DE2804477A1

DE2804477A1 - Rotorblatt-haltesystem

Info

Publication number: DE2804477A1
Application number: DE19782804477
Authority: DE
Inventors: Dennis Peter Mcguire
Original assignee: Lord Corp
Current assignee: Lord Corp
Priority date: 1977-02-03
Filing date: 1978-02-02
Publication date: 1978-08-10
Also published as: IT7819916A0; FR2379431A1; JPS53102600A; US4135856A

Description

Die Erfindung "betrifft ein gelenkiges Rotorblatt-Haltesystem zur Verbindung wenigstens eines langgestreckten Rotorblattes mit einer um eine Mittelachse drehbaren Rotornabe, von der sich das angeschlossene Rotorblatt normalerweise im allgemeinen radial erstreckt und sich mit der Habe um deren Mittelachse drehen läßt.

Bei Luftfahrzeugen, die wie beispielsweise Helikopter mit Drehflügeln ausgestattet sind, sind zwei oder mehr langgestreckte Rotorblätter an einer zentralen Rotornabe angebracht. Normalerweise erstrecken sich die Blätter allgemein radial von der Nabe weg und lassen sich mit der Nabe um deren Mittelachse drehen. Bei angetriebener Rotornabe werden Zentrifugalkräfte, aerodynamische und andere Kräfte auf die Rotorblätter ausgeübt und versuchen, die Blätter gegenüber der JNabe zu verschwenken. Im allgemeinen findet dieses Verschwenken in einer Ebene statt, in der die Blätter normalerweise liegen und die typischerweise senkrecht zur Mittelachse oder zur Rotationsachse der Rotornabe orientiert ist. Die in der Ebene ablaufende Schwenkbewegung eines Rotorblatts, die auch als Voreilungs-Nacheilungs- oder Schlepp-Bewegung bezeichnet wird, stellt das Bestreben des Blattes dar, auf die auf das Blatt wirkenden Kräfte zu reagieren und eine Gleichgewi chtspοsition zu suchen. Jedoch ändert sich die Gleichgewichtslage jedes Rotorblatts beständig. Die Hauptursache der Änderungen bezüglich der in der Ebene liegenden Gleichgewichtslage eines Rotorblatts sind Ooriolismomente, welche durch vertikale Schlagbewegungen des Blattes erzeugt werden. Andere Ursachen umfassen Änderungen der aerodynamischen Kräfte auf das Blatt, welche aufgrund von Luftquerströmungen über das Blatt auftreten. Die Voreilungs-Nacheilungs-Bewegung, die sich aus derartigen Änderungen in der Gleichgewichtslage des Blatts ergibt, erscheint als oszillierende Bewegung kleiner Amplitude gegenüber der Rotornabe.

Ein Verfahren zur Anbringung der Blätter eines Helikopter-Rotors an der Rotornabe besteht darin, zwischen jedem Rotorblatt und der

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Nabe ein Blatt-Haltesystem vorzusehen, das gegenüber Bewegungen des Rotorblatts in der Ebene oder Voreilungs-Nacheilungs-Bewegungen des Rotorblatts relativ steif oder unbiegsam ist. In einer als typisch, geltenden Ausführung besteht ein in der Ebene steifes Blatt-Haltesystem aus einer relativ unbiegsamen oder starren Verbindung zwischen einem Rotorblatt und der Rotornabe. Beispielsweise kann das Rotorblatt somit direkt in einer zugeordneten Fassung, welche in der Rotornabe gebildet ist, verschraubt v/erden. Aus der Verwendung eines derartigen in der Ebene steifen Blatt-Haltesystems ergibt sich, daß das Rotorblatt relativ wenig Bewegungsfreiheit in der Voreilungs-Nacheilungs-Richtung hat und daß die Eigenschwingung der Oszillation des Rotorblatts in der Voreilungs-Nacheilungs-Phase grosser als die llenn-Drehzahl von Rotornabe und Rotorblättern ist. Mit anderen Worten heißt dies, daß von der Definition her ein in der Ebene starres Blatt-Haltesystem ein System ist, bei dem das Rotorblatt mehr als einen vollen Zyklus der Voreilungs-Nacheilungs-Bewegung pro Umdrehung der Rotornabe bei der Eigenfrequenz der Voreilungs-Nacheilungs-Bewegung ausführt. Der Vorteil einer derartigen relativ großen Eigenfrequenz dieser Voreilungs-lIacheilungs-Bewegung eines Rotorblatts liegt darin, daß zerstörend wirkende Bodenresonanzen, die später noch erläutert werden, vermieden werden können. Der Nachteil der hohen Eigenfrequenz eines in der Ebene starren Blatt-Haltesystems liegt darin, daß sehr hohe Belastungen und Biegemomente direkt auf Rotorblatt und -nabe ausgeübt werden und von Rotorblatt und -nabe getragen werden müssen. Der Rotor ist gezwungen, oszillierende Voreilungs-Nacheilungs-Momente aufzunehmen, welche noch auf den Rotor ausgeübt werden; dies ist die Ursache für auffällige Ermüdungen der Materialien, aus denen die Rotorblätter und die Rotornabe hergestellt sind. Das Problem eines Ausfalls durch Materialermüdung ist bei Rotoren, die relativ ebenensteife Blatt-Haltesysteme aufweisen, so groß, daß derartige Systeme im allgemeinen nicht verwendet werden. Wahrscheinlich lassen sich ebenensteife Systeme kommerziell solange nicht einsetzen,

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"bis und wenn nicht "bedeutende Portschritte bei der Entwicklung für derartige Systeme geeigneter Materialien gemacht werden.

Die andere Methode der Anbringung von Helikopter-Rotorblättern an der Rotornabe besteht darin, daß ein gelenkiges Blatt-Haltesystem zwischen jedem Rotorblatt und der -nabe geschaffen wird. Obwohl alle derartigen gelenkigen Blatt-Haltesysteme bezüglich der Voreilungs-Macheilungs-Bewegungen der Rotorblätter als relativ ebenenweich bezeichnet werden können, werden diese Systeme typischerweise in einerseits völlig gelenkige und andererseits in ebenenweiche Systeme eingeteilt. Völlig gelnkige Blatt-Haltesysteme ergeben eine Eigenschwingfrequenz eines Rotorblatts in der Voreilungs-Nacheilungs-Phase von ungefähr 0,25 bis 0,55 Zyklen pro Umdrehung der Rotornabe. Im Vergleich dazu erzeugen ebenenweiche Blatt-Haltesysteme eine Eigenschwingfrequenz eines Rotorblatts in der Voreilungs-Nacheilungs-Phase von ungefähr 0,65 Zyklen pro Umdrehung der Rotornabe. Da beide Arten von gelenkigen Blatt-Haltesystemen den Rotorblättern eine zusätzliche Bewegungsfreiheit in ihrer Rotationsebene gewähren, ist ein Rotor, der mit einem derartigen System ausgestattet ist, bei wenigstens einer kritischen Drehzahl in einem potentiellen Zustand der Instabilität, wenn der Helikopter auf dem Boden steht. Die Instabilität, genannt Bodenresonanz, wird durch eine Koppelung zwischen der Bewegung des tragenden Aufbaus für die Rotornabe einschließlich Landefahrwerk und Rädern und der Pendelbewegung der Blätter erzeugt, wenn sie sich in Voreilungs-Machellungs-Richtung verschwenken. Aufgrund der elastischen Nachgiebigkeit des tragenden Aufbaus und der Pendelfrequenz der Blätter kann der KopplungsVorgang bei der kritischen Drehzahl bzw. Drehzahlen heftige und unkontrollierbare Rotorblatt-Oszillationen erzeugen, die, falls sie nicht unter Kontrolle gebracht werden, zerstörende Ausmaße erreichen können.

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Gelenkige Blatt-Halte systeme werden gegenwärtig primär in. Helikoptern verwendet, da der Gelenkmechanismus, der die Gelenkigkeit ergibt, auch, die Tendenz zeigt, die Auf "baute ansprucliungen und Defekte durch. Materialermüdung zu vermeiden, welche bei ebenen-steifen Rotorblatt-Haltesystemen angetroffen werden. Die unerwünschten Bodenxesonanzen, die bei einer Verwendung von gelenkigen Blatt-Haltesystemen anzutreffen sind, werden gewöhnlich durch Verwendung von Hilfsdämpfungsvorrichtungen aufgenommen und wirksam abgeschwächt. Die Wirkung dieser Dämpfungsvorrichtungen liegt darin, bei den kritischen Frequenzen der Bodenresonanz (d.h., bei den Eigenfrequenzen der Voreilungs-Hacheilungs-Bewegung) die Resonanzbewegungen der Rotorblätter zu dämpfen und zu verringern. Obwohl mit der Verwendung von Voreilungs-Nacheilungs-HiIfsdämpfera zusätzliches Gewicht, zusätzliche Kosten und ein komplizierter Aufbau im Rotor eines Helikopters verbunden sind, nahm man bis jetzt die Nachteile in Kauf, da die Materialprobleme, die sich bei relativ ebenen-steifen Rotorblatt-Haltesystemen ergeben, unüberwindlich erscheinen.

