DE2623629A1

DE2623629A1 - Drehmoment-messvorrichtung fuer einen hubschrauber

Info

Publication number: DE2623629A1
Application number: DE19762623629
Authority: DE
Inventors: James Richard Garrison; Robert Wallace Metzger; Herman Hollis Waldrup
Original assignee: Textron Inc
Current assignee: Textron Inc
Priority date: 1975-05-29
Filing date: 1976-05-26
Publication date: 1976-12-09
Also published as: JPS51147367A; IT1057497B; GB1511749A; FR2312768A1; FR2312768B1; US4083518A; DE2623629C2; CA1058413A; JPS6015884B2

Description

UEXKÜLL 3. 3TOLBERG PATENTANWÄLTE

2 HAMBURG 52

BESELERSTRASSE 4

DR. J.-D. FRHR. von UEXKÜLL DR. ULRICH GRAF STOLBERG

_ . ._ . DIPL.-JNG. JÜRGEN SUCHA

Textron Inc. (Prio: 29. Mai T975

40 Westminster Street ^{US 581 825} " ^13O26> Providence_f Rhode Island / V.St.A.

Hamburg, den 25. Mai 1976

Drehmoment-Meßvorrichtung für einen Hubschrauber

Die Erfindung betrifft eine Drehmoment-Meßvorrichtung für einen Hubschrauber, insbesondere für einen Hubschrauber mit einem einzigen Hauptrotor und einem Hauptrotormast, an dessen Basis ein Antrieb angeschlossen ist und auf dessen Spitze der Hauptrotor sitzt.

Der Hauptrotor und der Heckrotor eines Hubschraubers werden üblicherweise über ein Getriebe von einem oder mehreren Motoren mit flachem Drehmomentenverlauf angetrieben. Dabei ist das Getriebe im allgemeinen so ausgelegt, daß dem Hauptrotor ein wesentlich kleineres Drehmoment zuführbar ist, als es der Motor liefert. Die vom Motor abgegebene Leistung wird über ein Getriebe getrennt steuerbar an den Hauptrotor und an den Heckrotor zur Einstellung oder Aufrechterhaltung eines gewünschten Flugzustandes übertragen.

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Es ist bereits bekannt, das abgegebene Motordrehmoment an der Motorabgabewelle, also vor dem Getriebe zu messen. Das von den Motoren abgegebene Drehmoment wird auf diese Weise gemessen und auf einem Steuerpult angezeigt, wobei ein Grenzwert für den normalen Betriebszustand beispielsweise als roter Strich auf einer Skala angedeutet ist, der die maximal sicher übertragbare Leistung angibt. Bekannte derartige Meßgeräte werden daher von einem Signal angesteuert, das der jeweiligen tatsächlich an das Getriebe abgegebenen Leistung entspricht. Dadurch ist der Pilot in der Lage, den Antrieb so zu steuern, daß die Leistungsfähigkeit der Kraftübertragung vom Motor zum Haupt- und Heckrotor nie überbeansprucht wird.

Die vom Motor abgegebene Leistung wird entsprechend der Steuersignale vom Piloten zwischen Haupt- und Heckrotor aufgeteilt.

In manchen Flugzuständen benötigt der Heckrotor jedoch zusätzlich mehr Leistung. Von der gesamten vom Motor abgegebenen Leistung verbraucht das Getriebe etwa 5 %. Im Schwebeflug benötigt der Heckrotor 10 % der abgegebenen Leistung, und es verbleiben somit 85 % der abgegebenen Leistung für den Hauptrotor.

