DE2245964C3

DE2245964C3 - Mechanical steering aid for blade-controlled helicopter rotors

Info

Publication number: DE2245964C3
Application number: DE19722245964
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: Wirtz, Hans, Dipl.-Ing., 8000 München
Filing date: 1972-09-19
Publication date: 1976-03-04

Description

Die Erfindung betrifft eine mechanische Steuerhilfe für blattgesteuerte Hubschrauberrotoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. In den A b b. 1 und 2 ist das Steuermoment zur Blattverstellung am Rotor mit Ma, das diesem Moment entgegenwirkende Moment mit Mt bezeichnet. M_t setzt sich aus verschiedenen Anteilen in Abhängigkeit von der Rotorkonstruktion zusammen. Diese Widerstände erfordern bei großen Rotoren eine entsprechende Steuerunterstützung, da sonst die Steuerkräfte für den Piloten zu groß werden, bei kleineren Rotoren ist eine Steuerhilfe erwünscht, um dem Piloten die Arbeit zu erleichtern.The invention relates to a mechanical control aid for blade-controlled helicopter rotors according to the preamble of claim 1. In the A b b. 1 and 2, the control torque for blade adjustment on the rotor is designated by Ma, and the torque counteracting this torque is designated by Mt. M _t is made up of different parts depending on the rotor construction. In the case of large rotors, these resistances require appropriate steering assistance, since otherwise the steering forces for the pilot would be too great. In the case of smaller rotors, a steering aid is desirable in order to make the pilot's work easier.

Bekannt sind bisher hauptsächlich drei Methoden zur Steuerunterstützung, und zwarSo far, three main methods of tax support are known, namely

1. Hydraulik. Diese Methode ist die wirksamste, aber gleichzeitig hinsichtlich Gewicht, Platzbedarf, Herstellungskosten und Wartung die ungünstigste Methode.1. Hydraulics. This method is the most effective, but at the same time in terms of weight, space requirements, Manufacturing costs and maintenance the worst method.

2. Aerodynamische Steuerverstärkung mit Hilfsflügeln wie sie z. B. von der Firma Hiller bei ihren Hubschraubern angewandt wird. Diese Methode ist zwar günstiger als die Hydraulik, ist aber praktisch auf 2-Blattrotoren beschränkt, da die Übertragung der Hilfsftügelbewegungen auf die Blattsteuerung bei Mehrblattroioren sehr schwierig ist.2. Aerodynamic control reinforcement with auxiliary wings how they z. B. is used by the Hiller company in their helicopters. This The method is cheaper than hydraulics, but is practically limited to 2-blade rotors, because the transfer of the auxiliary wing movements to the blade control in multi-blade rotors is very high is difficult.

3. Schließlich ist noch eine mechanische Steuerunterstützung gemäß A b b. 1 bekannt, wie sie z. B. bei dem sehr bekannten Muster Bell 47 benutzt wird. Die Wirkung beruht darauf, daß ein bis zwei Umlaufgewichte 1, die mittels Verbindungsstange 2 an der Blattwurzel befestigt sind, unter der Wirkung der Zentrifugalkraft Z ein Steuerunterstützungsmoment Md erzeugen, was aus A b b. 1 unmittelbar entnommen werden kann. Unter der Annahme eines gemeinsamen Schwerpunktes für das Gewicht 1 und die Verbindungsstange 2 gilt mit m = Masse von 1:3. Finally, there is a mechanical steering assistance according to A b b. 1 known as z. B. is used in the well-known Bell 47 pattern. The effect is based on the fact that one or two rotating weights 1, which are attached to the blade root by means of a connecting rod 2, generate a control support torque Md under the action of the centrifugal force Z, which is derived from A b b. 1 can be taken immediately. Assuming a common center of gravity for weight 1 and connecting rod 2, with m = mass of 1:

Ma — I Ma - I

a^s sin 2 χ = K sin 2 αa ^s sin 2 χ = K sin 2 α

wobei ω die Winkelgeschwindigkeit des Rotors bedeutet. Geht man davon aus, daß ω praktisch immer konstant gehalten wird, so läßt sich M_d nur noch durch entsprechende Vergrößerung von m und α vergrößern. Aus konstruktiven und festigkeitsmäßigen Gründen sind aber hier Grenzen gesetzt, die eine Verwendung dieser sehr einfachen Methode bei großen Rotoren unmöglich machen.where ω is the angular speed of the rotor. Assuming that ω is practically always kept constant, M _d can only be increased by increasing m and α accordingly. For structural and strength reasons, however, there are limits here that make it impossible to use this very simple method with large rotors.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Schwierigkeiten durch Anwendung eines neuen Prinzips derart zu überwinden, daß Umlaufgewichte auch für große Rotoren anwendbar werden und auf kompliziertere Methoden wie Hydraulik oder aerodynamische Steuerunterstützung verzichtet werden kann.The invention is based on the object of the aforementioned difficulties by using a new principle to be overcome in such a way that rotating weights can also be used for large rotors and more complicated methods such as hydraulics or aerodynamic steering assistance can be dispensed with can.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.This object is achieved by the features specified in the characterizing part of claim 1.

Die Führungsachse kann entweder eine Stange sein, auf der eine in der Mitte durchbohrte zylindrische Scheibe gleitet oder sie ist eine zylindrische Hülse, in der eine entsprechende Scheibe nach Art eines Kolbens gleitet. Im ersten Fall ist eine Mutter mit Scheibe, im zweiten Fall ein Schraubdeckel in der Hülse zur Justierung der Federvorspannung bei Steuerausschlag Null vorgesehen.The guide axis can either be a rod on which a cylindrical bored through in the middle Disc slides or it is a cylindrical sleeve in which a corresponding disc in the manner of a piston slides. In the first case there is a nut with a washer, in the second case a screw cap is in the sleeve Adjustment of the spring preload when the control deflection is zero.

Damit bei niedriger Rotordrehzahl oder Rotorstillstand die Fliehgewichte nicht die Blätter berühren können, ist im Kugelgelenk ein federbelasteter Sperrstift enthalten, der oberhalb einer bestimmten Rotordrehzahl das Kugelgelenk freigibt, darunter aber das Kugelgelenk sperrt.So that the flyweights do not touch the blades when the rotor is running at low speed or when the rotor is at a standstill can, a spring-loaded locking pin is contained in the ball joint, which is above a certain rotor speed releases the ball joint, but locks the ball joint underneath.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind folgende:The advantages that can be achieved with the invention are as follows:

1. Erhebliche Vereinfachung und damit Verbilligung der Servosteuerung von Rotoren gegenüber hydraulischen oder aerodynamischen Servosteuerungen. Dadurch ergibt sich gleichzeitig eine Verbesserung der Zuverlässigkeit und eine Reduktion des Wartungsaufwandes für derartige Steuerungen.1. Significant simplification and thus lower cost of servo control of rotors compared to hydraulic ones or aerodynamic servo controls. This also results in an improvement the reliability and a reduction in the maintenance effort for such controls.

2. Gegenüber den starren Gewichten wie sie z. B. beim Hubschrauber Bell 47 verwendet werden, ergeben sich bei gleicher Wirksamkeit erhebliche Gewichtseinsparungen oder bei gleichem Gewicht eine erhebliche Vergrößerung des Steuerunterstützungsmomentes Md- 2. Compared to the rigid weights as z. B. are used in the Bell 47 helicopter, there are significant weight savings with the same effectiveness or a significant increase in the control support torque Md- with the same weight.