Für die notwendige Gelenkigkeit wurden bei früheren Bauarten von gelenkigen Rotorblatt-Haltesystemen Antifriktionslager, beispielsweise Wälzlager oder Kugellager eingebaut. Kürzlich wurden gelenkige Haltesysteme entwickelt, die anstelle von Antifriktionslagern ein oder mehrere laminierte elastomere Lager besitzen. Derartige laminierte Lager umfassen eine Vielzahl von sich abwechselnden und miteinander verbundenen Schichten aus elastomerem Material und aus im wesentlichen undehnbarem Material. Diese Lager benötigen keine Schmierung, stellen nur sehr begrenzte Forderungen an die Wartung und erbringen im Vergleich zu Antifriktionslagern eine Gewichtsverringerung. Die Vorteile von laminierten, elastomeren Lagern sind derartig groß, daß diese Lager eine weit verbreitete Verwendung und Aufnahme in der ganzen Helikopter-Industrie gefunden haben und in einer Anzahl von unterschiedlichen Hubschrauber-

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Rotorblatt-Haltesystemen eingebaut worden sind.

Rotorblatt-Haltesysteme, welche laminierte elastomere Lager "beinhalten, besitzen typischerweise Voreilungs-Hacheilungs-Hilfsdämpfer. Beispiele für derartige Systeme sind in den folgenden Patentschriften beschrieben: US-PS 3 501 250, US-PS 3 759 631 und US-PS 3 764 230. Da elastomere Materialien von ihrer Art her innere Dämpfungskapazitäten besitzen, wird bei einigen Voreilungs-Nacheilungs-Hilfsdämpfern wie beispielsweise bei dem in der US-PS 3 842 94-5 beschriebenen Hilfsdämpfer elastomeres Material verwendet, das die notwendige Dämpfung bewirkt. Jedoch wurde auch der Vorschlag gemacht, daß die laminierten, elastomeren Lager von gelenkigen Blatt-Haltesystemen die gesamte Voreilungs-Nacheilungs-Dämpfung, die bei einem Hubschrauber-Rotor notwendig ist, selbst bewirken könnten. Als Dämpfer funktionierende Lager wurden das Extragewicht, die zusätzlichen Kosten und die Kompliziertheit von Voreilungs-lTacheilungs-Hilf sdämpf ern eliminieren. In der US-PS 3 111 172 wird in Spalte 2, Zeilen 38-4-1, angedeutet, daß sich mit elastomeren Lagern die !Notwendigkeit von Hilfsdämpfern umgehen lassen: die elastomeren Lagerkörper in den Lagern lassen sich nämlich so wählen, daß sie eine für die notwendige Dämpfung ausreichende innere Reibung besitzen.

Obwohl in der US-PS 3 111 172 vorgeschlagen wird, auf einen zusätzlichen Voreilungs-JNacheilungs-Dämpfer zu verzichten, kann in der Praxis dieses wünschenswerte Ziel mit dem in dieser Patentschrift beschriebenen und veranschaulichten Blatt-Haltesysuem nicht erreicht werden. Die Schwierigkeit dieses bekannten Blatt-Rückhaltesystems liegt darin, daß ein einzelnes, laminiertes, elastomeres Hauptlager dazu verwendet wird, nicht nur Voreilungs-Nacheilungs-Bewegungen, sondern auch Schlagbewegungen eines am Hubschrauber-Rotor befestigten Blattes aufzunehmen. Schlagbewegungen sind oszillierende Bewegungen des Blattes, welche zwar den Yoreilungs-Nacheilungs-Bewegungen

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ähnlich, sind, jedoch, in Ebenen erfolgen, die im allgemeinen senkrecht zur Rotations ebene des Blattes und zur Ebene, in der die Voreilungs-Nacheilungs-Bewegungen erfolgen, liegen. Bei einem Hubschrauberrotor, der als typisch, gelten möge, ist die normale Schlagbewegung jedes Rotorblatts sieben bis acht Mal größer als die Voreilungs-Eacheilungs-Bewegung und beispielsweise + 3,5° im Schlag gegenüber + 0,4° bei der Voreilungs-Nacheilungsbewegung. TJm die Schlagbewegungen eines Rotorblatts aufzunehmen, muß das laminierte Hauptlager dieses bekannten Blatt-Haltesystems eine relativ große Gesamtdicke des elastomeren Materials besitzen. Die große Dicke des elastomeren Materials verringert notwendigerweise die lederkonstante des Lagers in der Voreilungs-Hacheilungs-Richtung und die Eigenschwingfrequenz des Rotorblatts um die Voreilungs-Nacheilungs-Achse. Bei abnehmender Federkonstante bezüglich der Toreilung-lTacheilung vergrößert sich der Dämpfungsgrad (d.h. der Verlustfaktor), der bei der Eigenfrequenz der Voreilungs-ITacheilungs-Bewegung vorgesehen sein muß, bis zu einem Punkt, wo kein gegenwärtig verfügbares natürliches oder synthetisches Elastomer die erforderliche Dämpfung erzeugen kann. Somit muß in. der Praxis bei diesem bekannten Blatt-Haltesystem die Dämpfung eher durch einen Hilfsdämpfer als durch die elastomeren Schichten des laminierten Lagers bewirkt werden. Die Erfindung betrifft deshalb ein gelenkiges Rotorblatt-Haltesystem, bei dem ein Paar von Lagern, /aie Vbreilungs-Macheilungs-Bewegungen eines mit Hilfe des Systems angebrachten Rotorblatts aufnehmen, nur einen relativ kleinen Teil der Schlagbewegungen des Blatts aufnehmen muß. Da die Lager nicht zur Aufnahme beträchtlicher Schlagbewegungen gezwungen sind, können sie so hergestellt und positioniert werden, daß das Haltesystem in seiner Reaktion auf Vbreilungs-Hacheilungs-Bewegungen des Rotorblatts relativ steif ist. Die Voreilungs-Nacheilungs-Steifigkeit des Systems verringert die Dämpfungserfordernisse des Systems bis zu einem Punkt, wo die erforderliche Dämpfung allein durch dämpfendes Material bewirkt werden kann, das in

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den Lagern eingebaut ist.

Das erfindungsgemäße Rotorblatt-Haltesystem umfaßt zwei Lager, welche in paralleler, Last übertragender Bezielxung miteinander verbunden sind und welche zwischen dem Rotorblatt und der Rotornabe angeordnet werden. Beide Lager sind mit einem Schlaggelenk in Reihe und in Last übertragender Beziehung verbunden. Ein Lager besitzt eine Achse größter Steifigkeit längs der longitudinalen Achse des Rotorblatts und besitzt Achsen geringerer Steifigkeiten quer zur Blatt-Längsachse. Das erste Lager legt auch ein wirksames elastisches Zentrum fest, das an der Längsachse des Rotorblatts positioniert ist. Das andere Lager weist Achsen größter Steifigkeit quer zur Blattlängsachse auf und besitzt eine Achse geringerer Steifigkeit, die mit der Achse größter Steifigkeit des ersten Lagers zusammenfällt. Das zweite Lager legt ein wirksames elastisches Zentrum fest, das vom elastischen Zentrum des ersten Lagers längs der longitudinalen Achse des Rotorblatts mit Abstand angeordnet ist. Die beiden Lager nehmen die Voreilungs-Nacheilungs-Bewegungen des Rotorblatts auf. Aufgrund der größeren Steifigkeit des zweiten Lagers im Vergleich zum ersten Lager in Richtungen quer zur Längsachse des Rotorblatts ist diejenige Achse, um die die Yoreilungs-Nacheilungs-Bewegung auftritt, vom effektiven elastischen Zentrum des ersten Lagers verschoben. Die Verschiebung der Voreilungs-Wacheilungs-Achse bewirkt, daß das erste Lager und das Haltesystem als Ganzes in der Reaktion auf Voreilungs-Nacheilungs-Bewegungen des Rotorblatts relativ steif erscheint. Jedoch ist die Steifigkeit des Haltesystems in der Reaktion auf Schlagbewegungen des Rotorblatts nicht beeinträchtigt, da das separate Schlaggelenk zur Steuerung der Schlagsteifigkeit des Haltesystems verwendet wird. Im Vergleich zu den zugeordneten Steifigkeiten der Lager ist die Steifigkeit des Schlaggelenks in der Reaktion auf Schlagbewegungen des Rotorblatts so groß, daß das Gelenk, vorrangig vor den Lagern, einen Hauptteil, wenn nicht sogar alles von der Schlagbewegung aufnimmt. Da das Blatt-Haltesystem in Reaktion auf Voreilungs-Nacheilungs-Bewegungen des

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Rotorblatts relativ steif ist, ist zur Kontrolle von Resonanzbewegungen des Blatts bei den Eigenfrequenzen der Voreilungs-Nacheilungs-Bewegung eine geringere Dämpfung erforderlich.. Die notwendige Dämpfung kann somit durch, dämpfendes Material bewirkt werden, das in eines oder in beide der Lager oline Verwendung eines Voreilungs-Nacheilungs-Hilfsdämpfers eingebaut ist. Praktisch betrachtet ist das erfindungsgemäße Rotorblatt-Haltesystem eher ein ebenenweich.es System gegenüber Voreilungs-Nacheilungs-Bewegungen als ein ebenensteifes oder ein vollgelenkiges System.

