DE2623629C2 - Drehmoment-Meßvorrichtung für einen Hubschrauber - Google Patents

Description

— daß am oberen Ende des Hauptrotormastes (15) ein in dessen Inneren koaxial verlaufendes, starres Bezugsrohr (54) befestigt ist;

— daß an der Basis des durch das Getriebe (12) hindurchveriaufenden Hauptro'ormastes (15) ein Einsatz (58) befestigt ist, der mindestens einen nach innen gerichteten, koaxialen zum Hauptrotormast (15) angeordneten Zahnkranz (62,63) trägt;

— daß innerhalb des Hauptrotormastes (15) am unteren Ende des Bezugsrohres (54) ein Zahnkranzträger (55) angebracht ist, der mindestens einen konzentrisch im oberen Ende des Einsatzes (58) angeordneten Zahnkranz (57) trägt;

— daß eine Drehmoment-Meßbasis (70) am Zellenrahmen (20) befestigt ist, deren Stempel (72) in das untere Ende des Hauptrotormastes (15) und in den Einsatz (58) ragt;

— daß eine Anzahl von Wicklungen (73, 74,75) an dem Stempel (72) gegenüber dem mindestens einem Zahnkranz (62,63) des Einsatzes (58) und gegenüber dem mindestens einen Zahnkranz (57) des Zahnkranzträgers (55) angebracht ist, die ein von der Drehung des Hauptrotormastes (15) und des Bezugsrohrs (54) gegenüber dem Zellenrahmen (20) abhängiges Wechselspannungssignal erzeugen;

— daß ein Wandler (79) zur Umwandlung der Wechselspannungssignale in ein von der Verdrehung des Einsatzes (58) gegenüber dem Zahnkranzträger (55) abhängiges Phasendifferenzsignal vorgesehen ist, wobei die Verdrehung auf einem den Hauptrotormast (15) verwindenden Drehmoment beruht; und

— daß eine Anzeigevorrichtung (82) zur Anzeige des Phasendifferenzsignals und zur Anzeige der von dem mindestens einen Antriebsmotor (10, 11) an das Getriebe (12) abgegebenen Antriebsleistung vorgesehen ist.

Die Erfindung betrifft eine Drehmoment-Meßvorrichtung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs.

Eine bekannte Drehmoment-Meßvorrichtung dieser Art (US-PS 26 99 833) für einen Hubschrauber mit einem den Hauptrotor tragenden Hauptrotormast, der mit einem die Antriebsenergie liefernden Getriebe verbunden ist, erfaßt eine Torsion des Hauptrotormastes, indem eine Auslenkung des am Hauptrotormastes befestigten Getriebes gegenüber einer Ruhestellung, etwa im Rotorstillstand, ausgewertet wird. Das Getriebe ist jedoch aufgrund seiner Masse zu träge, um schnellen Lastwechseln zu folgen, und die Auslenkung des Getriebes wird außerdem dadurch beeinträchtigt, daß neben dem Hauptrotor auch der Ausgleichs-Heckrotor des Hubschraubers angetrieben wird, d.h. daß eine Antriebswelle vom Getriebe zum Heckrotor verläuft, die die Auslenkbarkeit des Getriebes reduziert Dadurch werden die aufgrund der Auslenkung des Getriebes gewonnenen Meßwerte verfälscht. Diese Meßwerte werden ausschließlich zur automatischen Steuerung des die Torsionskräfte kompensierenden Ausgleichsrotors herangezogen, während der Pilot des Hubschraubers sich nicht mittels der Drehmoment-Meßvorrichtung einen Überblick darüber verschaffen kann, welche Antriebsleistung der oder die Antriebsmotoren abgeben und welche Leistung an den Hauptrotor abgegeben wird.

Es ist ferner eine Drehmoment-Meßvorrichtung bekannt (US-PS 35 38 762), mit der die Torsion einer zwischen einem Antrieb und einer Last eingespannten Welle bestimmt werden kann. Dazu ist an dem dem Antrieb abgewandten Ende der Welle eine die Welle umgebende Manschette angebracht, die bis zu deren Antriebsende reicht Wenn eine Antriebskraft auf die Welle wirkt dreht sich deren Antriebsende gegenüber dem Antriebsende der Manschette, und diese Verdrehung dient zur Bestimmung des an der Welle wirkenden Drehmomentes.

Abgesehen davon, daß diese bekannte Drehmoment-Meßvorrichtung nicht für die Messung des auf einen Hubschrauber-Hauptrotormast wirkenden Drehmomentes bestimmt ist wäre sie für diesen Einsatz auch unbrauchbar, da außen am Hauptrotormast Keilnuten für den Rotorkopf und für die Taumelscheibe zur Steuerung der Rotorblätter, Zahnkränze für das den Antrieb liefernde Getriebe und u. a. die Dichtung der Rotorwelle gegenüber dem Hubschrauberrumpf angeordnet sein müssen. Dies wäre jedoch beim Einsatz der bekannten Meßvorrichtung unmöglich, da die Manschette die Antriebswelle umgeben würde. Darüber hinaus werden Relativbewegungen dieser Manschette gegenüber der Antriebswelle an einer zwischen dem Antriebsende und dem Abtriebsende der Welle liegenden Stelle bestimmt. Ein Hauptrotormast eines Hubschraubers ist jedoch wegen der im Betrieb auftretenden starken Belastungen nicht verlängerbar, ohne daß große Stabilitätsprobleme auftreten.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Drehmoment-Meßvorrichtung für einen Hubschrauber zu schaffen, mit der zur optimalen Ausnutzung der Antriebsleistung das tatsächlich an den Hauptrotor abgegebene Drehmoment genau meßbar und anzeigbar ist und die die von den Antriebsmotoren abgegebene Antriebsleistung anzeigt

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Drehmoment-Meßvorrichtung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils dieses Anspruchs ausgestaltet.

