DE2829605A1

DE2829605A1 - Rotornabe

Info

Publication number: DE2829605A1
Application number: DE19782829605
Authority: DE
Inventors: Marcel Andre Sylvain Lafargue; Rene Louis Moulille
Original assignee: Airbus Group SAS
Current assignee: Airbus Group SAS
Priority date: 1977-07-13
Filing date: 1978-07-05
Publication date: 1979-02-08
Also published as: GB2001025A; US4273511A; GB2001025B; FR2397325B1; DE2829605C2; FR2397325A1

Description

Societe Nationale Industrielle Aerospatiale Paris / Frankreich

ROTORNABE

Die Erfindung bezieht sich auf eine Rotornabe, insbesondere für den Hauptrotor eines Hubschraubers, welche für jedes Rotorblatt eine im wesentlichen radiale elastische und verwindbare Platte aufweist, die ohne Berührung von einer starren rohrförmigen Hülse umgeben ist, wobei die äußeren Enden jeder Platte und der sie umgebenden Hülse an der Spitze des Laufabschnitts bzw. an der Wurzel des entsprechenden Rotorblattes miteinander verbunden sind, während das innere Ende jeder rohrförmigen Hülse fest mit einem starren Ring verbunden ist, auf welchem außen der Lenkhebel zur Blattverstellung angelenkt ist.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Rotornabe für den Hauptrotor eines Hubschraubers.

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Es sind bereits zahlreiche verschiedene Arten von Hubschrauberrotoren bekannt, wie auch Naben für diese Rotoren. Die neuesten Typen zeichnen sich dabei durch sehr geringes Gewicht und durch einen besonders einfachen Aufbau aus, die sich in einer beträchtlichen Verringerung der Herstellungs- und Wartungskosten niederschlagen.

Bei den neuesten Ausführungsformen von Hubschrauberrotoren sind jedoch diese hervorragenden Eigenschaften nicht immer mit einer ausreichenden aerodynamischen Ausgewogenheit verbunden.

Es sind andererseits Heckrotortypen (gegenläufige Rotoren) bekannt, die mit den vorgenannten Eigenschaften auch eine besonders gute aerodynamische Ausgewogenheit verbinden. Beispielsweise ist in der französischen Patentschrift Nr. 74.31664 der Anmelderin vom 19. September 1974 mit dem Titel "Heckrotoranordnung für Hub- und Tragschrauber" ein Zweiblattrotor beschrieben, welcher einen plattenförmigen biegeweichen Längsholm aufweist, der in seiner Mittelpartie zwischen zwei fest mit der Rotorwelle verbundenen Platten gehalten wird, wobei die Rotorblätter aus zwei Profil halbschal en bestehen, die je zur Hälfte den Längsholm umhüllen und mit diesem nur im Bereich von dessen Enden verbunden sind; die aerodynamische Ausgewogenheit dieses Heckrotors ergibt sich insbesondere daraus, daß jede Rotorhalbschale im Schnitt allmählich vom Profil des Rotorblattes selbst sich bis in eine zylindrische Drehhülse entwickelt, die einen zylindrischen Flansch umschließt, den zwei Paare elastischer Verbindungsteile aus federndem Material mit den fest mit der Rotorwelle verbundenen Platten verbinden. Der plattenförmige Längsholm besteht aus Glasfasern, die mit einer Schicht aus v/armgehärtetem Kunstharz überzogen sind; die Verbindungsteile aus elastischem Material dienen zur Auflage an den Wurzeln der beiden Rotorblätter beim Starten oder Anhalten des Rotors, wenn die Zentrifugalkraft nicht ausreicht, um den Längsholm unter Zugspannung zu setzen und zu stabilisieren; bei Veränderungen des Anstellwinkels gestatten

sie beträchtliche relative Verlagerungen der Flansche; sie bilden überdies einen Anlenkpunkt für die gesamte Anordnung jedes Rotorblattes bei Auslenkung bzw. Biegung des plattenförmigen Längsholmes.

Ein Heckrotor dieser Art mit relativ kurzen und steifen Rotorblättern gestattet es, daß man seinen plattenförmigen Längsholm mit ausreichender Steifigkeit in der Rotorebene ausstattet, damit er der folgenden klassischen Bedingung folgt:

1) ω. > Ω

wobei ω. der Grundfrequenz der Eigenschwenkschwingung jedes Rotorblattes entspricht und ω die Winkelgeschwindigkeit des Rotor bezeichnet.