In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausfuhrungsform enthält jedes der Lager, das als laminiertes elastomeres Lager ausgebildet ist, eine Vielzahl von sich, abwechselnden und miteinander verbundenen Schichten aus elastomerem Material und im wesentlichen undehnbarem Material. Jede Lage des ersten Lagers besitzt eine sphärische Kontur und ist im allgemeinen senkrecht zur Längsachse des Rotorblatts orientiert. Als Ergebnis davon ist das erste Lager besonders darin wirksam, das Rotorblatt gegen Zentrifugalkräfte, welche während der Rotation des Blattes mit der Nabe auf das Blatt ausgeübt werden, zurückzuhalten. Das zweite Lager enthält wenigstens zwei benachbarte Lagen von ringförmiger Form und mit ineinandergreifenden sphärischen Konturen. Wenigstens ein Teil der sphärischen Kontur von jeder der zwei Schichten ist allgemein parallel zur Längsachse des Rotorblatts orientiert. Die ringförmige Form und die Orientierung der Schichten geben dem zweiten Lager seine erforderliche hohe Steifigkeit in Richtungen, die radial gegenüber der Längsachse des Rotorblatts verlaufen. Die hohe radiale Steifigkeit versucht Translationsbewegungen des Rotorblatts gegenüber der Nabe in Richtungen zu unterdrücken, welche quer zur Längsachse des Rotorblatts verlaufen. Es wurde bereits erwähnt, daß die hohe radiale Steifigkeit auch die Ursache dafür ist, daß die Voreilungs-Wacheilungs-Achse der Rotation relativ nahe zum zweiten Lager gelegt wird.

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Obwohl das erste Lager näher zur Rotornabe als das zweite Lager angeordnet werden kann, ist die umgekehrte Anordnung der Lager "bevorzugt, um die Achse der Voreilungs-Nacheilungs-Bewegung so nahe wie möglich zur Rotornabe zu legen. Die Anordnung der Voreilungs-Nacheilungs-Achse oder des -Gelenkes nahe der Drehachse der Nabe läßt die wirksamste Ausnutzung der Dämpfungseigenschaften des Dämpfungsmaterials zu, das in die Lager eingefügt werden kann. Insbesondere zeigt die Zentrifugalkraft, die auf ein sich bewegendes Rotorblatt ausgeübt wird, die Neigung, als Rückhaltefeder/auf die Voreilungs-Nacheilungs-Bewegung des Blatts zu wirken. Die durch die Zentrifugalkraft bereitgestellte Rückhaltefeder/fur die Voreilung-Nacheilung zeigt an der Achse der Yoreilungs-Nacheilungs-Bewegung ihre effektive Wirkung. Die Federkonstante oder die Steifigkeit dieser Hemmung wächst mit zunehmender Distanz längs dem Rotorblatt zwischen der Nabe und der Voreilungs-Nacheilungs-Achse. Da die Zentrifugalkraft-Rückhaltefeder/parallel mit den mechanischen Jedem wirkt, welche durch die zwei Lager dargestellt werden, wird die effektive IPederkonstante des Haltesystems durch die Gleichung / Ί/Κ,ρ = 1/%, + 1/K₂.

Dabei ist in dieser Gleichung K™ die Pederkonstante des Haltesystems, K. die Federkonstante der Zentrifugalkraft-Rückhalte-

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feder/, und K^ die aus den zwei Lagern zusammengesetzte Federkonstante. Wenn somit eine Komponente der JPederkonstanten grosser als die andere wird, wird sie rasch zum dominierenden Faktor bei der Bestimmung der wirksamen Federkonstante des Haltesystems. Gleichzeitig werden die Dämpfungseigenschaften der Pederelemente zur Bestimmung der effektiven Dämpfungscharakteristik des Haltesystems im selben Verhältnis wie die lederkonstanten kombiniert. Die durch die Zentrifugalkräfte festgelegte Federhemmung erzeugt keinen bedeutenden Dämpfungsanteil. Wenn die Voreilungs-Nacheilungs-Federkonstante der Zentrifugalkraft-!¹ ederhemmung gegenüber der Voreilungs-Nacheilungs-Federkonstante der Lager zunimmt, verringert sich folglich die auf die Voreilungs-Nacheilungs-Bewegungen des Rotorblatts ausgeübte Dämpfung rasch auf

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veruachlässigbare Anteile, wobei es keine Eolle spielt, wieviel Dämpfung die Lager selbst bewirken könnten. Die Plazierung der Vorellungs-Hacheilungs-Achse relativ nahe an die Rotornabe zeigt die Tendenz, die Mitwirkung der Zentrifugalkraft an der Voreilungs-Nacheilungs-Federkonstante und an den Dämpfungseigenschaften des Haltesystems zu verringern.

Die in dieser Erfindung angewandte Idee, die Achse der Voreilungs-Nacheilungs-Bewegung vom wirksamen elastischen Zentrum eines Lagers in einem Blatt-Haltesystem so wegzusetzen, daß die Steifigkeit des Haltesystems in Reaktion auf Yoreilungs-Bacheilungs-Bewegungen eines Rotorblatts vergrößert wird, ist bereits in der US-PS 3 292 712 vorgeschlagen worden. In diesem bekannten Haltesystem sind zwei laminierte elastomere Lager mit sphärisch geformten Schichtungen in paralleler, Last übertragender Beziehung zu den wirksamen elastischen Zentren der zwei Lager, welche voneinander versetzt angeordnet sind, angebracht. In dieser Patentschrift wird in Spalte 2, Zeile 32-42, angeführt, daß die Toreilungs-Nacheilungs-Bewegungen eines Rotorblatts eine gewisse Kompressionsbelastung der elastomeren Schichten in den zwei Lagern erzeugen und dadurch die Steifigkeiten der Lager in der Yoreilungs-Uacheilungs-Richtung so vergrößern, daß eine Annäherung an einen starren (d.h. in der Ebene steifen) Rotor erreicht wird. Obwohl dieses bekannte Haltesystem theoretisch dazu fähig ist, in Reaktion auf Yoreilungs-Uacheilungs-Bewegungen eine relativ hohe Steifigkeit zu erzeugen, leidet es an den gleichen, sich' in der Praxis zeigenden Nachteilen wie das früher erwähnte Rotorblatt-Haltesystem, das in der XJS-PS 3 111 172 beschrieben ist. Diese .Nachteile entstehen deshalb, weil die Lager dieses, aus der US-PS 3 292 712 bekannten Haltesystems sowohl Voreilungs-Nacheilungsals auch Schlagbewegungen erfahren und weil Jede Bemühung, die Voreilungs-Hacheilungs-Pederkonstante des Systems einzustellen, sich auch auf die Schlag-ffederkonstante des Systems auswirkt. Zusätzlich übt dieses bekannte Haltesystem keinen ausreichenden Zwang auf seitliche und vertikale Translationsbewegungen des Rotorblatts aus. Die seitliche und vertikale Hemmung ist

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ein kritischer Parameter, weil das Rotorblatt in Bewegung versucht, sich körperlich in radialen Richtungen gegenüber seiner Mittellinie zu bewegen. Die Translationsbewegungen des Rotorblattes können unerwünschte und betriebs/lebensdauer-reduzierende Berührungen zwischen den relativ unflexiblen Elementen der Rotornabe und des Rotorblattes herbeiführen, welche durch die laminierten Lager separiert gehalten werden sollen.