Zur Erläuterung des neuen Prinzips und seiner Vorteile dient A b b. 2. In dieser A b b. 2 ist zwecks Vereinfachung nur ein Fliehgewicht mit seiner Befestigung dargestellt. Fliehgewicht 3 ist längs Achse VA ver-A b b serves to explain the new principle and its advantages. 2. In this A b b. 2, only a flyweight with its attachment is shown for the sake of simplicity. Flyweight 3 is moved along axis VA

scbJeblich. Hülse 5 dient zur Führung des FliehgEwichtes 3. Feder 6 wirkt der Zentrifugalkraft des Fliehgewichtes 3 entgegen. Die Anordnung aus Fliehgewicht 3, Hülse 5 und Feder 6 ist über Kugelgelenk 4 an Verbindungsstange 2 befestigt. A b b. 2 stellt einen um den Steuerwinkel α ausgelenkten Zustand dar. Das zugehörige Rotorblatt ist zur Verbesserung der Übersichtlichkeit weggelassen. Die Steuerachse, um die sich das Rotorblatt bei Steuereingaben dreht, ist A-A, die Rolordrehachse ist B-B. Für 3c_o = Oentsprechend Nullstellung der Steuerung ist die Vorspannung der Feder 6 gerade so groß, daß die Federkraft gleich der Zentrifugalkraft Z₀' des Fliehgewichtes 3 und des Federgewichtes ist. Für α = a_max ist die Feder 6 voll zusammengedrückt bzw. erreicht das Fliehgewicht 3 den Anschlag. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß sich die Achse VA immer in Richtung der einwirkenden Zentrifugalkraft Z' also senkrecht zur Rotordrehachse B-B einstellen kann und sich das Fliehgewicht 3 über den gesamten Steuerweg —»max bis +»max längs seiner Achse VA verschieben kann.scbJeblich. Sleeve 5 is used to guide the centrifugal weight 3. Spring 6 counteracts the centrifugal force of the centrifugal weight 3. The arrangement of flyweight 3, sleeve 5 and spring 6 is attached to connecting rod 2 via ball joint 4. A b b. 2 shows a state deflected by the control angle α. The associated rotor blade has been omitted to improve clarity. The control axis about which the rotor blade rotates in response to control inputs is AA, the roller axis of rotation is BB. For 3c _o = O corresponding to the zero position of the control, the bias of the spring 6 is just so great that the spring force is equal to the centrifugal force Z ₀ 'of the flyweight 3 and the featherweight. For α = a _max , the spring 6 is fully compressed or the flyweight 3 reaches the stop. This arrangement ensures that the axis VA can always adjust itself in the direction of the acting centrifugal force Z 'so perpendicular to the rotor axis BB and the flyweight 3 can move over the entire control path - »max to +» max along its axis VA .

Durch Vergleich der Größen r — R und r' — R' in A b b. 1 und 2 kann man unmittelbar sehen, daß sich der Abstand des Fliehgewichtes 3 von der Rotordrehachse B-B wesentlich schneller vergrößert mit zunehmendem α als der des festen Gewichtes 1.By comparing the quantities r - R and r ' - R' in A b b. 1 and 2 one can see immediately that the distance of the flyweight 3 from the rotor axis of rotation BB increases significantly more rapidly with increasing α than that of the fixed weight 1.

Setzt man für das Steuerunterstützungsmoment der neuen Anordnung Mdges * K" sin 2 α, so folgt daraus, daß K^>" K sein muß, d. h., die neue Anordnung ist wesentlich wirksamer als die aite. Dies ist der Kern des neuen Prinzips und bedeutet praktisch eine weitergehende Ausnutzung der Rotationsenergie des Rotors für Servozwecke als bisher.If one sets Mdges * K " sin 2 α for the steering assistance torque of the new arrangement, it follows that K ^>" K must be, that is, the new arrangement is much more effective than the aite. This is the core of the new principle and practically means a more extensive use of the rotational energy of the rotor for servo purposes than before.

