DE2754379C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Hubschrauberrotoren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Das Steuerverhalten und die Manövrierfähigkeit eines Hub­ schraubers werden durch Steuermomente bestimmt, die im Rotor durch Schlagbewegungen eines jeden Rotorblattes erzeugt werden. Die Steuermomente werden durch die Schlaggelenkver­ setzung bestimmt, d. h. durch den Abstand, um den ein Schlag­ gelenk aus der Rotationsachse versetzt ist; im allgemeinen sind die Steuermomente aufgrund des am Rotorkopf erzeugten erhöhten Momentes umso höher, je größer die Versetzung ist.

Bei gelenkig angeordneten Rotorköpfen werden Rotorblatt­ schlag-, -schwenk- und -winkelverstellbewegungen durch mechanische Gelenke erzielt, die Kugel- oder Rollenlager besitzen. Derartige Rotorköpfe sind in der Regel groß und komplex, haben im Betrieb einen hohen aerodynamischen Luftwiderstand und erfordern eine häufige Wartung und Überwachung aufgrund der auftretenden, extrem hohen Zentrifu­ galkräfte, der kontinuierlichen kleinen Drehbewegungen und der erforderlichen notwendigen Schmierung der mechanischen Gelenke. Derartige Rotorköpfe werden noch dadurch komplizier­ ter, daß Schwenkdämpfer vorgesehen werden müssen, um Grundre­ sonanzprobleme auszuschalten, und daß schließlich in manchen Fällen kraftbetätigte Blattfaltmechanismen erforderlich sind.

Daraus folgt, daß eine Erhöhung der Schlaggelenkversetzung in einem derartigen Rotorkopf die Probleme vergrößert, indem die Konstruktion und das Steuersystem noch komplizierter werden und ein größerer und schwerer Rotorkopf erhalten wird, der noch höhere Widerstandsbelastungen im Betrieb ergibt.

Mechanische Lager lassen sich durch elastomere Lager ersetzen, damit Rotorblattschlag- und -schwenkbewegungen um einen gemeinsamen Lagermittelpunkt stattfinden können. Derartige elastomere Lager, die auch so ausgebildet sein können, daß sie Blattwinkelverstellbewegungen ergeben, können den hohen Zentrifugalbelastungen widerstehen, die in einem Hubschrau­ berrotor während des Betriebes auftreten.

Die Verwendung elastomerer Lager anstelle von mechanischen Lagern hat die Konstruktion gelenkig gelagerter Rotoren dadurch vereinfacht, daß alle erforderlichen Bewegungen eines Blattes von einem einzigen Lager aufgenommen werden, das keine Schmierung erfordert, so daß der Wartungsaufwand reduziert wird. Damit ist jedoch das Problem nicht gelöst, daß notwendigerweise die Dimensionen, insbes. der gesamte Durchmesser des Rotorkopfes größer werden, falls es erforder­ lich ist, das Steueransprechen in einem bestimmten Fall zu verbessern, weil es zu diesem Zweck immer noch notwendig ist, das Lager und damit die Lagermitte weiter außen anzuordnen, um die Schlaggelenkversetzung zu vergrößern. Dies wiederum ergibt eine entsprechende Vergrößerung der Längenabmessung der Blattwinkelverstellung und der Dimensionen entweder einer Taumelscheibe oder eines Armkreuzbetätigungsmechanis­ mus.