Das erfindungsgemäße Blatt-Haltesystem zeigt auch einige .Ähnlichkeit im Aufbau mit dem Blatt-Haltesystem, das in den Pig. 5, 6 und 7 der TJS-PS 3 967 918 zu sehen ist. In diesem bekannten Rotorblatt-Haltesystem ist ein Schlaggelenk oder Biegestreifen zwischen einem laminierten elastomeren Lager und einem kugelgelenkartigen Lager angeordnet. Der Aufbau dieses bekannten Systems ist derart ausgeführt, daß sowohl

auch

die Voreilungs-Kacheilungs- als/die Schlagbewegungen des Rotorblatts über eine Achse aufgenommen werden, die durch das wirksame elastische Zentrum des laminierten elastomeren Lagers verläuft. Dabei ergibt sich, daß das laminierte Lager die gesamte Schlagbewegung des Blattes erfährt und entsprechend dimensioniert werden muß. Die Voreilungs-lTacheilungs-Bewegungen des Rotorblattes werden durch die Wirkung viskoelastischen Dämpfungsmaterials bedämpft, weichesbenachbart dem.Kugelgelenklager angeordnet ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben; in dieser zeigt:

I¹Xg. 1 eine Draufsicht auf einen gelenkigen Rotor eines Hubschraubers, der mit dem erfindungsgemäßen Rotorblatt-Haltesystem ausgestattet ist, und

2 eine teilweise im Schnitt ausgeführte Seitenansicht des Rotorblatt-Haltesystems nach 3?ig. 1.

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In Fig. 1 ist ein Teil eines gelenkigen Hubschrauber-Rotors 10 zu sehen, der eine Rotornabe 12 aufweist, welche um ihre Mittelachse 14 durch einen konventionellen Antrieb saufbau, der nicht gezeigt wird, drehbar angetrieben wird. Zur Drehung mit der Nabe um ihre Mittelachse 14- sind Rotorblätter 16 an die Wabe 12 angeschlossen. Jedes Blatt 16 ist normalerweise so angeordnet, daß sich seine Längsachse 18 im allgemeinen radial von der Nabe 12 aus erstreckt. Obwohl in der Zeichnung nur ein einziges Rotorblatt 16 zu sehen ist, trägt die Rotornabe 12 typischerweise vier derartiger Rotorblätter.

Das wiedergegebene Rotorblatt 16 ist durch ein Blatt-Halte system, das allgemein das Bezugszeichen 20 besitzt, an die Nabe 12 angeschlossen. Das Haltesystem 20 enthält einen flachen, langgestreckten Arm 22, der aus Metall oder einem zusammengesetzten Material hergestellt ist, wie es beispielsweise in eine Kunststoffmatrix eingebettete Fasern hoher Festigkeit sind. Der Arm 22 ist an seinem inneren Ende 23 mit der Rotornabe 12 fest verbunden und erstreckt sich von der Nabe radial nach außen und verläuft im allgemeinen in der Ebene des Blattes 16. (Obwohl der mit dem ;Be zugs ζ eichen 23 bezeichnete Bereich des Arms 22 als das "innere" Ende oder Endbereich des Arms bezeichnet wird, erstreckt sich der Arm von der Nabe 12 tatsächlich in zwei entgegengesetzten Richtungen und verbindet damit zwei Rotorblätter 16 mit der Nabe.) Der innere Endbereich 23 des Arms 22 ist relativ dick und unflexibel. Im Endbereich 23 des Arms 22 sind eine große Mittelöffnung und auch mehrere kleinere Löcher gebildet, welche in Umfangsriclitung um die Mittelöffnung angeordnet sind. Die Mittelöffnung im Endbereich 23 des Arms 22 nimmt einen Wellenteil 27 der Rotornabe 12 auf. Die kleineren Löcher im inneren Endbereich 23 des Arms 22 nehmen Schraubbolzen 26 auf, welche den Arm 22 an anderen, ähnlichen Armen befestigen, die sich in quer verlaufende Richtungen erstrecken. Der Arm 22 wird auf dem Wellenteil 27 der Nabe 12 durch ein Kappenelement gehalten, das auf einem mit Gewinde versehenen, freien Ende der

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Welle aufgeschraubt ist.

Unmittelbar außerhalb der Rotornabe 12 besitzt der Arm 22 einen Abschnitt 24, welcher in einer senkrechten Ebene eine verringerte Dicke zeigt. Aufgrund seiner reduzierten Dicke ist der Abschnitt 24- des Arms 22 in einer vertikalen Ebene relativ biegsam und bildet damit von seiner Wirkung her ein Gelenk. Der Gelenkabschnitt 24 des Arms 22 erstreckt sich bis zu einem Punkt, der ungefähr längs der Armlänge auf halbem Wege liegt. Über dem Gelenkabschnitt 24 des Arms 22 hinaus erstreckt sich für den Rest der Armlänge der äußere Endabschnitt 25 des Arms 22. Der äußere Endabschnitt 25 des Arms 22 ist von ungefähr der gleichen Dicke wie der innere Endbereich 23, ist aber bedeutend dicker und weniger flexibel als der Gelenkabschnitt 24. Für praktische Zwecke kann der äußere Endabschnitt 25 des Arms 22 als im wesentlichen unflexibel betrachtet werden.

Der Arm 22 endet gerade innerhalb des inneren Endes des Rotorblattes 16, ist jedoch^von diesem inneren Ende mit Abstand angeordnet. Längs der Länge des Arms 22 sind zwei relativ große Öffnungen 29 und 30 gebildet. Jede dieser Öffnungen 29 und 30 zeigt etwa dreieckige !form und besitzt eine Spitze, die im allgemeinen auf die Mittelachse 14 der Rotornabe 12 zu gerichtet ist. Die Öffnung 29 ist im wesentlichen im Gelenkabschnitt 24 des Arms 22 angeordnet, während die Öffnung 30 im äußeren Endabschnitt 25 des Arms positioniert ist.

Ein Paar von im wesentlichen inflexiblen, flachen Armen 32 und 34 liegen auf und unter dem äußeren Endabschnitt 25 des Arms und bilden ein Joch bzw. einen Bügel um den Arm 22 herum. Die Jocharme 32 und 34 sind in parallel zu der Ebene des Arms 22 verlaufenden Ebenen angeordnet und in einer vertikalen Ebene vom Arm 22 mit Abstand angeordnet. An ihren äußeren Enden ist jeder der Jocharme 32 und 34 starr am Innenende des Rotorblattes 16 durch Verbindungselemente wie beispielsweise Schraubbolzen und

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Muttern befestigt, welche nicht dargestellt sind» Die Schraubbolzen, welche die Arme 32 und 34 fest mit dem Rotorblatt 16 verbinden, sind in ausgerichtete (nicht gezeigte) Öffnungen eingesetzt, welche in beiden Armen und im Innenende des Rotorblattes gebildet sind. Die äußeren Enden der Jocharme 32 und 34 sind dadurch starr miteinander verbunden. Die inneren Enden der Arme 32 und 34 sind ebenfalls starr miteinander verbunden. Ein Paar von Schraubbolzen 36 findet in ausgerichteten Öffnungen, welche in den Jocharmen 32 und 34- und in einem Ende einer Blattverstellungsstange 38 gebildet sind, Aufnahme. Die Jocharme 32 und 34- sind gegenüber dem Arm 22 longitudinal derart angeordnet, daß die Schraubbolzen 36 und das eine Ende der Blattverstellungsstange 38 sich durch das äußere Ende der Öffnung 29 des Arms 22 erstrecken. Auf die Enden der Schraubbolzen 36 werden Muttern 37 aufgeschraubt.

Ein Paar laminierter elastomerer Lager 40 und 42 ist zwischen den zwei Jocharmen 32 und 34 so angeordnet, daß sie sich in den öffnungen 29 bzw. 30, welche im Arm 22 gebildet sind, anordnen lassen. Wie es später noch beschrieben wird, sind die Lager und 42 sowohl mit den Jocharmen 32 und 34 als auch mit dem Arm 22 verbunden. Jedes der Lager 40 und 42 setzt sich aus einer Vielzahl von sich abwechselnden und miteinander verbundenen Schichten oder Lamellen aus elastomerem Material und aus im wesentlichen undehnbarem Material zusammen. Die Lamellen des Lagers 40 stellen kugelstumpfförmig ausgebildete Ringe dar, während die Lamellen des Lagers 42 Yoltkugelsegmente sind. Die elastomeren Lamellen des Lagers 40 sind vorzugsweise aus natürlichem Gummi gebildet, während die elastomeren Lamellen des Lagers 42 vorzugsweise aus einem höher gedämpften synthetischen Elastomer hergestellt ist. Alle undehnbaren Lamellen bei__der Lager 40 und 42 sind vorzugsweise aus Stahl gebildet. Wo es geeignet erscheint, können der Gummi und der Stahl durch andere elastomere und nichtdehnbare Materialien ersetzt werden.

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Unter den alternativen nicht dehnbar en Materialien können sich andere Metalle, Überglas, verstärkter Kunststoff und andere Materialien zusammengesetzter Natur "befinden, welche Verstärkungsfasern hoher Festigkeit "besitzen. I¹Ur den natürlichen Gummi im Lager 40 können synthetische Elastomere als Ersatz dienen. Das im Lager 42 verwendete Elastomer sollte vorzugsweise immer mit höheren Dämpfungseigenschaften ausgestattet sein. Zur detaillierten Diskussion hochgedämpfter Materialien und ihrer Funktionsweise kann auf einen Artikel von Eric E. Ungar und D. Kent Hatch mit dem Titel "High Damping Materials", der in der periodisch erscheinenden Zeitschrift "Product Engineering", Band 32, ITr. 16, vom 17. April 1961, erschien.