Bei Ausbildung eines Hauptrotors für Hubschrauber gemäß der Lehre der französischen Patentschrift 74.31664, die bereits vorerwähnt wurde, stößt man jedoch auf verschiedene Schwierigkeiten. Die Hauptschwierigkeit resultiert daraus, daß angesichts der relativ großen Länge und der relativ geringen Steifigkeit der Blätter eines Hauptrotors es praktisch unmöglich ist, einen Längsholm in Plattenform auszubilden, der in der Rotorebene ausreichende Steifigkeit aufweist, um der obengenannten klassischen Bedingung 1) zu genügen. Damit gestattet die Lehre der vorgenannten Patentschrift nur die Ausbildung eines Hauptrotors mit geringer Schwenksteifigkeit, dessen Schwenkschwingungen damit geringfügig gedämpft wären. Bekanntlich ergeben sich daraus die nachstehenden schwerwiegenden Nachteile bei Hubschraubern mit einem solchen Rotor: beträchtliche Gefahren, daß gefährliche Erscheinungen, die sogenannte "Bodenresonanz" und "Luftresonanz", auftreten, daß ein gefährliches Resonanzphänomen auftritt, wenn die Drehgeschwindigkeit des Rotors, die beim Starten des Rotors zum Nominalwert ω zunimmt bzw. von diesem aus wieder abnimmt, wenn der Rotor angehalten bzw. abgebremst wird, einen Wert nahe ω durch-

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läuft, der der Grundfrequenz der Eigenschwenkschwingung jedes Rotorblattes entspricht.

Die US-Patentschrift 3 231 222, angemeldet am 20. Mai 1964 von W.J. Scheutzow, beschreibt andererseits einen Hubschrauberrotor, der für jedes Rotorblatt eine im wesentlichen radiale Metallplatte aufweist, die ohne Berührung von einer starren rohrförmigen Hülse umhüllt ist. Die äußeren Enden jeder Platte und der Hülse, die sie umhüllt, sind an der Wurzel des entsprechenden Rotorblattes miteinander mittels einer Gabelung und eines Drehzapfens verbunden, welcher durch die Äste der Gabelung und durch die Wurzel des Rotorblattes hindurchgeht und parallel zur Laufrichtung der Rotorwelle dort eingesetzt ist. Ein Ring aus elastischem Material ist zwischen einer radialen Verlängerung der Rotorwelle, an welcher das innere Ende der Metallplatte befestigt ist, und dem inneren Ende der starren Hülse eingesetzt. Dieser Ring aus elastischem Material weist einen im wesentlichen rechteckigen Radialschnitt auf und gestattet natürlich die Schlag- und Schwenkbewegungen des entsprechenden Rotorblattes wie auch die Schwenkbewegungen des Rotorblattes um seine Längsachse zur Veränderung des Anstellwinkels. Damit legt dieser Ring einerseits die Stellungen der Achsen sowohl bei Schwenk- wie auch Schlagbewegung des Rotorblattes nicht genau fest und stellt andererseits nur eine sehr unzureichende Dämpfung der Schwenkschwingungen desselben sicher.

Der erfindungsgemäßen Rotornabe liegt nun die Aufgabe zugrunde, nicht nur alle erforderlichen Eigenschaften aufzuweisen, insbesondere die Eigenschaft eines guten aerodynamischen Verhaltens, sondern sie soll auch die Position der Schlagachse jedes ihrer Rotorblätter mit großer Genauigkeit festlegen, während die Schwenkschwingungen durch geeignete Mittel stark gedämpft werden, die auf die Rotorblätter Wechsel schub- bzw. -Scherbeanspruchungen ausüben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Rotornabe der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß die Stellung der Schlagachse jedes Rotorblattes in der entsprechenden elastischen Platte durch Kugelgelenksteile vorgegeben ist, die vorzugsweise aus einem Elastomerschichtstoff bestehen und jeweils zwischen den beiden ebenen großen Flächen der elastischen Platte und des starren Ringes so eingesetzt sind, daß der Mittelpunkt des Kugelgelenks sich im wesentlichen auf der Längsachse der elastischen Platte befindet, und daß jedem Kugelgelenksteil jeweils vorzugsweise aus Elastomermaterial mit hoher Steifigkeit und großer Hysterese bestehende Platten, die Schwenkfrequenzadapter bilden, zugeordnet sind.