Aus der GB-PS 12 43 821 ist ein starrer Hubschrauberrotor bekannt, dessen Rotorkopf keine Vorkehrungen für Schlag- oder Schwenkbewegungen des Rotorblattes besitzt. Solche Schlag- und Schwenkbewegungen werden dadurch aufgenommen, daß das Rotorblatt selbst in einem innenbordseitigen halsförmigen Teil auslenkt. Bei diesem bekannten Rotorkopf sind die Lager beliebig in bezug auf die Blattsteigungsänderungsbewegungen nachgiebig, jedoch in bezug auf Zentrifugalkräfte und Schlagbewegungen sowie Luftwiderstandsbewegungen extrem steif. Schlagbewegungen und Bewegungen in Richtung des Luftwiderstandes werden durch das Blatt aufgrund einer geeigneten nachgiebigen Konstruktion des Blattes zugelassen. Das bei dieser bekannten Rotorkonstruktion zur Anwendung kommende elastomere Lager dient ausschließlich zur Vorspan­ nung des Hauptlagers, damit dieses von Drehmomentbelastungen entlastet wird, welche aufgrund eines statischen Senkens des Blattes bei stationärem Rotor auftreten.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Rotor so weiterzubilden, daß der Rotorkopf möglichst kompakt und mit möglichst kleinen Außenabmessungen sowie minimalem Gewicht ausgebildet werden kann, daß der Wartungsaufwand vereinfacht und reduziert wird und daß das Steueransprechen des Rotors und damit die Manövrierfähigkeit des Hubschraubers verbessert wird.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei einem derartigen Hubschrauberrotor wirkt die Dämpfungs­ vorrichtung als herkömmliche Dämpfungsvorrichtung in der Schwenkebene, und die durch die eingeprägte Steifigkeit in der Schlagebene vorhandene Begrenzung ergibt eine virtuelle Schlaggelenkposition, die in bezug auf die tatsächliche Gelenkposition, welche durch die geometrische Mitte des elastomeren Lagers definiert ist, außen liegt. Damit wird eine erhöhte Schlaggelenkversetzung erzielt, ohne daß der Abstand der tatsächlichen Schlaggelenkversetzung gegenüber der Rotationsachse räumlich vergrößert werden muß, so daß ein kompakterer Rotorkopf und ein verbessertes Steueransprechen erzielt wird. Geht man andererseits von einer vorhandenen, tatsächlichen Schlaggelenkversetzung aus, um ein entsprechen­ des Steueransprechen zu erhalten, ist eine Verringerung des Gesamtdurchmessers des Rotorkopfes möglich, indem die tatsächliche Schlaggelenkversetzungsposition ohne Nachteil für die Steueransprecheigenschaften reduziert wird.

Die Verringerung der Größenabmessung des Rotorkopfes ergibt eine kompakte Konstruktion, aufgrund der der aerodynamische Luftwiderstand reduziert wird, ohne daß dabei ein Leistungs­ verlust in Kauf genommen werden muß; ferner wird ein redu­ ziertes Gewicht und eine Vereinfachung der Steuersysteme erreicht. Auch wird die Auswahl eines beliebigen, gewünschten Steifigkeitsverhältnisses einschließlich angepaßter Steifig­ keit zwischen den Schlag- und Schwenkebenen eines Rotors erleichtert, damit eine Abstimmung auf spezielle Anwendungs­ fälle möglich ist. Schließlich wird auch das gewünschte Steifungsverhältnis für jedes Rotorblatt in einer einzelnen Einheit erzielt, was ebenfalls zur Vereinfachung der Kon­ struktion und zur Verringerung des Gewichtes beiträgt.

Die Verwendung elastomerer Lager ergibt eine weitere Verein­ fachung und Reduzierung des Wartungsaufwandes, der noch weiter dadurch verringert wird, daß eine hohle Rotorkopfkon­ struktion verwendet wird, in der die für den Betrieb erfor­ derlichen Teile aufgenommen sind, so daß der Eintritt von Schmutz und Feuchtigkeit verhindert wird. Der hohle Aufbau ermöglicht ferner auch die Konstruktion eines aerodynamisch vorteilhaften Rotorkopfes, was den Luftwiderstand im Betrieb zusätzlich verringert.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Teilschnittansicht einer Ausführungsform eines Hub­ schrauberrotors nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Schnittansicht einer abgeänderten Ausführungsform eines Teiles der Anordnung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Schnittansicht längs der Linie X-X der Fig. 2,

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform der Erfindung in einer An­ sicht ähnlich der nach Fig. 1,

Fig. 5 eine Endansicht längs der Linie Y-Y der Fig. 4, und

Fig. 6 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungs­ form eines Teiles der Anordnung nach Fig. 4.