Die ringförmigen Lamellen des elastomeren Lagers 40 werden von einem relativ massiven und im wesentlichen unflexiblen, ringförmigen äußeren Glied 44 umgeben, das mit einer benachbarten elastomeren Lamelle verbunden ist. Das äußere Glied 44 wird beispielsweise aus Stahl gebildet. Im äußeren Glied 44 sind zwei (nicht dargestellte) parallele Löcher gebildet, wobei sich auf jeder Seite der Lamellen des Lagers 40 ein Loch befindet. Die Löcher im äußeren Glied 44 sind mit zugeordneten Löchern ausgerichtet, welche in den inneren Enden der Jocharme 32 und 34 gefertigt sind. Diese ausgerichteten Löcher, welche unmittelbar außerhalb von den Löchern, welche die Schraubbolzen 36 aufnehmen, angeordnet sind, dienen als Aufnahme für die Schraubbolzen 46. Die Schraubbolzen 46 verbinden mit ihren zugeordneten Muttern 47 die zwei Jocharme 32 und 34 und das äußere Glied des laminierten Lagers 40 starr miteinander. Innerhalb der ringförmigen Lamellen des Lagers 40 ist ein im wesentlichen unflexibles KugeMement 48, das beispielsweise ebenfalls aus Stahl gebildet ist. Das Kugelelement 48 ist mit einer benachbarten elastomeren Lamelle verbunden und ist bei einem Ende integral mit einem zweigabeligen Träger 50 verbunden. Sowohl das Kugelelement 48 als auch der Träger 50 verlaufen koaxial

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mit der Längsachse 18 des Rotorblattes 16. Jede Verzweigung oder Gabelung des Trägers 50 besitzt ein im Träger ^O ausgebildetes Paar von seitlich mit Abstand voneinander angeordneten Löchern, welche mit den Löchern in der anderen Gabelung vertikal ausgerichtet sind. Die ausgerichteten Löcherpaare im Träger 50 sind auch mit einem zugeordneten Paar von Öffnungen ausgerichtet, welche im äußeren Endabschnitt 25 des Arms 22 benachbart dem äußeren Ende der Öffnung 29 gebildet ist. Der Träger 50, der den Arm 22 zwischen seinen Gabelteilen aufnimmt, ist starr mit dem Arm 22 durch ein Paar von Schraubbolzen 52 verbunden. Jeder Schraubbolzen 52 erstreckt sich durch ein Loch in jedem der Gabelteile des Trägers ^O und durch eine ausgerichtete Öffnung im Arm 22. Eine Mutter 54-ist auf den freiliegenden, mit einem Gewinde versehenen Ende jedes Schraubbolzens 52 aufgeschraubt. Wie sich aus der Vorangegangenen Beschreibung erkennen läßt, sind die Jocharme 32 und 34 mit dem Arm 22 durch das laminierte elastomere Lager verbunden.

An jedem Ende des aus Lamellen aufgebauten elastomeren Lagers 42 ist eine relativ massive und unbiegbare Endplatte mit einer benachbarten elastomeren Lamelle verbunden. Die innere Endplatte 56 besitzt eine konvexe, sphärisch geformte Oberfläche, welche zu den Lamellen des Lagers 42 gerichtet ist. Die Endplatte 56 ist mit einer Zunge 58 ausgebildet, welche entgegengesetzt zur sphärischen Oberfläche angeordnet ist. Die Zunge 58 erstreckt sich der Längsachse 18 des Rotorblatts 16 entlang und besitzt ein Paar von seitlich mit Abstand voneinander angeordneten Bohrungen, welche in der Zunge ausgebildet sind. Die Bohrungen im Zungenbein 58 der Endplatte 56 sind mit einem zugeordneten Paar von Löchern oder Bohrungen, welche in den Jocharmen 32 und 34-ausgebildet sind, ausgerichtet. Jeder von zwei Schraubbolzen 60 erstreckt sich durch ausgerichtete Bohrungen im oberen und unteren Jocharm 32 und 34 und im Zungenteil 58 der Endplatte Um die Schraubbolzen in ihrer Stelle zu befestigen, werden Mut-

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tern 62 auf die freien, mit Gewinde versehenen Enden des Schraubbolzens 60 aufgeschraubt. Damit der Abstand zwischen den Jocharmen 32 und 34 und dem Zungenteil 58 der Lager-Endplatte 56 erhalten bleibt, werden zwischen der Zunge 58 und den Jocharmen 32 und 34 über und unter der Zunge 58 um die Schraübbolzen 60 herum Hülsen 64 angeordnet. Somit ist die Endplatte 56 starr mit den Armen 32 und 34- verbunden.

Die andere Endplatte 66 des Lagers 42 besitzt eine konkave sphärisch geformte Oberfläche, welche auf die Lamellen des Lagers und auf die Endplatte 56 gerichtet ist. Auf' der entgegengesetzten Seite der konkaven Oberfläche bildet die Endplatte 56 einen zweigabeligen Bügel 68. Die Gabelteile des Bügels 68 liegen über und unter dem äußeren Endabschnitt des Arms 22 benachbart zur äußeren Kante der Öffnung 30. Jeder Gabelteil des Bügels 68 besitzt ein Paar seitlich mit Abstand voneinander angeordneten. Bohrungen, die im Gabelteil ausgebildet sind. Jeder von zwei Schraubbolzen 70 erstreckt sich durch eine Bohrung in jedem der Gabelteile des Bügels 68 und durch eine ausgerichtete Bohrung, welche im Arm 22 gebildet ist. Um die Schraubbolzen 70 in ihrer Stellung zu halten, werden Muttern 72 auf die mit Gewinde versehenen Enden der Schraubbolzen 70 aufgeschraubt.

Wie beim Lager 40 ist der Arm 22 mit den Jocharmen 32 und durch das Lager 42 verbunden. Wie aus der vorangegangenen Beschreibung deutlich wird, ist das innere Kugelelement 48 des Lagers 40 ' mit der Endplatte 66 des Lagers 42 durch den äußeren Endabschnitt 25 des Arms 22 starr verbunden. Auf ähnliche Weise ist das äußere Element 44 des Lagers 40 durch die Jocharme 32 und 34 mit der Endplatte 56 des Lagers starr verbunden. Die Lager 40 und 42 können damit so aufgefaßt werden, als ob sie in paralleler, Last übertragender Beziehung untereinander verbunden sind. Beide Lager 40 und 42 sind gemeinsam bzw. gelenkig in Last übertragender Reihenanordnung

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πι-it dem Gelenkbereich 24- des Arms 22 verbunden.

Wenn bei Betrieb die Rotornabe 12 durch, ihre (nicht gezeigte) Antriebsvorrichtung gedreht wird, wird eine Zentrifugalbelastung, die längs der Längsachse 18 des Rotorblatts 16 wirkt, auf das Rotorblatt 16 ausgeübt und versucht das Blatt 16 radial weg von der Nabe zu drücken. Die Zentrifugalbelastung wird vom Blatt über die Jocharme 32 und 34- auf die aus Lamellen aufgebauten elastomeren Lager 40 und 4-2 übertragen. Da die zwei aus Lamellen aufgebauten elastomeren Lager 40 und 4-2 miteinander in paralleler, Last übertragender Beziehung verbunden sind, wird die Zentrifugalbelastung von den Lagern auf den Arm 22 durch Druckbelastung der verschiedenen elastomeren und undehnbaren Schichten beider Lager übertragen. Der Arm 22 überträgt die Belastung auf die Rotornabe 12.

Aus der Zeichnung und insbesondere aus Pig. 2 läßt sich erkennen, daß die Lamellen des Lagers 4-2 im allgemeinen senkrecht zur Achse 18 orientiert sind, längs der die Zentrifugalbelastung ausgeübt wird. Das Lager 4-2 wird deshalb durch jede längs der Längsachse 18 des Rotorblatts 16 angelegte Last primär im Druckzustand belastet und ist relativ steif (d.h., besitzt eine hohe Federkonstante) in Richtung der Längsachse des Rotorblattes. Die Lamellen des Lagers 4-0 sind andererseits allgemein parallel zur Achse 18 orientiert, längs der die Zentrifugalbelastung angelegt wird. Auf jede Belastung hin, die längs der Achse 18 angelegt wird, machen die elastomeren Schichten des Lagers 40 deshalb Scherbewegungen und werden ebenfalls in gewissem Maße zusammengepreßt. Aufgrund der relativ geringen Scherfestigkeit jedes Elastomers ist das Lager 40 in Richtung der Blattachse 18 weniger steif als das Lager 4-2. Aufgrund der relativen Steifigkeiten der Lager 40 und 4-2 längs der Achse (d.h. aufgrund der 'axialen Steifigkeiten) übernimmt das Lager 4-2 einen relativ großen Anteil der Zentrifugalbelastung, die auf das Rotorblatt 16 ausgeübt wird. Das Lager 4-0, das in einer

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Kombination aus Kompression und Scherung seiner elastomeren Schichten "belastet ist, erfährt einen relativ kleinen Teil der Zentrifugalkraft. Als Beispiel für die entsprechenden axialen Steifigkeiten der zwei Lager 40 und 42 kann die Federkonstante oder die Federsteifigkeit des Lagers 4-2 in Richtung der Zentrifugalbelastung etwa den 200-fachen Wert der zugeordneten Federkonstante für das Lager 40 besitzen.