Nachstehend wird nun die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Schemazeichnungen anhand einiger Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Rotornabe für Hubschrauber näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel im Aufriß und teilweise im Schnitt;

Fig. 2 eine Draufsicht entsprechend Fig. 1;

Fig. 3 bis 8 jeweils Schnittansichten entlang den Linien III-III bis VIII-VIII aus Fig. 2;

Fig. 9 und 10 schematische Darstellungen entsprechend Fig. 1 und 2, die jeweils eine Schlag- und eine Schwenkbewegung eines Rotorblattes zeigen;

Fig. 11 eine Teil draufsieht auf ein zweites Ausführungsbeispiel;

Fig. 12 und 13 jeweils eine Schnittansicht entlang der Linie XII-XII aus Fig. 11 und XIII-XIII aus Fig. 12;

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Fig. 14 eine Teil draufsieht auf ein drittes Ausführungsbeispiel,

und
Fig. 15 eine Schnittansicht entlang der Linie XV-XV aus Fig. 14.

In Fig. 1 und 2 wurde vom Hauptteil einer Nabe eines Hauptrotors für Hubschrauber, beispielsweise eines Dreiblattrotors, nur der Teil 1 dargestellt, der einem der drei Rotorblätter entspricht. Dieser Nabenkörper, der in bekannter Weise aus bearbeitetem Metall oder einer entsprechend bearbeiteten Legierung bestehen kann, ist normalerweise mittels jeglicher geeigneten Einrichtung am oberen Ende der Rotorwelle des Hubschraubers befestigt, die jedoch nicht abgebildet ist. Diese Rotornabe weist außerdem für jedes Rotorblatt eine elastische und verwindungsfähige Platte 2 auf, die im wesentlichen in radialer Richtung angeordnet ist; bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Platte 2 in an sich bekannter Form vorzugsweise aus einem flachen Strang aus Glasfasern, die mit einem warmgehärteten Kunstharz getränkt sind. Aus den Schnittansichten der Figuren 3 bis 8 sind die verschiedenen Veränderungen im Querschnitt, insbesondere in der Dicke der Platte 2 in deren Längsrichtung von ihrem inneren Ende, nahe dem Nabenkörper 1 (Fig. 3) bis zu deren äußerem Ende nahe der Wurzel des entsprechenden Rotorblattes (Fig. 8) ersichtlich. Aus den Figuren 1 bis 4 ist außerdem zu entnehmen, daß die Platte sich von ihrer mittleren Partie bis zu ihrem inneren Ende hin verbreitert und dicker wird, wo die die Platte bildenden Strangfasern so aufgeteilt sind, daß sie zwei Schlaufen 2a, 2b bilden, die jeweils eine Metallhülse 3a bzw. 3b umlaufen und keilförmige Teile 4a und 4b umhüllen, die aus einem Material mit geringer Dichte, vorzugsweise zelligem Kunststoffmaterial, bestehen. Die gesamte Anordnung ist insbesondere mit einem warmgehärteten Harz getränkt, so daß die Metall hülsen 3a und 3b unbeweglich im inneren dicken Ende der Platte 2 gehalten werden, wobei dieses Ende bei dem abgebildeten Ausführungsbeispiel zwischen zwei radialen Verlängerungen la und

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Ib (Fig. 1) des Nabenkörpers 1 in der Form eingespannt ist, daß die Bohrungen der Hülsen 3a und 3b jeweils mit entsprechenden Bohrungen in den radialen Verlängerungen la und Ib fluchten; das innere Ende der Platte 2 kann damit mittels der Spindeln 19a und 19b am Nabenkörper 1 befestigt werden, die durch die Bohrungen in den radialen Verlängerungen des Nabenkörpers 1 sowie durch die Metall hülsen 3a und 3b verlaufen und mit Hilfe bekannter Mittel fest in ihrer Lage gehalten werden.

Wie überdies die Figuren 1 bis 4 zeigen, ist der Abschnitt der Platte 2, der dem Nabenkörper 1 am nächsten liegt, in einer Umhüllung eingeschlossen, die vorzugsweise aus Folien aus Glasfasergewebe besteht, die ebenfalls mit einem v/armgehärteten Kunstharz getränkt sind; diese Umhüllung 2c umschließt das innere Ende der Platte 2 vollständig, welches in der vorbeschriebenen Weise am Nabenkörper angelenkt ist.