Der in Fig. 1 dargestellte Hubschrauberrotor weist einen Rotor­ kopf 11 auf, der eine Vielzahl von Rotorblättern 12 (es ist nur ein Rotorblatt dargestellt) drehbar um eine Achse 13 aufnimmt.

Jedes Rotorblatt 12 ist mit einem äußeren Ende einer Zwischenverbindung 14, z. B. einer Spindel verbunden, die sich nach innen in das hohle Innere des Rotor­ kopfes 11 erstreckt. Die Zwischenverbindung 14 ist zwischen ihren Enden in einem hohlen elastomeren Lager 15 gelagert, die starr mit einer nach außen gerichteten Oberfläche eines kreisförmigen hohlen Flansches 16, der auf dem Rotorkopf 11 ausgebildet ist, befestigt ist. Das elastomere Lager 15 weist in Reihe geschaltete konische und teilkugelförmige Lagerelemente 17 und 18 auf, die um eine gemeinsame Mittelachse 19 angeordnet sind, und ermöglicht während des Betriebes Rotorblattschlag-, -schwenk- und -winkelver­ stellbewegungen. Ein Blattwinkelverstellhebel 20 ist mit den Flugsteuerungen (nicht dargestellt) zur Änderung des Blattanstell­ winkels eines jeden Rotorblattes 12 verbunden.

Das innere Ende 21 der Zwischenverbindung 14 ist mit einer elasto­ meren Dämpfungsvorrichtung 22 verbunden, die in bezug auf das Lager 15 innen angeordnet und im Abstand zum Lager 15 versetzt sowie starr in einem hohlen, im Rotorkopf 11 ausgebildeten Anschlag 23 befestigt ist.

Ein teilkugelförmiges Universallager 24 ist zwischen das innere Ende 21 der Zwischenverbindung 14 und einen radial nach außen gerichteten Flansch 25 eingesetzt, und ringförmige elastomere Schichten 26 sind zwischen den Oberflächen des Flansches 25 und benachbarten Oberflächen von radial nach innen verlaufenden, mit Flansch ver­ sehenen Tragbauteilen 27 verbunden. Der jeweilige Umfang der Tragbauteile 27 ist starr im hohlen Anschlag 23 angeordnet.

Die Fig. 2 und 3 zeigen eine abgeänderte Ausführungsform der Dämpfungsvorrichtung 22 nach Fig. 1; hierbei sind eine Vielzahl von linearen elastomeren Schichten 28 mit Oberflächen von in Eingriff stehenden, U-förmigen Schenkeln verbunden, die auf einem Tragbauteil 29 ausgebildet sind, der von dem Universal­ lager 24 und einem Tragbauteil 30, welches starr im hohlen Anschlag 23 angeordnet ist, aufgenommen wird. Aus Fig. 3 ergibt sich, daß die elastomeren Schichten 28 senkrecht, wie mit R angegeben, angeordnet und in bezug auf die Schlag- und Schwenkebenen der Bewegung eines befestigten Rotorblattes ausgerichtet sind.

Bei der Ausführungsform nach den Fig. 4 und 5 ist die Dämpfungs­ vorrichtung 22 in bezug auf das elastomere Lager 15 außen angeord­ net. Die Dämpfungsvorrichtung 22 ist über ein Lager 24 mit einem radial nach außen verlaufenden Flansch 25 ver­ bunden, und ringförmige elastomere Schichten 26 sind zwischen den Oberflächen des Flansches 25 und benachbarten Oberflächen von radial nach innen verlaufenden, mit Flansch versehenen Tragbau­ teilen 27 befestigt.

Die Tragbauteile 27 sind starr mit einer Innenfläche eines rohr­ förmigen inneren Gehäuses 31 befestigt, das nach Fig. 5 mit dia­ metral entgegengesetzten vertikalen flachen Teilen 32 versehen ist.