Unter Benutzung der Bezeichnungen in A b b. 2 und bei Annahme, daß das Gewicht 7 in A b b. 2 mit der Masse m* mit Ausnahme der Feder 6 alle nicht verschieblichen Teile der neuen Anordnung enthält und daß das Fliehgewicht 3 und die Feder 6 einen gemeinsamen Schwerpunkt haben, der sich unter der Wirkung von Z' längs VA verschiebt, zeigt man leicht mit /„ = Vorspannweg der Feder 6 und c — ihre Federkonstante, daßUsing the terms in A b b. 2 and assuming that the weight 7 in A b b. 2 with the mass m * with the exception of the spring 6 contains all non-displaceable parts of the new arrangement and that the flyweight 3 and the spring 6 have a common center of gravity, which is displaced along VA under the action of Z ' , can easily be shown with / "= Preload travel of the spring 6 and c - their spring constant that

M_dge, = M_d + Ma (2) M _dge , = M _d + Ma (2)

mit Ma = Steuerunterstützungsmoment von 7,
Md = Steuerunterstützungsmoment von 3 + 6.with Ma = tax support torque of 7,
Md = tax support torque of 3 + 6.

Wegen der Drehung der Hülse S gegenüber Verbindungsstange 2 mit zunehmendem λ sind α und a' in A b b. 2 nicht genau konstant. Dieser Umstand wurde hier zur Vereinfachung vernachlässigt und α und ά als konstant angenommen. Damit ergibt sich aus (2):Because of the rotation of the sleeve S relative to the connecting rod 2 with increasing λ, α and a 'are in A b b. 2 not exactly constant. This fact has been neglected here for the sake of simplicity and α and ά assumed as constant. This results from (2):

Mdges =Mdges =

+ ^m»^c (^a + ^a') ² I₁ _+ ^m » ^c ( ^a + ^a ') ² I ₁ _

C-ZM₀CU''C-ZM ₀ CU '' SvSv

ψ{α + α'Ϋ "sin²"« + R² ψ {α + α'Ϋ "sin ² " «+ R ²

₌₌— I sin 2 ₌₌ - I sin 2

wobei mg die Masse von 3 + 6 ist. Entsprechend den über die Feder 6 gemachten Angaben muß f_r in (3)where mg is the mass of 3 + 6. According to the information given about spring 6, for _r in (3)

_ Z'Ox =_ Z'Ox =

Jv — - Jv - -

mgmg

(4)(4)

sein. Daraus folgt, daß die neue Anordnung um so wirksamer sein wird, je kleiner /„ ist, d. h. je dichter das Kugelgelenk 4 in A b b. 2 an die Rotordrehachse B-B herangebracht wird.being. It follows that the new arrangement will be all the more effective the smaller / "is, ie the closer the ball joint 4 in A b b. 2 is brought to the rotor axis of rotation BB .

Beachtet man, daß der Ausdruck 1 — /_t,/]/7.T sich wegen sin²a nicht sehr stark mit α ändert, so kann man (3) auchIf one observes that the expression 1 - / _t , /] / 7.T ^{does not change very strongly with α because of sin 2} a, one can also use (3)

M_di M _di

'.gei'.gei

K" sin 2 « K " sin 2"

(5)(5)

schreiben.to write.

Bei gegebenen Platzverhältnissen und ω hängt K" nur noch von der richtigen Wahl des Fliehgewichtes 3 und der Federkonstanten c. ab. Selbstverständlich kann K" in der Praxis nicht beliebig groß werden, was nach (3) theoretisch möglich wäre, wenn c — m_güj'* gegen Null geht, weil dann der erforderliche Weg für das Fliehgewicht 3 auch beliebig groß würde, was aus Platzgründen unmöglich ist.Given the available space and ω, K " only depends on the correct choice of the flyweight 3 and the spring constant c. Of course, K" cannot be arbitrarily large in practice, which would theoretically be possible according to (3) if c - m _g üj '* goes to zero, because then the required path for the flyweight 3 would also be arbitrarily large, which is impossible for reasons of space.