In manchen Flugzuständen benötigt der Heckrotor jedoch keine Leistung, während das Getriebe weiterhin 5 % ver-

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braucht. Dann stehen 95 % für den Hauptrotor zur Verfügung, ohne daß das Getriebe überbeansprucht wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Drehmoment-Meßvorrichtung zu schaffen, mit der das tatsächlich an den Hauptrotor übertragene Drehmoment meßbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient eine Drehmoment-Meßvorrichtung der eingangs erwähnten Art, welche gekennzeichnet ist durch ein an der Spitze des Hauptrotormastes befestigtes, frei herabhängendes und sich koaxial über die Länge des Hauptrotormastes bis in die Nähe von dessen Basis erstreckendes starres Teil, durch ein auf dem starren Teil in der Nähe der Basis sitzendes erstes drehbares Teil, durch ein an der Basis am Hauptrotormast montiertes zweites drehbares Teil und durch eine Meßeinrichtung zum Messen der Relativbewegung der beiden drehbaren Teile.

Dadurch ist die tatsächlich an den Hauptrotor übertragene Leistung anzeigbar. Benötigt der Heckrotor im Schwebeflug Leistung, dann sind die Motoren vom Piloten derart steuerbar, daß die maximal mögliche Leistung über das Getriebe genützt und direkt an den Hauptrotor übertragen wird, wodurch die von einem Hubschrauber tragbare Nutzlast bei einer bestimmten Schwebehöhe oder die erreichbare Schwebehöhe für eine bestimmte Nutzlast wesentlich gesteigert werden können.

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Da die Motordrehzahl von Hubschraubern üblicherweise konstant gehalten wird, entspricht das Drehmoment der Motorleistung.

Gemäß Erfindung weist ein Hubschrauber mit einem Antrieb für einen Hauptrotormast und einem Heckrotor am Hauptrotormast eine Drehmoment-Meßvorrichtung auf, deren Meßwert auf dem Armaturenbrett zusätzlich zu der vom Motor an das Getriebe abgegebenen Leistung aufgezeichnet wird und eine optimale Ausnützung der verfügbaren Leistung gestattet.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist ein hohler Hauptrotormast an seinem unteren Ende angetrieben und besitzt an seinem oberen Ende eine Hauptanschlußnabe mit einem daran befestigten, sich zum unteren Ende des Hauptrotormastes erstreckenden Meßrohr mit einer Meßeinrichtung zum Messen der Lage des unteren Endes des angetriebenen Hauptrotormastes und des unteren Endes des Meßrohrs zur Feststellung des an den Hauptrotormast übertragenen Drehmoments sowie mit einer Anzeigeeinrichtung für die Größe des Drehmoments.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert; es zeigen:

Figur 1 einen schematisch dargestellten Hubschrauberantrieb mit zwei Motoren;

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Figur 2 einen Schnitt durch einen Hauptrotormast mit der erfindungsgemäßen Drehmoment-Meßvorrichtung ; und

Figur 3 zwei die mit der erfindungsgemäßen Drehmoment^un Meßvorrichtung erzielbare Leistungssteigerung darstellende Diagramme.

Figur 1 zeigt die Hauptteile einer Kraftübertragung in einem Hubschrauber. Die Motoren 10 und 11 sind mittels der Wellen 13 und 14 an ein Getriebe 12 angeschlossen. Das Getriebe treibt einen Hauptrotormast 15 und eine zum Heckrotor führende Welle 16.

Die Motoren 10 und 11 laufen üblicherweise mit konstanter Drehzahl, wobei Änderungen in der Leistungsanforderung durch die Steuerung des Haupt- und des Heckrotors bedingt sind. Für die Piloten werden die Drehmomente an den Wellen 13 und 14 üblicherweise auf einem Meßinstrument im Cockpit angezeigt. Wie bereits erwähnt, können die Motoren 10 und 11 normalerweise wesentlich mehr Leistung abgeben, als das Getriebe 12 an die Wellen 15 und 16 übertragen kann. Es soll jedoch die größtmögliche vom Getriebe 12 abgebbare Leistung genutzt werden, und es hat sich dazu als vorteilhaft erwiesen, die Motor in Abhängigkeit vom Drehmoment am Hauptrotormast 15 zu regeln.

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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Drehmoment an der Welle 15 meßbar und im Cockpit anzeigbar. Figur 2 zeigt eine bevorzugte Ausführung der Erfindung.