Die mittlere Partie der Platte 2 ist ohne Berührung von einer steifen rohrförmigen Hülse 5 umschlossen, deren Querschnittsveränderungen in Plattenlängsrichtung ebenfalls aus den Schnittansichten der Fig. 4 bis 8 ersichtlich sind; bei dem hier angesprochenen Ausführungsbeispiel besteht sie vorzugsweise aus drei übereinandergelegten Schichten: einer Innenschicht 5a (Fig.2), die aus überkreuzten Kohlenstoffasern besteht, wobei die beiden Richtungen im wesentlichen um 45 bezüglich der genannten Längsrichtung geneigt sind; einer mittleren Schicht 5b, die ebenfalls aus Kohlenstoffasern besteht, die insgesamt im wesentlichen in der vorgenannte Längsrichtung ausgerichtet sind; und einer äußeren Schicht 5c, die aus Glasfasergewebefolien besteht, bei welchen die Glasfasern im wesentlichen unter einem Winkel von 45° überkreuzt sind und welches mit einem warmgehärteten Kunstharz getränkt ist; diese drei übereinanderliegenden Schichten haben beispielsweise jeweils eine Dicke von 2 mm.

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Erfindungsgemäß sind die jeweiligen äußeren Enden der Platte 2 und der rohrförmigen Hülse 5 an der Spitze des Laufabschnitts des entsprechenden Rotorblattes miteinander verbunden, das insgesamt in den Fig. 1 und 2 mit dem Bezugszeichen 6 angegeben ist. Bei dem hier angesprochenen Ausflihrungsbei spiel handelt es sich um ein Rotorblatt mit bekanntem Aufbau, das im wesentlichen aus einem plattenförmigen Längsholm 6a besteht, den eine Profil halbschale 6b umhüllt; der Längsholm 6a besteht außerdem in an sich bekannter Weise aus einem Strang aus Glasfasern, die mit einem warmgehärteten Kunstharz getränkt sind, wobei der Strang mit dem die Platte 2, die im vorhergehenden beschrieben wurde, bildenden Strang einstückig ausgebildet ist. Außerdem ist die Profil halbschale 6b des Rotorblattes 6 einstückig mit der vorbeschriebenen rohrförmigen Hülse 5 ausgebildet oder besteht zumindest aus der Verlängerung deren äußerer Schicht 5c, die aus Folien aus Glasfasergewebe gebildet ist, das mit Kunstharz getränkt ist. Der Innenaufbau des Rotorblattes 6 wird durch einen langgestreckten Block aus Material mit geringer Dichte - beispielsweise aus zelligem Kunststoff 6c - vervollständigt, der zwischen den Längsholm 6a und die Austrittskante der Profil halbschale 6b des Rotorblattes eingesetzt wird. Eine Zwischenschicht aus Verbundmaterial 7 gestattet die Verbindung des vorgenannten Blockes 6c mit einem Block 5d mit derselben Zusammensetzung, der keilförmig ausgebildet ist und sich von der Wurzel des Rotorblattes 6 bis zum inneren Ende der rohrförmigen Hülse 5 erstreckt und innen entlang des Abschnitts der rohrförmigen Hülse verläuft, der sich in der Verlängerung der Austrittskante des Rotorblattes befindet. Dieser Block 5d, wie auch der Längsholm 6a des Rotorblattes 5, ist selbst wiederum in einer zur vorbeschriebenen analogen Umhüllung eingeschlossen, wobei die gesamte Anordnung so angebracht ist, daß ein Zwischenraum 8 (Fig.2) zwischen dem Block 5d und dem Blatt 2 belassen wird, der die relativen Verschiebungen des Blattes 2 und der rohrförmigen Hülse 5 ermöglicht, die beispielsweise in Fig. 9 und 10 dargestellt sind.