Eine elastomere Anordnung 33 ist mit jeder Oberfläche 32 befestigt und weist eine Verbundanordnung aus abwechselnden Schichten von elastomerem Material und Metall auf, die in einer Ebene parallel zu einer Schlagebene eines damit verbundenen Rotorblattes orien­ tiert sind. Eine äußere Oberfläche einer jeden elastomeren Anord­ nung 33 ist starr mit einer inneren Oberfläche eines rohrförmigen äußeren Gehäuses 34 befestigt, das einteilig mit einem äußeren Tragbauteil des teilkugelförmigen Lagerelements 18 des elastomeren Lagers 15 ausgebildet ist, wie sich aus Fig. 4 ergibt.

Fig. 6 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform der Dämpfungsvor­ richtung 22 nach den Fig. 4 und 5, bei der der Flanschteil der Tragbauteile 27 in bezug auf die elastomeren Schichten 26 innen angeordnet ist; jede elastomere Anordnung 33 ist in zwei Teile 33 a und 33 b unterteilt, die an entgegengesetz­ ten Seiten der Schichten 26 angeordnet sind. Weil ein Teil der radialen Breite der Teile 33 a und 33 b die ringförmigen Schichten 26 überlappt, erleichtert diese abgeänderte Ausführungsform eine wesentliche Reduzierung der Gesamtabmessung des rohrförmigen äußeren Gehäuses 34, wie sich aus einem Vergleich der Fig. 4 und 6 ergibt.

Beim Betrieb eines Rotors nach der Erfindung werden Rotorblatt­ schlag-, -schwenk- und -Winkelverstellbewegungen über die Zwischenverbindung 14 übertragen und von dem elastomeren Lager 15 zugelassen. Das Lager 24 dient zur Isolierung der Dämpfungsvorrichtung 22 gegen­ über Blattverstellwinkelbewegungen, die eine Drehung der Zwischenverbindung 14 um eine Längsachse bewirken, während Blattschlag- und -schwenk­ bewegungen über die Zwischenverbindung 14 auf die Dämpfungsvorrichtung 22 übertragen werden.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 arbeiten die elastomeren Schichten 26 der Dämpfungsvorrichtung 22 auf Scherbeanspruchung sowohl während der Schlag- als auch der Schwenkbewegungen des Rotorblattes 12 und sind sowohl in den Schlag- als auch den Schwenkbewegungen in gleicher Weise steif. Vorzugsweise sind die elastomeren Schichten aus synthetischem Gummi, was wegen der hohen Hystereseeigenschaften die erforderliche Dämpfung in der Schwenkebene ergibt.

Die entsprechenden senkrecht orientierten elastomeren Schichten 28 der abgeänderten Ausführungsform nach den Fig. 2 und 3 be­ stehen ebenfalls aus synthetischem Gummi, arbeiten jedoch auf Scherbeanspruchung in einer der Schlag- oder Schwenkebenen und auf Druckbeanspruchung in der anderen dieser Ebenen. In der dar­ gestellten Ausführungsform zeigt die Dämpfungsvorrichtung 22 auch etwa gleiche Steifigkeit in beiden Ebenen. Durch Veränderung des Winkels R können die Schichten 28 jedoch so angeordnet werden, daß wenigstens in einer der Ebenen die Schichten teilweise auf Scherbeanspruchung und teilweise auf Druckbeanspruchung arbeiten, wodurch die Auswahl eines entsprechenden unterschiedlichen Steifig­ keitsverhältnisses in den entsprechenden Betriebsebenen erleichtert wird.

Bei bestimmten Hubschrauberrotorkonstruktionen soll das Ausmaß der Bewegung in der Blattschlagebene das Drei- oder Vierfache der Bewegung in der Blattschwenkebene betragen. Die Ausführungsform nach Fig. 1 sowie die abgeänderten Ausführungsformen nach den Fig. 2 und 3 können für eine derartige Ausbildung ungeeignet sein u. z. bedingt durch die hohe Steifigkeit, die zur Dämpfung in der Schwenkebene erforderlich ist, welche das gewünschte Ausmaß der Bewegung in der Schlagebene ausschließt. Die Ausführungsform nach den Fig. 4 bis 6 trägt einer solchen Forderung dadurch Rechnung, daß getrennte in den Schlag- und Schwenkebenen wirksame Komponenten innerhalb einer einzelnen Dämpfungsanord­ nung vorgesehen sind.