Obwohl die geschichteten elastomeren Lager 40 und 42 der Zentrifugalbelastung auf das Rotorblatt 16 ausgesetzt sind, geben sie dem Blatt eine gewisse Freiheit, sich in Reaktion auf beispielsweise aerodynamische Kräfte, die in anderen Richtungen als die Richtung längs der Rotorblattlänge ausgeübt werden, zu bewegen. Derartige Kräfte können beispielsweise die Voreilungs-Hacheilungs-Bewegungen und Schiagbewegungen des Rotorblatts 16 erzeugen, die Schwenkbewegungen des Blatts um Querachsen oder spezieller um Achsen darstellen, die allgemein senkrecht zur Längsachse 18 des Blatts verlaufen. Das laminierte elastomere Lager 42 kann derartige Bewegungen durch Relativbewegungen der nicht ausdehnbaren Lamellen im Lager und durch Scherung der elastomeren Schichr ten im Lager aufnehmen. iMormalerweise erfolgt die Relativbewegung der nicht ausdehnbaren Lamellen im Lager 42 um das wirksame elastische Zentrum 74 des Lagers 42. Das effektive elastische Zentrum 74 ist einwärts von der Endplatte 56 des Lagers 42 längs der Längsachse 18 des Rotorblatts 16 lokalisiert. Das laminierte Lager 40 kann ebenfalls Voreilungs-Bfacheilungs- und Schlagbewegungen des Rotorblatts durch Scherung der elastomeren Schichten im Lager aufnehmen. Wiederum erfolgt die Scherung der elastomeren Lamellen und die relativen Rotationsbewegungen der nicht ausdehnbaren Lamellen im Lager 40 normalerweise um das effektive elasbische Zentrum 46 des Lagers. Das effektive elastische Zentrum ist also der geometrische Mittelpunkt des Lagers 40 und des Kugelelements 48.

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Da das effektive elastische Zentrum 74 des Lagers 42 vom effektiven elastischen Zentrum 76 des Lagers 40 mehrere Zoll (inches) weg liegt, wirken die zwei Lager im Verhältnis ihrer relativen Steifigkeiten in Richtungen quer zur Achse 18 so zusammen, daß sie ein zusammengesetzes effektives elastisches Zentrum erzeugen, das zwischen den elastischen Zentren 74 und 76 lokalisiert ist. Die Orientierung der Lamellen der Lager 40 führt dazu, daß das Lager in Richtungen quer zur Blattachse 18 eine relativ große Steifigkeit besitzt, die im folgenden als radiale Steifigkeit "bezeichnet wird. Die radiale Steifigkeit des Lagers 40 ist im Vergleich zu seiner axialen Steifigkeit besonders groß. Die Orientierung der Lamellen des Lagers 42 führt andererseits dazu, daß das Lager 42 sowohl im Vergleich zu seiner axialen Steifigkeit als auch im Vergleich zur radialen Steifigkeit des Lagers 40 eine relativ kleine radiale Steifigkeit besitzt. Beispielsweise kann die radiale Steifigkeit oder Federkonstante des Lagers ungefähr den 20-fachen Wert der radialen Steifigkeit des Lagers 42 besitzen. Aufgrund der Differenzen in den radialen Steifigkeiten der Lager 40 und 42 ist das zusammengesetzte effektive elastische Zentrum der zwei Lager relativ nahe beim effektiven elastischen Zentrum 76 des Lagers lokalisiert.

Durch das zusammengesetzte effektive elastische Zentrum der zwei Lager 40 und 42 verläuft die Voreilungs-Nacheilungs-Achse, um die herum die Voreilungs-ITacheilungs-Bewegungen des Rotorblatts 16 stattfinden. Indem die Voreilungs-Nacheilungs-Achse des Rotorblatts 16 eine beträchtliche Entfernung vom effektiven elastischen Zentrum 74 des Lagers 42 positioniert wird, belasten die Voreilungs-Eacheilungs-Bewegungen des Rotorblatts 16 die elastomeren Lamellen des Lagers 42 in einer Kombination aus Druck und Scherung. Eine derartige kombinierte Druck- und Scherbelastung erzeugt eine Hemmung (d.h. Federkonstante) von höherem Wert gegenüber Vor-

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eilungs-Nacheilungs-Bewegungen des Blatts, als wenn die Belastung der elastomeren Lamellen ausschließlich auf Scherwirkung beruht. Es wurde "bereits früher erwähnt, daß durch Lokalisierung der effektiven Voreilungs-iMacheilungs-Achse in möglichst naher Position zur zentralen Achse 14 der Rotornabe 12 die radiale Federwirkung der Zentrifugalkraft, die auf das Rotorblatt 16 ausgeübt wird, auf einem Wert gehalten wird, der im Vergleich zur Voreilungs-JMacheilungs-Steifigkeit des Rotorblatt-Haltesystems 20 nicht übermäßig groß ist. Da die Lager 40 und 42 bei kombinierter Kompressions- und Scherbelastung des Lagers 42 dem gesamten Haltesystem 20 in Reaktion auf Voreilungs-Nacheilungs-Bewegungen des Rotorblatts 16 eine relativ hohe Steifigkeit oder Federkonstante vermitteln, wird der Dämpfungsanteil, der zur Steuerung der Bewegungen des Rotorblatts bei der Eigenfrequenz für Voreilungs-Nacheilungs-Bewegungen erforderlich ist, reduziert. Indem die Voreilungs-Nacheilungs-Achse so lokalisiert wird, daß die radialen Feuerwirkungen der Zentrifugalbelastungen auf das Rotorblatt 16 minimiert werden, kann die Dämpfung, die von den stark gedämpften elastomeren Lamellen des Lagers 42 bereitgestellt wird, am wirksamsten ausgenützt werden. Die Folge davon ist ein Haltesystem, das ohne Verwendung eines Voreilungs-äacheilungs-Hilfsdämpfers eine angemessene Voreilungs-JMacheilungs-Dämpfung bereitstellt.

Obwohl die Lager 40 und 42 Schlagbewegungen des Rotorblatts 16 aufnehmen können, die um eine quer zur Längsachse 18 des Blattes gerichteten Achse und im allgemeinen senkrecht zur Mittelachse 14 der Rotornabe verlaufen, besitzt der Gelenkbereich 24 des Arms 22 in Reaktion auf Schlagbewegungen des Rotorblatts 16 eine derartige Steifigkeit, daß ein Hauptteil der Schlagbewegung durch Abbiegung des Gelenkbereichs des Arms 22 aufgenommen wird. Vorzugsweise nimmt der Gelenkbereich 24 des Arms 22 im wesentlichen die gesamte Schlagbewegung des Rotorblatts 16 (d.h. ungefähr 95 % "bis 99 % der Schlagbewegung) um eine Schlagachse nahe dem Zentrum des Gelenkbereichs auf. Da

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mit dem Gelenkbereich 24· des Arms 22 der Hauptteil der Schlag-"bewegung des Rotorblatts 16 aufgenommen wird, muß diese Bewegung nicht von den Lagern 40 und 4-2 aufgenommen werden, die große radiale Federkonstanten oder Steifigkeiten besitzen. Da die Amplitude der Schlagbewegungen typischerweise· das Mehrfache (beispielsweise das 7- bis 8-fache) der Amplitude zugeordneter "Voreilungs-Nacheilungs-Bewegungen eines Rotorblatts 16 beträgt, müßten die Lager 40 und 4-2 in ihren Abmessungen (d.h. in der Gesamtdicke des elastomeren Materials) vergrößert werden, wenn sie irgendeinen beträchtlichen Anteil einer derartigen Bewegung erfahren sollten. Zusätzlich ist der Einsatz hoher Pederkonstanten gegenüber Schlagbewegungen im allgemeinen nicht wünschenswert.