Figur 2 zeigt einen Teil des Hauptrotormastes 15 im Schnitt mit eingebauter Drehmoment-Meßeinrichtung. Der Hauptrotormast 15 ist mittels Duplex-Lager 21 und 22 zur Aufnahme von Axial- und Radiallasten im Zellenrahmen 20 gelagert. Die Lager 21 und 22 sitzen auf einem auf einer Schulter 24 liegenden Halteelement 23. Die Oberseite des Lagers 21 ist durch eine auf dem Hauptrotormast 15 aufgeschraubte Mutter 25 eingespannt. Ein Verschluß 26 ist über eine Keilverbindung mit der Mutter 25 verbunden und durch einen Stift 27 daran gesichert. Zwischen der Zelle 20 und dem Verschluß 26 liegt eine öldichtung 28.

Direkt unter dem Lager 22 ist ein Planetengetriebegehäuse 30 durch Keile 31 mit dem Hauptrotormast 15 verbunden. Das Planetengetriebegehäuse 30 wird von einem Planetentragelager 33 getragen. Die nicht dargestellten, jedoch im Gehäuse 30 untergebrachten Planetengetriebe kämmen mit einem unmittelbar unter dem Lager 33 montierten äußeren Getriebe 34 und bilden einen Teil eines bekannten Umlaufgetriebes.

Der Hauptrotormast 15 ragt nach unten durch das Sonnenrad 34 und ist an seiner Unterseite durch ein auf der Zelle 20 montiertes Rotorlager 35 gelagert.

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Am Hauptrotormast sind in einem bestimmten nicht dargestellten Bereich äußere Keilnuten zum Eingriff für eine bekannte nicht dargestellte Taumelscheibe vorgesehen. Der Hauptrotormast 15 erstreckt sich über diesen Bereich hinaus und besitzt an seiner Spitze Keilnuten 40 zum Aufsatz des Rotorkopfes. Das äußerste obere Ende des Hauptrotormastes 15 weist ein Gewinde 41 für eine nicht dargestellte Mutter zur Befestigung des Rotorkopfes auf. Außerdem ist eine Nut 42 zur Aufnahme eines Axiallagers vorgesehen.

In das obere Ende des Hauptrotormastes 15 ist ein erster Ring 50 eingesetzt, dessen Innenwand konisch ist. Im ersten Ring 50 sitzt ein zweiter Ring 51 mit konischer Außenwand. Die beiden Ringe 50 und 51 sind mit Hilfe von Bolzen gegeneinander gezogen, so daß der erste Ring 50 gedehnt ist und durch Reibung fest im oberen Ende des Hauptrotormastes sitzt.

An die Unterseite des ersten Ringes 50 schließt ein Rohr 54 an, das sich koaxial über die ganze Länge des Hauptrotormastes erstreckt. Im unteren Ende des Hauptrotormastes ist ein Zahnkranzträger 55 mittels eines Niets 56 befestigt. Der Zahnkranzträger 55 trägt einen Zahnkranz 57. Im unteren Ende des Hauptrotormastes 15 ist ein Einsatz 58 mittels eines Gewindes 59 eingeschraubt und von einem durch die Ränder 60 und 61 ragenden Verschluß verriegelt. Der Einsatz 58 trägt zwei innere zweite Zahnkränze 62 und 63, die mit dem ersten Zahnkranz 57 identisch sind. Die ersten

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Zahnkränze 62 und 63 sind an dem Hauptrotormast 15 befestigt und drehen sich mit diesem, während der erste Zahnkranz 57 am unteren Ende des Rohres 54 angeordnet ist und sich lediglich mit dem Rohr 54 dreht.