Ein Ausführungsbeispiel zeigt A b b. 3. Hier wurden die festen Gewichte eines bereits existierenden Heckrotors durch die Fliehgewichte 3 gemäß Erfindung ersetzt, wobei das Gewicht der gesamten Anordnung 10 in A b b. 3 gleich dem Gewicht der usprünglichen festen Gewichte ist. Dabei wurde ein K" = 4,6 K errechnet, d. h., die nach dem neuen Prinzip konzipierte Anordnung 10 in A b b. 3 liefert bei gleichem Gewicht und nur unwesentlich größeren Abmessungen ein 4,6mal größeres Steuerunterstützungsmoment als die alte Anordnung mit festen Gewichten. Hierbei wurde keine Optimierungsbetrachtung angestellt. Bei entsprechenden Optimierungsrechnungen ist mit noch besseren Ergebnissen zu rechnen. Ebenfalls ist durch nichtlineare Federgestaltung ein Ausgleich nichtlinearer Momente Mt möglich. An exemplary embodiment is shown in A b b. 3. Here the fixed weights of an already existing tail rotor have been replaced by the flyweights 3 according to the invention, the weight of the entire arrangement 10 in A b b. 3 is equal to the weight of the original fixed weights. A K "= 4.6 K was calculated, ie the arrangement 10 in A b b. 3, designed according to the new principle, delivers a control support torque 4.6 times greater than the old arrangement with fixed weights with the same weight and only slightly larger dimensions No optimization considerations were made here. With corresponding optimization calculations, even better results can be expected. Equalization of non-linear moments Mt is possible through non-linear spring design.

Damit die neue Anordnung 10 gemäß A b b. 3 bei niedriger Rotordrehzahl bzw. Rotorstillstand nicht das Rotorblatt beschädigen kann, ist im Kugelgelenk 4 ein federbelasteter Sperrstift 8 vorgesehen, der das Kugelgelenk 4 unterhalb einer bestimmten Rotordrehzahl sperrt (siehe Abb. 4).So that the new arrangement 10 according to A b b. 3 not at low rotor speed or rotor standstill can damage the rotor blade, a spring-loaded locking pin 8 is provided in the ball joint 4, which the Ball joint 4 locks below a certain rotor speed (see Fig. 4).

Die erforderliche Vorspannung der Feder 6 bei cn = 0 kann mit dem Deckel 9 gemäß A b b. 3 erreicht werden. Deckel 9 ist auf die Hülse 5 aufgeschraubt.The required preload of the spring 6 at cn = 0 can be achieved with the cover 9 according to A b b. 3 can be achieved. The cover 9 is screwed onto the sleeve 5.

Hierzu 3 Blatt ZeichnungenFor this purpose 3 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Mechanical control aid for blade-controlled helicopter rotors, consisting of a connecting rod attached to the blade root at right angles to the blade adjustment axis and parallel to the rotor axis of rotation with at least one weight at its free ends, characterized in that the weight (10) has a ball joint (4) on the Connecting rod (2) has mounted carrier (sleeve 5), by means of which a flyweight (3) is held displaceably in the direction of the carrier axis {VA) against the force of a spring (6) under the effect of the centrifugal force (Z ') occurring during blade rotation, the spring being dimensioned so that when the blade control is in zero position, the flyweight is held on the stop adjacent to the ball joint and, when the control deflection is at its maximum, on the other stop of its total travel.

2. Mechanical control aid for blade-controlled helicopter rotors according to claim 1, characterized characterized in that the flyweight (3) is either connected to a ball joint (4) Rod or in a sleeve (5) connected to the ball joint, the conclusion the rod is an adjustable nut, the end of the sleeve is an adjustable screw cap (9), both of which allow the spring preload of the spring (6) to be adjusted.

3. Mechanical control aid for blade-controlled helicopter rotors according to claims 1 and 2, characterized in that the ball joint (4) contains a spring-loaded locking pin (8) which this joint locks below a desired rotor speed, but releases above it.