Sowohl das Lager 40 als auch das Lager 4-2 sind den gesamten BlattverStellungs-Bewegungen des Rotorblatts 16 ausgesetzt. Die Blattverstellungs-Bewegungen, die durch die Position der Blattverstellungsstange 38 gesteuert werden, sind Rotationsbewegungen des Blattes 16 um seine Längsachse 18. Da sowohl die effektive Voreilungs-Wacheilungs-Achse als auch die Schlagachse relativ nahe zusammenliegen, kann die Blattverstellungsstange 38 sehr nahe an beide Achsen lokalisiert werden; dadurch werden alle unerwünschten Änderungen im Blattverstellungswinkel des Blattes 16 aufgrund von Voreilungs-lTacheilungs- und/oder Schlagbewegungen des Blattes eliminiert.

Obwohl der Erfindungsgegenstand in bezug auf eine Ausführungsform beschrieben wurde, in der zwei Lager mit sphärisch geformten elastomeren und nicht ausdehnbaren Lamellen verwendet werden, können statt den Lagern 40 und 4-2 Lager eingesetzt werden, welche Lamellen anderer Formungen enthalten, wobei dies unter der Voraussetzung geschieht, daß die Funktion der zwei Lager nicht geändert wird. Obwohl alle Lamellen des Lagers 40 Ringe von kugelstumpf artiger Form sind, kann das Lager 40 durch ein Lager er-

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setzt werden, bei dem die zuinnerst angeordneten Lamellen rohrartige Form besitzen und nur die äußersten Lamellen in ihrer Form kugelstumpfartig sind. Die rohrförmigen Lamellen wurden die axiale Federkonstante des Lagers weiter vermindern, während die kugelstumpf förmigen Lamellen ein Abbiegen des Lagers in Reaktion auf Voreilungs-Macheilungs-Bewegungen erlauben wurden. Gleichermaßen könnte das Lager 4-2 durch ein Lager ersetzt werden, bei dem die Lamellen beispielsweise eher kegelstumpfartig in ihrer Form als sphärische Segmente sind. Die kegelstumpfartige Form derartiger Lamellen würde von selbst eine gewisse Druck- und Scherbelastung der elastomeren Lamellen im Lager sogar dann erzeugen, wenn die effektive Voreilungs-Nacheilungs-Achse nicht vom effektiven elastischen Zentrum des Lagers 4-2 versetzt liegt.

Die Darstellung der erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt einen einzelnen Arm 22, der sich von der Rotornabe 12 aus erstreckt und durch die Lager 4-0 und 4-2 mit einem Paar von Jocharmen 32 und 34-verbunden ist, welche am Rotorblatt 16 befestigt sind. Nichtsdestoweniger wäre es möglich, diese Anordnung so umzudrehen, daß die Rotorblattwelle zwischen zwei Jocharmen in Eingriff steht, die sich von der Rotornabe 12-aus erstrecken. Es wäre ebenfalls möglich, daß sich die Rotorblattwelle bzw. -achse statt um d Lager herum, wie es in der Darstellung der erfindungsgemäßen Ausführungsform gezeigt ist, in einer derartigen alternativen Anordnung durch die Mittelpunkte beider Lager erstreckt. Schließlich wäre es möglich, die Positionen der Lager 40 und 4-2 umzukehren. Eine derartige umgekehrte Anordnung würde jedoch etwas von dem Torteil vermissen lassen, daß die Voreilungs-liacheilungs-Achse so nahe an der Mittelachse 14- der Rotornabe 12 liegt, wie es in der ' dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Fall ist.

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Somit wird ein Rotorblatt-Haltesystem geschaffen, das ein langgestrecktes Rotorblatt mit einer Rotornabe verbindet, welche um ihre Mittelachse drehbar ist. Das angeschlossene Rotorblatt erstreckt sich normalerweise allgemein radial von der .Wabe aus und kann sich mit der Nabe drehen. Das Haltesystem umfaßt ein Paar von Lagern, welche in paralleler, Last übertragender Beziehung miteinander verbunden sind. Beide Lager sind mit einem Schlaggelenk in reihenartiger, Last übertragender Beziehung verbunden. Ein Lager ist längs der Längsachse des Rotorblatts relativ steif, ist jedoch in Richtungen quer zur Längsachse des Rotorblatts weniger steif. Das andere Blatt besitzt seine größte Steifigkeit in Richtungen quer zur Rotorblatt-Achse und ist längs der Achse weniger steif. Beide Lager bestimmen effektive elastische Zentren, die längs der Längsachse des Rotorblatts lokalisiert sind, wobei jedoch dLe zwei elastischen Zentren voneinander mit Abstand angeordnet sind. Die zwei Lager nehmen Voreilungs-Nacheilungs-Bewegungen des Rotorblatts auf. Aufgrund der relativen Steifigkeiten der Lager in Richtungen quer zur Längsachse des Rotorblattes ist diejenige Achse, um die die Voreilungs-Nacheilungs-Bewegung erfolgt, vom effektiven elastischen Zentrum desjenigen Lagers versetzt, das seine größte Steifigkeit längs der Längsachse des Rotorblatts zeigt. Diese Versetzung der Voreilungs-Uacheilungs-Achse bewirkt, daß das Lager und das Haltesystem in Reaktion auf Voreilungs-Hacheilungs-Bewegungen relativ steif erscheint. Die Steifigkeit des Blatt-Haltesystems in Reaktion auf Schlagbewegungen des Rotorblatts wird jedoch nicht beeinträchtigt, da das in Reihe angeschlossene Schlaggelenk den größten Anteil der Schlagbewegung in Vorrang zu den Lagern aufnimmt. Da das Haltesystem relativ steif in Reaktion auf Voreilungs-Nacheilungs-Bewegungen ist, ist bei. den Eigenfrequenzen der Voreilungs-Nacheilungs-Bewegung eine geringere Dämpfung erforderlich. Die notwendige Dämpfung kanu vollständig ohne Verwendung eines Voreilungs-ITacheilungs-Hilfsdämpfers durch ein Material bereitgestellt werden, das in den Lagern eingebaut ist.

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Leerse ite

Claims

PATENTANWÄLTE 98ΠΔΔ77

MANITZ, FINSTERWALD & GRÄMKO¥

LORD CORPORATION München, den 2.2.197 8

West 12th. Street, Erie, S/4/Sv-L 2049 Pennsylvania, USA

Rotorblatt-Haltesystem

Patentansprüche :

Rotorblatt-Haltesystem zur Verbindung wenigstens eines langgestreckten Rotorblattes mit einer um eine Mittelachse drehbaren Rotornabe, von der sich das angeschlossene Rotorblatt normalerweise im allgemeinen radial erstreckt und sich mit der Habe um deren Mittelachse drehen läßt, dadurch, gekennzeichnet , daß ein erstes Lagersystem, das zwischen dem Rotorblatt und der Rotornabe angeordnet ist, längs einer Längsachse des Rotorblattes eine Achse größter Steifigkeit besitzt, quer zur Längsachse des Rotorblattes Achsen geringerer Steifigkeiten aufweist, auf der Längsachse des Rotorblattes ein erstes effektives elastisches Zentrum bestimmt und das Rotorblatt gegen Zentrifugalkräfte, die auf das Blatt während einer Rotation des Blattes mit der Rotornabe ausgeübt werden, zurückhält, daß ein zweites Lagersystem, das zwischen dem

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DR. G. MANITZ · D1PL.-7NG. M. FINSTERWALD DIPL.-INC. W. GRAMKOW ZENTRALItASSE BAYER. VOLKSBANKEN

MÖNCHEN 22. ROBERT-KOCH-STRASSE I 7 STUTTGART SO (BAD CANNSTATT) MÖNCHEN. KONTO-N UMMER 7 2

TEL. (0891 2242 II. TELEX 05-39672 PATMF SEELBERGSTR. 23/35. TEL. (0711)56 72 61 POSTSCHECKiMONCHEN 77062-808

Rotorblatt und der Rotornabe angeordnet ist und in paralleler, lastübertragender Beziehung zum ersten Lagersystem angeschlossen ist, quer zur Längsachse des Rotorblattes Achsen größter Steifigkeit "besitzt und eine Achse geringerer Steifigkeit aufweist, welche mit der Achse größter ₄ Steifigkeit des ersten Lagersystems und der Längsachse des Rotorblattes zusammenfällt, daß das zweite Lagersystem ein zweites effektives elastisches Zentrum bestimmt, das auf der Längsachse des Rotorblattes lokalisiert ist und zu allen Zeitpunkten einen Abstand vom ersten effektiven elastischen Zentrum des ersten Lagersystems aufweist, daß ein Gelenk, das Schlagbewegungen des Rotorblattes um eine Schlagachse, die quer zur Längsachse des Rotorblattes und mehr senkrecht als parallel zur Mittelachse der Rotornabe orientiert ist, zuläßt und sich als Reaktion auf diese Schlagbewegungen abbiegt, zwischen der Rotornabe und den ersten und zweiten Lagersystemen angeordnet ist und an die Rotornabe und an das erste und zweite Lagersystem angeschlossen ist, daß eine erste, im wesentlichen unflexible "Verbindungsvorrichtung das erste und das zweite Lagersystem starr untereinander verbindet und das erste und das zweite Lagersystem starr an das Rotorblatt anschließt, daß eine zweite, im wesentlichen unflexible Verbindungsvorrichtung das erste und das zweite Lagersystem starr untereinander verbindet, wobei die erste und die zweite Verbindungsvorrichtung so zusammenwirken, daß die Lagersysteme in paralleler, lastübertragender Beziehung angeordnet sind, daß die zweite Verbindungsvorrichtung das erste und das zweite Lagersystem auch an das Gelenk in reihenartiger, lastübertragender Beziehung anschließt, so daß das Gelenk in Reihe mit dem ersten Lagersystem das Rotorblatt gegen auf das Rotorblatt ausgeübte Zentrifugalkräfte hält, und daß die Steifigkeit des Gelenks in Reaktion auf Schlagbewegungen des Rotorblatts um die Schlagachse im Vergleich zu entsprechenden Steifigkeiten des ersten und des zweiten Lagersystems so gewählt ist, daß das Gelenk einen Hauptteil der Schlagbewegung des Rotorblattes aufnimmt, während die