Das untere Ende des Zahnkranzträgers 55 paßt dichtend in das obere Ende des Einsatz 58. Dieser ist, wie erwähnt, mit dem Hauptrotormast 15 verbunden. Wird kein Drehmoment auf den Hauptrotormast 15 ausgeübt, dann verdreht sich dieser nicht, und seine Basis sowie seine Spitze sind nicht gegeneinander verdreht, so daß sich der erste Zahnkranz 57 mit den zweiten Zahnkränzen 62 und 63 ohne eine Veränderung der relativen Lage dreht. Wird jedoch ein Drehmoment auf den Hauptrotormast 15 ausgeübt, dann wird er etwas in sich verdreht. Diese relative Verdrehung des. ersten Zahnkranzes 57 und der zweiten Zahnkränze 62 und 63 ändert sich mit der Größe der Verdrehung, da auf da>g. Rohr 54 kein Drehmoment ausgeübt wird. Der Zahnkranzträger 55 und der Einsatz 58 berühren einander gleitend, so daß die Zahnkränze 57, 62 und 63 koaxial ausgerichtet sind und gleichzeitig eine Drehbewegung zulassen.

Am Zellenrahmen 20 ist eine Drehmoment-Meßbasis 70 mittels Bolzen 71 montiert, deren nach oben gerichteter Stempel 72 in das untere Ende des Hauptrotormastes 15 ragt. Der Stempel 72 trägt drei Wicklungen 73, 74 und 75, deren Polstücke mit den Innenflächen der Zahnkränze 57, 62 bzw. 63 fluchten.

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In den Wicklungen 73, 74 und 75 werden in Abhängigkeit von der Drehung der Zahnkränze 57, 62 und 63 über die Polstücke der Wicklungen 73, 74 und 75 Spannungen erzeugt. Die von den Wicklungen 73, 74 und 75 stammenden Wechselstromsignale werden mit Hilfe von Kabeln 76, 77 und 78 zu einem Wandler geführt. Das Signal von der Spule 73 ist bezüglich der Signale von den Spulen 74 und 75 in Abhängigkeit vom Drehmoment phasenverschoben. Vom Wandler 79 wird eine Ausgangsspannung über ein Kabel 80 zur Betätigung eines Zeigers 81 in ein Meßgerät 82 geführt. Der Zeiger 81 zeigt auf einer oberen Skala 82 den jeweiligen Prozentsatz des gesamten verfügbaren Drehmoments, das tatsächlich am Hauptrotormast 15 auftritt. Die Kabel 84 und 85 sind an Zeiger 86 und 87 zur Anzeige des von den Motoren 10 und 11 jeweils an die Wellen 13 und 14 in Figur 1 abgegebenen Drehmoments angeschlossen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung liefert dem Piloten somit ein neues und wesentliches Element für die Bestimmung des jeweiligen Betriebszustandes. In Flugzuständen, in denen für den Heckrotor Leistung erforderlich ist, kann der Pilot die Nutzlast für eine bestimmte Schwebehöhe oder die Schwebehöhengrenze für eine bestimmte Nutzlast erhöhen und somit eine wesentliche Information für den Betrieb des Hubschraubers liefern.

Der Wandler 79 ist bekannt und wird beispielsweise von der Firma Simmonds Precision Products, Inc. in Vergennes, Vermont, hergestellt und als Industrial Horsepower System bezeichnet.

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Sein Aufbau und seine Arbeitsweise sind im Handbuch PD-032 der obigen Firma beschrieben. Auf die Einzelheiten des
Wandlers 79, der Zahnkränze 57, 62 und 63 sowie der Wicklungen 73, 74 und 75 wird daher nicht näher eingegangen.
Die erfindungsgemäße Drehmoment-Meßvorrichtung verwendet
derartige Drehmomenten-Meßkomponenten in der in Figur 2
dargestellten Anordnung zur Lieferung einer einzigartigen Steuer- und Bedienungsinformation für den Hubschrauberflug,

Figur 3 zeigt ein typisches bodeneffektfreies Schwebeverhalten eines Haubschraubers. Auf der Abszisse ist das Gesamtgewicht in kg gegenüber der Flughöhe aufgetragen. Für einen bestimmten Hubschrauber beträgt das maximale innere Gesamtgewicht 3000 kg. Die aufgebrachte oder vorgeschriebene, nicht überschreitbare Leistungsgrenze beträgt 550 kW gemessen am Getriebeeingang.