Die erfindungsgemäße Drehmoment-Meßvorrichtung ermöglicht die Messung und die Anzeige der tatsächlich an den Hauptrotor übertragenen Leistung. Benötigt der Heckrotor im Schwebeflug Leistung, dann sind die Antriebsmotoren 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. Auf diese Weise kann also die verfügbare Rotorleistung besser ausgenutzt und die Leistungsfähigkeit des Hubschraubers er-

höht werden, während der Pilot die Motoren ohne Kenntnis des tatsächlichen Drehmomentes am Hauptrotormast nicht derart betreiben darf, daß sie so viel Leistung an den Hauptrotormast abgeben, wie es der geschätzten Leistungsaufnahme entsprich-.. Da der Pilot jedoch von der erfindungsgemäßen Drehmoment-Meßvorrichtung eine Anzeige des am Hauptrotormast auftretenden Drehmomentes erhält, kann er die Leistungszufuhr in optimaler Weise steuern.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Fig-iren näher eriäiHsrt; es zeigt

F i g. 1 einen schematisch dargestellten Hubschrauberantrieb mit zwei Motoren;

Fi g. 2 einen Schnitt durch einen Hauptrotormast mit einer Drehmoment-Meßvorrichtung; und

F i g. 3 und 4 zwei die mit der Drehmoment-Meßvorrichtung erzielbare Leistungssteigerung darstellende Diagramme.

F i g. 1 zeigt die Hauptteile einer Kraftübertragung in einem Hubschrauber. Die Motoren 10 um. 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 !4 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 Motoren in Abhängigkeit vom Drehmoment am Hauptrotormast 15 zu regeln.

Mit der in Fig.2 dargestellten Drehmoment-Meßvorrichtung ist das Drehmoment an der Welle 15 meßbar und im.Cockpit anzeigbar.

F i g. 2 zeigt einen Teil des Hauptrotormastes 15 im Schnitt mit eingebauter Drehmoment-Meßvorrichtung. 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 3C 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.

Am Hauptrotormast 15 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 "otorkoüfes. 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

ίο Ring 50 gedehnt ist und durch Reibung fest im oberen Ende des Hauptrotormastes 15 sitzt

An die Unterseite des ersten Ringes 50 schließt ein Rohr 54 an, das sich koaxial über die ganze Länge des Hauptrotormastes 15 erstreckt Im unteren Ende des Hauptrotormastes 15 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 zweiten Zahnkränze 62 und 63 sind au 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 das 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

so Zahnkränze 57,62 bzw. 63 fluchten.

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

π stammenden Wechselstromsignale werden mit Hilfe von Kabeln 76, 77 und 78 zu einem Wandler 79 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 35 sind an Zeiger 86 und 87 zur Anzeige des von den Motoren 10 und 11 jeweils an die Wellen 13 und 14 in Fig. 1 abgegebenen Drehmoments angeschlossen. Die Drehmoment-MeßvorrichtunE 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.

F i g. 3 zeigt ein typisches bodeneffektfreies Schwebeverhaiten eines Hubschraubers. Auf der Abszisse ist das Gesamtgewicht in kg gegenüber der Flughöhe aufge- ι ο tragen. 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 100,10! 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/300m Höhe. Am Schnittpunkt 100a der Belastungsgrenzkurve 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 4500 m. Über dieser Höhe oder 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 4000 m gehoben werden kann, während der Pilot ohne die Information von der 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 Fig.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 Haupiroiormasi aufireieiiüe Drehniüiiieni von der Drehmoment-Meßvorrichtung, dann kann der Hubschrauber stärkere Lasten tragen, als dies sonst der Fall wäre. -

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 F i g. 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 Drehmomentabgaben der Motoren 1 und 2 das am Hauptrotormast auftretende Drehmoment wesentlich übersteigen und liefert dadurch dem Piloten ein wesentliches, neues Informalionselement.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Drehmoment-Meßvorrichtung für einen Hubschrauber mit einem Ausgleichs-Heckrotor und mit einem einen Hauptrotor tragenden, die von mindestens einem Antriebsmotor über ein Getriebe gelieferte Antriebsleistung auf den Hauptrotor übertragenden Hauptrotormast, wobei die Drehmoment-Meßvorrichtung eine bei Belastung des Hauptrotormastes auftretende Torsion des Hauptrotormastes erfaßt, dadurch gekennzeichnet,