwischenschaltung einer - von aus gesehen - Untersetzung miteinander verbunden.

R ist der senkrechte Abstand zwischen Haupt- und Heckrotordrehachse.

7. Der Heckrotorsug Z folgt jeder Zu- oder Abnahme des Hauptrotordrehmoments Md Hauptrotor, weil durch den damit r verbundenen, größeren oder kleineren Zug Pu R die Heckrotorwelle (2) einmal dem größeren Zug Pu r/R folgen und dabei den Anstellwinkel der Heckrotorblätter solange vergrößern wird, bis das zunehmende Z = dem größeren-P.r/R ist.

Zum andern Male wird die Heckrotorwelle (2) bei kleinerem Pu r/R dem Heckrotorzug Z folgen und diesen vermindern, bis durch den verringerten Anstellwinkel der Heckrotor--Z.R blätter Pu = geworden ist.

r Für den durch die Automatik bewirkten Rückdrehmomentausgleich gilt daher die Formel Pu r - Md Hauptrotor Z R .

Daraus folgt, daß aufgrund der Anordnung der die Automatik kennzeichnenden Merkmale 1-6 und der dadurch hervorgerufenen Wechselwirkungen ein vollständiger und verzögerungsfreier Rückdrehmomentausgleich erreicht wird.

8. Die Untersetzung r/R kann durch entsprechende Vorrichtungen, beispielsweise eines Verstellhebels (8) Fig. 1 r r so verändert werden, daß man iges = , bzw. er-R-x R+x hält, wobei x der Verstellweg ist.

Hierdurch wird die Automatik ausgetrimmt oder der Hubschrauber um die Hochachse gesteuert.

Neben hydraulischen, bieten sich auch mechanische und elektromotorische Verstellsysteme an, die auch kombiniert werden können.

(Patentanspruch)

9. Bei Motorausfall übernimmt eine Notsteuerung die Stelle der beanspruchten Steuerung dadurch, daß durch den nachlassenden Zug Pu,der 1000 kp und mehr betragen kann, Betätigungsfedern entspannt werden, die das Lösen und Schließen von Kupplungen, das Umschalten von elektromechanischen Maschinenelementen oder - Siehe Figur 1 -das Umsteuern von Hydraulikventilen (17) (18) in dem Sinne vornehmen, daß Elemente der Automatik, die bei Motorausfall unwirksam und hinderlich waren, abgeschaltet oder abgekuppelt und solche der Not steuerung eingeschaltet oder eingekuppelt werden.

Da sich hier vielerlei Lösungen anbieten, kann hier nur auf die Figur 1 verwiesen werden, wo durch Umsteuern von nur 3 Hydraulikventilen (17) (18), ausgelöst durch den nachlassenden Zug Pu, ein ganz anderes Steuersystem zur die Seitensteuerung eingeschaltet wird.

10. das Maschinenteil (1) ist eine ein- oder mehrgängige Schneckenwelle eines modernen, schnellaufenden Schneckengetriebes, die längsverschieblich gelagert ist. Das Schneckenrad treibt die Itauptrotorwelle direkt an.

11. Das Maschinenteil (1) ist eine Verschiebemuffe, die die beiden Enden einer geteilten Welle - nicht die Hauntrotorwelle - verbindet. Verschiebemuffe und Wellenenden tragen im Querschnitt halbkreisförmige Nuten, die eineander entsprechen. Diese Nuten verlaufen auf dem einen Wellenende achsparallel, auf dem andern jedoch steilgewindeförmig.

Liegt ein Drehmoment an, wird sich die Verschiebemuffe über das Wellende mit den steilgewindeförmigen Nuten schrauben, bis die Verschiebemuffe axial (durch eine Scilaltgabel etwa) festgelegt wird. Die axiale Kraft ax hat nun einen rechnerischen Abstand reff zur Hauptrotordrehachse.

Le e r s e i te