Die drei eingetragenen Kurven 100, 101 und 102 sind unter den Bedingungen "Normaltag", "Internationaler Normalluftzustand plus 20 C" und für "konstant 35 C" aufgenommen
worden. Unter "Internationalem Normalluftzustand" versteht man eine Lufttemperatur von 15 C auf Meeresspiegel bei
einer Abnahme von 2°C/3OO m Höhe. Am Schnittpunkt 100a
der Bslastungsgrenzkurve für 550 kW mit der Standardtag-Leistungsabgabekurve 100 knicken die Kurven stark ab.
Dieser Knick bzw. der Schnittpunkt 100a liegt bei einer
Höhe von etwa 15 000 ft (4500 m). über dieser Höhe oder

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unter dem entsprechenden Wert nimmt die verfügbare Motorleistung linear zum Schnittpunkt der Leistungsgrenzkurve für die von den Motoren 10 und 11 über die Wellen 13 und 14 an das Getriebe 12 abgegebene Leistung ab.

Die Fortschrittlichkeit der erfindungsgemäßen Drehmoment-Meßvorrichtung an einem Hauptrotormast läßt sich daran demonstrieren, daß dasselbe maximale innere Gesamtgewicht von 3000 kg bis etwa 13 000 ft. (4000 m) gehoben werden kann, während der Pilot ohne die Information von der erfindungsgemäßen Drehmoment-Meßvorrichtung etwa 2000 m nicht überschreiten dürfte. Ähnliche Unterschiede werden bei internationalem Normalluftzustand plus 20 C sowie bei einer konstanten Temperatur von 35 C erzielt. In Figur 4 sind die Kurven 103, 104 und 105 am Schnittpunkt 103a von einer 525 kW Hauptrotor-Leistungsbegrenzungskurve geschnitten. Durch die Abnahme des tatsächlichen Drehmoments am Hauptrotormast ist die verfügbare Motorleistung besser ausnutzbar und die Leistungsfähigkeit des Hubschraubers erhöhbar. Ohne die Kenntnis des tatsächlichen Drehmoments am Hauptrotormast dürfte der Pilot die Motoren nicht so betreiben, daß sie soviel Leistung an den Hauptrotormast abgeben, wie es der geschätzten Leistungsaufnahmefähigkeit entspricht. Kennt der Pilot jedoch das am Hauptrotormast auftretende Drehmoment von der erfindungsgemäßen Drehmoment-Meßvorrichtung, dann kann der Hubschrauber stärkere Lasten tragen, als dies sonst der Fall wäre.

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Die Anzeige des Meßinstruments 82 liefert dem Pilot das jeweils tatsächliche Motordrehmoment in Prozent sowie das tatsächlich am Hauptrotormast wirkende Drehmoment ebenfalls in Prozent (M/R). Für den in Figur 2 dargestellten Zustand laufen die Motoren 1 und 2 mit einer Leistungsabgabe an ihren Abgabewellen von etwas mehr als 40 % ihrer Auslegung, während das Hauptrotordrehmoment (M/R) zwischen 80 und 90 % beträgt. Dies bedeutet, daß praktisch kein Drehmoment für den Heckrotor abgenommen wird. In Flugzuständen, in denen der Heckrotor wesentliche Leistung erfordert, würde die Summe der prozentualen Drehmonentabgaben der Motoren 1 und 2 das am Hauptrotormast auftretende Drehmoment wesentlich übersteigen und liefert dadurch dem Piloten ein wesentliches, neues Informationselement. Die Schwierigkeiten für die Erzeugung des Hauptrotordrehmomentsignals liegt in der ungewöhnlichen Schwierigkeit der Erzeugung eines Bezugssignals. Die Antriebsvorrichtung für den Hauptrotormast und die Steuerung des Hauptrotormastes erschweren die Gewinnung eines Bezugssignals an dessen Außenseite. Daher liegt das Bezugs-Rohr 54 erfindungsgemäß im Hauptrohrmast und sein unteres Ende ist durch Berührung des Zahnkranzes 57 mit dem Einsatz 58 in seiner Lage gehalten. Die Meßspulen 73 bis 75 sind auf einem Stempel 72 montiert und gestatten die Erzeugung des Drehmomentensignals an einer bestimmten Stelle im Hubschrauber.