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relativen. Steifigkeiten des ersten und des zweiten Lager syst ems in Richtungen quer zur Längsachse des Rotorblattes so gewählt sind, daß eine Voreilungs-Nacheilungs-Achse, die quer zur Längsachse des Rotorblatts und mehr parallel als senkrecht zur Mittelachse der Rotornabe orientiert ist und um die oszillierende Yoreilungs-Nacheilungs-Bewegungen des Rotorblatts erfolgen, näher am zweiten elastischen Zentrum als am ersten elastischen Zentrum lokalisiert ist.
2. Halte syst em nach Anspruch. Ί, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagersysteme in ausreichendem Maße Voreilungs-Hacheilungs-Bewegungen des Rotorblatts bei den Eigenfrequenzschwingungen des Rotorblatts um die Voreilungs-Nacheilungs-Achse dämpfen kann, ohne daß ein zusätzliches Dämpfungssystem notwendig ist.
3. Haltesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenschwingfrequenz des Rotorblatts um die Voreilungs-Nacheilungs-Achse geringer als die Drehzahl von Rotorblatt und -nabe ist.
4-, Haltesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steifigkeit des Gelenks in Reaktion auf Schlagbewegungen des Rotorblatts so groß ist, daß das Gelenk im wesentlichen die gesamte Schlagbewegung aufnimmt.
5· Halte system nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Lagersystem ein laminiertes elastomeres Lager darstellt, das eine Vielzahl von sich abwechselnden und miteinander verbundenen Schichten aus elastomerem Material und aus im wesentlichen undehnbarem Material enthält.
6. Halte syst em nach. Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schicht des elastomeren Lagers des ersten Lagersystems sphärische Gestalt besitzt und im allgemeinen

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senkrecht zur Längsachse des Rotorblattes orientiert ist.
7· Haltesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Lagersystem ein laminiertes, elastomeres Lager darstellt, das eine Vielzahl von sich abwechselnden und miteinander verbundenen Schichten aus elastomerem Material und aus im wesentlichen undehnbarem Material enthält.
8. Haltesystem nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei angrenzende Schichten des elastomeren Lagers des zweiten Lagersystems ringförmig sind und ineinanderpassende sphärische Formen besitzen, und daß wenigstens ein Teilbereich der sphärischen Form von jeder der wenigstens zwei Schichten im allgemeinen parallel zur Längsachse des Rotorblatts orientiert ist.
9. Rotorblatt-Haltesystem zur Verbindung wenigstens eines langgestreckten Rotorblattes mit einer um eine Mittelachse drehbaren Rotornabe, von der sich das angeschlossene Rotorblatt normalerweise im allgemeinen radial erstreckt und mit der Nabe um deren Mittelachse sich drehen läßt, dadurch g e k e η η zeichnet , daß ein erstes laminiertes, elastomeres Lager mit einer Vielzahl von sich abwechselnden und miteinander verbundenen Schichten aus elastomerem Material und aus im wesentlichen undehnbarem Material zwischen dem Rotorblatt und der Rotornabe angeordnet ist und längs einer Längsachse des Rotorblattes eine Achse größter Steifigkeit und quer zur Längsachse des Rotorblattes Achsen geringerer Steifigkeiten besitzt, daß das erste Lager ein erstes effektives elastisches Zentrum auf der Längsachse des Rotorblattes bestimmt und das Rotorblatt gegen Zentrifugalkräfte, welche während einer Rotation des Blattes mit der Rotornabe auf das Blatt ausgeübt werden, zurückhält, daß ein zweites laminiertes elasto-

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meres Lager mit einerYielzahl von sich abwechselnden und miteinander verbundenen Schichten aus elastomerem Material und aus im wesentlichen undehnbarem Material zwischen dem ersten Lager und der Rotornabe angeordnet ist und in paralleler, lastübertragender Beziehung mit dem ersten Lager verbunden ist, daß das zweite Lager quer zur Längsachse des Rotorblattes Achsen größter Steifigkeit und eine Achse geringerer Steifigkeit besitzt, welche mit der Achse größter Steifigkeit des ersten Lagers und der Längsachse des Rotorblattes zusammenfällt, daß das zweite Lager ein zweites effektives elastisches Zentrum bestimmt, das an der Längsachse des Rotorblattes lokalisiert ist und zu allen Zeitpunkten vom ersten elastischen Zentrum des ersten Lagers einen Abstand aufweist, daß ein Gelenk, das Schlagbewegungen des Rotorblattes um eine Schlagachse, die quer zur Längsachse des Rotorblattes und mehr senkrecht als parallel zur Mittelachse der Rotornabe orientiert ist, zuläßt und sich in Reaktion auf diese Schlagbewegungen abbiegt, zwischen der Rotornabe und den ersten und zweiten Lagern angeordnet ist und mit der Rotornabe und den ersten und zweiten Lagern verbunden ist, daß eine erste, im wesentlichen unflexible Verbindungsvorrichtung das erste und das zweite Lager starr miteinander verbindet und das erste und zweite Lager starr an das Rotorblatt anschließt, und daß eine zweite, im wesentlichen unflexible Verbindungsvorrichtung das erste und das zweite Lager starr miteinander verbindet, wobei die erste und die zweite unflexible Verbindungsvorrichtung so zusammenwirken, daß die Lager in paralleler, lastübertragender Beziehung angeordnet sind, daß die zweite, unflexible Verbindungsvorrichtung auch das erste und das zweite Lager mit dem Gelenk in reihenartiger, lastübertragender Beziehung so verbindet, daß das Gelenk in Reihe mit dem ersten Lager wirkt, um das Rotorblatt gegen auf das Rotorblatt ausgeübte Zentrifugalkräfte zurückzuhalten, und" daß die Steifigkeit des Gelenks in Reaktion auf Schlagbewegungen des Rotorblatts um die Schlagachse im Vergleich zu .entsprechenden Steifigkeiten des ersten und des zweiten

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Lagers so gewählt ist, daß das Gelenk einen Hauptteil der Schlagtewegung des Rotorblatts aufnimmt, während die relativen Steifigkeiten des ersten und des zweiten Lagers in Richtungen quer zur Längsachse des Rotorblatts so gewählt sind, daß eine Voreilungs-Nacheilungs-Achse, welche quer zur Längsachse des Rotorblatts und mehr parallel als senkrecht zur Mittelachse der Rotornahe orientiert ist und um welche die oszillierenden Voreilungs-lTacheilungs-Bewegungen des Rotorblatts auftreten, näher am zweiten elastischen Zentrum als am ersten elastischen Zentrum lokalisiert ist, wobei die elastomeren Schichten des ersten Lagers aus einem, im Vergleich zu Naturgummi, stark gedämpften elastomerem Material hergestellt sind und somit Yoreilungs-Bacheilungs-Bewegungen des Rotorblatts bei der Eigenschwingfrequenz des Rotorblatts um die Voreilungs-Nacheilungs-Achse primär durch das erste Lager ohne zusätzliches Voreilungs-Nacheilungs-Dämpfungssystem gedämpft werden.
10. Haltesystem nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß jede Schicht des ersten Lagers sphärische Gestalt besitzt und im allgemeinen senkrecht zur Längsachse des Rotorblattes orientiert ist.
11. Haltesystem nach Anspruch 9> dadurch gekennzeichnet, daß jede Schicht des zweiten Lagers ringförmig ist und wenigstens zwei angrenzende Schichten mit ineinanderpassenden sphärischen Formen besitzt, und daß wenigstens ein Teilbereich der sphärischen !Form von jeder der wenigstens zwei Schichten im allgemeinen parallel zur Längsachse ded Rotorblattes orientiert ist.

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