Nach den Fig. 4 bis 6 ist die Dämpfungsvorrichtung 22 in bezug auf das elastomere Lager 15 außen angeordnet, die Dämp­ fungsvorrichtung 22 kann jedoch auch in bezug auf das Lager 15 innen angeordnet sein, wie in den Fig. 1 bis 3 gezeigt.

Bei der Ausführungsform nach den Fig. 4 und 5 weist die Dämp­ fungsvorrichtung 22 ringförmige Schichten 26 aus synthetischem Gummi auf, die hohe Steifigkeitseigenschaften ergeben, um einen gewünschten Wert für die Dämpfung in der Schwenkebene zu gewähr­ leisten. Jede der elastomeren Anordnungen 33 besitzt abwechselnde Schichten aus Naturgummi und Metallplatten, die in einer Ebene parallel zu einer Blattschlagebene orientiert sind, wodurch eine hohe Steifigkeit in bezug auf Druckbeanspruchung aus der Schwenkbewegung und aufgrund der geringen Hysterese des Naturgummis eine geringe Steifigkeit in bezug auf Scherbeanspruchung aus der Schlagbewegung er­ zielt wird, so daß ein gewünschtes Verhältnis der Bewegung in den entsprechenden Betriebsebenen ermöglicht wird.

Das rohrförmige äußere Gehäuse 34 hat eine abgeflachte Form, die in der Schwenkebene länglich ausgebildet ist, damit die elastomeren Anordnungen 33 umschlossen werden. Das Gehäuse 34 ist gegenüber dem inneren Gehäuse 31 am oberen und unteren Teil in einem solchen Abstand versetzt angeordnet, daß das er­ forderliche Ausmaß der Schlagbewegung des inneren Gehäuses 31 relativ zum äußeren Gehäuse 34 möglich ist. Diese abgeflachte Konfiguration dient dazu, den frontalen Bereich in Richtung der Rotation auf einem Minimum zu halten, wo­ durch der während des Betriebes auftretende aerodynamische Wider­ stand auf einem Minimum gehalten wird.

Die abgeänderte Ausführungsform nach Fig. 6 arbeitet in ähnli­ cher Weise wie in Verbindung mit den Fig. 4 und 5 erläutert, diese Konstruktion, die einen verringerten Gesamtraum­ bedarf hat, ist jedoch günstig bei einer Anordnung, bei der die Dämpfungsvorrichtung 22 in bezug auf das elastomere Lager 15 innen angeordnet ist.

Ein praktisches Ausführungsbeispiel der Erfindung hat folgende Werte:
Ein bestimmter Helikopter hat einen konventionellen ge­ lenkig angeordneten Rotor mit einer Schlaggelenkversetzung von 3,4% des Blattradius, gemessen von der Rotationsachse. Der Ein­ satz des Rotorkopfes nach der Erfindung mit einer tat­ sächlichen Schlaggelenkversetzung von 3,4% ergibt eine effektive Schlaggelenkversetzung von 5,2%, wodurch das Steueransprechen des Rotors und damit die Manövrierfähigkeit des Hubschraubers ohne Erhöhung des Gesamtdurchmessers des Rotorkopfes verbessert wird.