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Der Einsatz 58 ist in das untere Ende des Hauptrotormastes 15 eingesetzt und befestigt. Er besitzt zumindest einen
koaxial im Hauptrotormast montierten innenverzahnten Zahnkranz 62, 63. Am unteren Ende des Rohrs 54 sitzt ebenfalls zumindest ein koaxial im unteren Ende des Hauptrotormastes montierter innenverzahnter Zahnkranz. Der Stempel 72 ist
mittels der Montierstifte 71 mit der Hubschrauberzelle verbunden und trägt die Wicklungen 73 bis 75, deren mit kegelförmigen Enden versehene Kerne den Zahnkränzen gegenüberstehen und in den Wicklungen 73 bis 75 bei einer Drehung
des Mastes bezüglich der Hubschrauberzelle Wechselstrom erzeugen. Der Wandler 79 erzeugt aus den Spannungen der Wicklungen 73 bis 75 ein Phasendifferenzsignal, das der relativen Verdrehung der Zahnkränze durch ein an den Hauptrotormast gelegtes Drehmoment entspricht. Das an den Hauptrotormast gelegte Drehmoment verdreht diesen und liefert gemäß Erfindung eine entsprechende Anzeige auf dem Meßinstrument 82.

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Claims

Ansprüche

1.) Drehmoment-Meßvorrichtung für einen Hubschrauber,
insbesondere für einen Hubschrauber mit einem einzigen Hauptrotor und einem Hauptrotormast, an dessen Basis ein Antrieb angeschlossen ist und auf
dessen Spitze der Hauptrotor sitzt, gekennzeichnet durch ein an der Spitze des Hauptrotormastes befestigtes, frei herabhängendes und sich koaxial über die Länge des Hauptrotormastes bis in die Nähe von dessen Basis erstreckendes starres Teil, durch ein auf dem starren Teil in der Nähe der Basis sitzendes erstes drehbares Teil, durch ein an der Basis am
Hauptrotormast montiertes zweites drehbares Teil,
und durch eine Meßeinrichtung zum Messen der Relativbewegung der beiden drehbaren Teile.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das starre Teil ein das erste drehbare Teil
symmetrisch zur Achse des Hauptrotormastes tragendes Rohr ist, und daß ein Einsatz im unteren Bereich des Hauptrotormastes eine Anzahl von Wicklungen zur Erzeugung von Spannungen aufweist, die der Drehung
des Hauptrotormastes bezüglich des Rohres entsprechen.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen unmittelbar unter dem unteren Ende des Hauptrotormastes an der Hubschrauberzelle befestigten und koaxial in das untere Ende des Hauptrotormastes ragenden Zylinder.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einsatz im unteren Ende des Hauptrotormastes einteilig befestigt ist und zumindest einen koaxial im Hauptrotormast montierten innenverzahnten Zahnkranz aufweist, daß am unteren Ende des Bezugsteils zumindest ein koaxial im unteren Ende des Hauptrotormastes montierter, innenverzahnter Zahnkranz sitzt, daß eine Stromerzeugungseinrichtung mit der Hubschrauberzelle verbunden ist, welche nach oben in das untere Ende des Hauptrotormastes ragende und den Zahnkränzen gegenüberstehende Polelemente zur Erzeugung von Wechselspannungen bei einer Drehung des Hauptrotormastes und des Bezugsteiles bezüglich der Hubschrauberzelle aufweist, und daß ein Spannungswandler für die Umwandlung der Spannungen zu einem der Relativbewegung zwischen den Zahnkränzen entsprechenden Phasendifferenzsignals sowie eine Anzeige für das Phasendifferenzsignal vorgesehen sind.

ah: bü

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