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Das innere Ende der rohrförmigen Hülse 5 erstreckt sich nicht bis in den unmittelbar dem Nabenteil 1 benachbarten Bereich sondern endet in einem gewissen Abstand von dessen radialen Verlängerungen la, Ib. Das innere Ende der rohrförmigen Hülse 5 ist mit Hilfe jeder geeigneten Einrichtung fest mit einem starren Ring 9, vorzugsweise einem Metallring mit im wesentlichen ovaler Form (Fig.3) verbunden, der auf einer seiner kleinen Radien einen Ansatz 9a trägt, über welchen ein (nicht abgebildeter) Lenker zur Einstellung des Anstellwinkels des Rotorblattes 6 angelenkt ist. Auf den Seiten der großen Radien des starren Ringes 9, die dem Nabenkörper 1 zugekehrt sind, sind mit Hilfe geeigneter Mittel zwei Stützen 10a und 10b befestigt, auf welchem jeweils Kugelgelenksteile 11a und 11b aufliegen (Fig. 1 und 3), die vorzugsweise in an sich bekannter Weise aus einem Elastomerschichtmaterial bestehen. Diese Kugelgelenksteile 11a und 11b sind unter Kraftaufwand einerseits zwischen den äußeren Stützen 10a und 10b, die bereits erwähnt wurden, und andererseits Innenstützen 12a und 12b eingepaßt, die in geeigneter Weise ausgebildet sind und aus Metall oder einem geformten Kunststoffmaterial bestehen, ebenso wie die äußeren Stützen 10a und 10b. Die Kugelgelenksteile 11a und 11b bestehen in an sich bekannter Weise aus übereinanderliegenden Schichten in Form von Kugel kaiotten, die abwechselnd aus Metall und einem Elastomer derzeit bekannter Art bestehen. Die der Platte 2 zugekehrten Flächen der inneren Stützen 12a und 12b sind fest mit Metall platten 13a und 13b verbunden, denen gegenüber zwei weitere Metall platten 14a und 14b mittels jeder geeigneten Einrichtung auf den großen Flächen der Platte 2 über deren äußerer Umhüllung 2c angelenkt sind. Wie Fig. 3 zeigt, können die beiden Hetallplatten 14a und 14b Längskanten aufweisen, die dergestalt umgefalzt sind, daß sie die kleinen Seiten der Platte 2 überdecken. Zwischen den einandergegenüberllegenden Metall platten, nämlich 13a und 14a einerseits und 13b und 14b andererseits, sind jeweils im wesentlichen rechteckförmige Platten 15a und 15b eingesetzt, die aus einem Elastomermaterial mit großer Steifigkeit und großer Hysterese bestehen und deren große Flächen durch Vulkanisieren mit den genannten

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Metall platten verbunden sind.

Die Platten aus hochsteifem und hochhysteretischem Elastomermaterial (15a und 15b), die zwischen die entsprechenden Metallplatten eingesetzt sind, bilden jeweils Schwenkfrequenzadapter mit viskoelastischer Wirkung bekannter Art, wie sie insbesondere in der französischen Patentschrift 69.35410 der Anmelderin beschrieben sind. Die Elastomerplatten 15a und 15b selbst dienen aufgrund ihrer Biegeweichheit als Rückstellfedern und gleichzeitig wegen ihrer großen Hysterese in dem sie bildenden Elastomermaterial als Dämpfungselemente.

Erfindungsgemäß wird die Stellung der Schlagachse jedes Rotorblattes, die in Fig. 1 und 3 unter Cb eingezeichnet ist, in der entsprechenden elastischen Platte 2 durch die genannten Kugelgelenksteile 11a und 11b vorgegeben. Zu diesem Zweck sind die Kugelgelenksteile 11a und 11b wie auch deren jeweilige Stützen 10a, 10b bzw. 12a, 12b so ausgebildet, daß der Mittelpunkt Cb des Kugelgelenks, das sie bilden, im wesentlichen auf der Längsachse der elastischen Platte 2 liegt. Bei den jeweils in Aufriß und Draufsicht gezeigten Schemadarstellungen der Fig. 9 und 10 ist unter A die gerade Längsachse der Platte 2 bei Normal stellung derselben angegeben, wo sie zur Längsachse des entsprechenden Rotorblattes 6 ausgerichtet ist, wenn dieses keinerlei Schlag- oder Schwenkbewegung ausführt. Fig. zeigt die Stellung, die die Platte 2 bei einer Schlagbewegung des entsprechenden Rotorblattes 6 nach oben ausführt, deren Amplitude β durch den Winkel festgelegt ist, den die Verlängerung Ab der Längsachse des Rotorblattes 6, die sich mit der Achse A genau am Punkt Cb schneidet, mit der genannten Achse A einschließt. Fig. 9 zeigt außerdem die relativen Stellungen der Platte 2 und der rohrförmigen Hülse 5 bei der hier angesprochenen Schlagbewegung des Rotorblattes 6, sowie die Verformungen der beiden Kugelgelenksteile 11a und 11b aus Elastomerschichtmaterial, die diese Schlagbewegung des Rotorblattes genau gestatten.