Claims (12)

1. Hubschrauberrotor mit einem Rotorkopf, der eine Vielzahl von Rotorblättern drehbar um eine Achse aufnimmt, und ein elastomeres Lager aufweist, das für jedes Blatt Schlag-, Schwenk- und Winkelverstellbewegungen aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zwischenverbindung (14) zwischen dem elastomeren Lager (15) und einer radial im Abstand dazu angeordneten Dämpfungsvorrichtung (22) vorgesehen ist, welche Zwischenverbindung (14) vom Rotorkopf ausgeht und mit dem Rotorblatt am blattwurzel­ seitigen Ende befestigt ist, wobei die Dämpfungsvorrich­ tung (22) eine gesteuerte Arretierung der Rotorblattbewe­ gung sowohl in der Schlag- als in der Schwenkebene ergibt.

2. Hubschrauber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elastomere Lager (15) hohl ausgebildet ist, und daß die Zwischenverbin­ dung (14) eine innerhalb des hohlen Lagers (15) angeordnete und starr damit verbundene Spindel ist.

3. Hubschrauberrotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Universallager (24) zwischen Spindel (14) und Dämpfungsvor­ richtung (22) so eingesetzt ist, daß die Spindel (14) frei um ihre Achse relativ zur Dämpfungsvorrichtung (22) in Abhängig­ keit von Winkelverstellbewegungen des Rotorblattes (12) drehbar ist, und seitliche Bewegungen der Spindel (14) aufgrund von Rotor­ blattschlag- und -schwenkbewegungen auf die Dämpfungsvorrichtung (22) übertragen werden.

4. Hubschrauberrotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsvorrichtung (22) wenigstens eine ringförmige ela­ stomere Schicht (26) aufweist, die sowohl mit einer Oberfläche eines mit dem Universallager (24) befestigten Flansches (25) als auch mit einem auf einem Tragbauteil (27) ausgebildeten Flansch verbunden ist, wobei das Tragbauteil mit dem Rotorkopf (11) be­ festigt ist.

5. Hubschrauberrotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede elastomere Schicht (26) eine Schicht aus synthe­ tischem Gummi ist.

6. Hubschrauberrotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsvorrichtung (22) eine Vielzahl von elastomeren Schichten (28) aufweist, die zwischen miteinander in Eingriff stehenden Schenkeln von Tragbauteilen (29, 30) verbunden sind, welche mit dem Lager (24) und dem Rotorkopf (11) befestigt sind, wobei die Schenkel sich parallel zu einer Längsachse der Spindel (14) erstrecken.

7. Hubschrauberrotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander in Eingriff stehenden Schenkel der Tragbauteile (29, 30) in etwa senkrecht zueinander stehenden, entgegengesetzten Ebenen angeordnet sind, die den Schlag- und Schwenkebenen der Bewegung des Rotor­ blattes (12) entsprechen.

8. Hubschrauberrotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsvorrichtung (22) eine elastomere Anordnung (33) aufweist, die zwischen den Tragbauteilen (27) und dem Rotorkopf (11) an beiden Seiten der Längsachse der Zwischenverbindung (14) angeordnet ist, wobei die elastomeren Anordnungen in einer Ebene parallel zu einer Blattschlagebene orientiert sind.

9. Hubschrauberrotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede elastomere Anordnung (33) eine Verbundanordnung mit einer Vielzahl von abwechselnden Schichten aus elastomerem Material und Metall aufweist.

10. Hubschrauberrotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elastomeren Schichten aus Naturgummi bestehen.

11. Hubschrauberrotor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine innere Oberfläche einer jeden elasto­ meren Anordnung (33) mit einer äußeren Oberfläche von diametral entgegengesetzten Klappenteilen (32) befestigt ist, die auf ei­ nem rohrförmigen inneren Gehäuse (31) vorgesehen sind, welches mit den Tragbauteilen (27) befestigt ist, und daß eine äußere Oberfläche einer jeden elastomeren Anordnung (33) mit einer inneren Oberfläche eines rohrförmigen äußeren Gehäuses (34) befestigt ist, das starr mit dem Rotorkopf (11) verbunden ist.

12. Hubschrauberrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsvorrichtung (22) in bezug auf das elastomere Lager (15) innen angeordnet ist, und daß die Zwischenver­ bindung (14) zur Befestigung mit der Dämpfungsvorrich­ tung (22) nach innen verlängert ist.