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Die Dicke der Platte 2 muß so gewählt werden, daß einerseits ihre Verformungen unter Biegebeanspruchung, wie sie beispielsweise in Fig. 9 dargestellt sind, die Schlagbewegungen des Rotorblattes 6 ermöglichen, und daß andererseits die Platte 2 wünschenswerter Weise dennoch eine ausreichende Steifigkeit und damit eine ausreichende Stärke aufweist, damit sie ohne Bruch und auch ohne übermäßige Durchbiegung nach unten das Gewicht des Rotorblattes 6 tragen kann, wenn bei Ruhestellung des Rotors das Gewicht des Rotorblattes nicht durch die Vertikal komponente der Resultierenden der aerodynamischen Kräfte kompensiert wird, die bei Drehung des Rotors auf das Rotorblatt einwirken. Damit ist es wirklich möglich, besondere schwere und komplizierte Vorrichtungen wegzulassen, die sonst notwendig wären, um das Gewicht jedes Rotorblattes bei stehendem Rotor aufzunehmen (beispielsweise in Form eines Ringes auf beiden Seiten oder auch eines unter der Einwirkung der Zentrifugalkraft einklappbaren Anschlags). Damit dürfen weder die Steifigkeit der Platte 2 noch deren Stärke zu groß sein, damit verhindert wird, daß die Verwindung der Platte 2, die zur Verstellung des Anstellwinkels des Rotorblattes 6 erforderlich ist, keine übermäßig hohe Lenkkraft beansprucht. Eine große Lenkkraft bringt wirklich den Nachteil mit sich, daß es notwendig wird, Servosteuerungen vorzusehen, die kompliziert und kostspielig sind und gegebenenfalls einen doppelten Hydraulikkreis zur Erzielung der gewünschten Sicherheit aufweisen.

In der schematischen Draufsicht gemäß Fig. 10 ist mit At die Verlängerung der Längsachse des Rotorblattes 6 in der Stellung angegeben, die sie bei einer Schwenkbewegung des Rotorblattes einnimmt, deren Amplitude durch den Winkel δ festgelegt ist, den diese Achse At mit der vorgenannten Achse A einschließt. Die beiden Achsen A und At schneiden sich im Schwenleentrum Ct, das in der Draufsicht gemäß Fig. 10 mit der vertikalen Schwenkachse eingezeichnet ist.

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Dieses Schwenkzentrum Ct befindet sich gegen die Mitte der Platte zu. Fig. 10 zeigt außerdem, daß die rohrförmige Hülse 5, die fest mit der Profil halbschale des Rotorblattes 5 verbunden ist, genau der Schwenkbewegung desselben folgt, und zwar wegen der Verformung der Elastomerschichten der Kugelgelenksteile 11a und 11b unter Scherbeanspruchung einerseits und wegen der Platten 15a und 15b aus hochsteifem und 'hochhysteretischem Elastomermaterial. Natürlich führen diese Verformungen der genannten Teile aus Elastomermaterial zu einem Rückstellmoment der rohrförmigen Hülse 5 und des Rotorblattes 6, die damit fest verbunden ist, zur Ruhestellung hin, in welcher ihre gemeinsame Längsachse mit der Achse A (δ = 0) fluchtet, wie Fig. 2 zeigt. Die rohrförmige Hülse 5 muß dafür in der Weise ausgelegt werden, daß sie ausreichend steif ist. Die Rückstellbewegung des Rotorblattes 6 und der rohrförmigen Hülse 5, die damit fest verbunden ist, zu deren Ruhestellung (ö = 0) hin wird damit durch die Wirkung der Platten 15a und 15b, die aus hochhysteretischem Elastomermaterial bestehen, gedämpft. Dasselbe gilt für die Schwenkschwingungen jedes Rotorblattes 6 gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese kombinierten Wirkungen in Elastizität und Dämpfung sind in Fig. 10 schematisch durch eine Federung r und ein Dämpfungselement a eingezeichnet, die zueinander parallel sind und zwischen einem Punkt der Platte 2, der nahe genug am Rotorkörper 1 liegt, damit er bezüglich desselben im wesentlichen fest steht, und einem Punkt der starren rohrförmigen Hülse 5, insbesondere deren Längsachse, liegen.

Die Breite der Platte 2 muß in Abhängigkeit von den folgenden Überlegungen gewählt werden:

Wie Fig. 2 zeigt, weist die Platte vorzugsweise eine in'Richtung des Längsholms 6a des Rotorblattes 6 abnehmende Breite auf, so daß das Schwenkzentrum C5 der viskoelastischen Einrichtung a-r, die durch die Elemente 11a, 11b, 15a, 15b gebildet wird, weiter entfernt wird.

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Schließlich kann die Dimensionierung der Breite der Platte 2 in der Weise durchgeführt werden, daß die Kreisfrequenz_ω. die der

Grundfrequenz der Eigenschwenkschwingung des Rotorblattes entspricht, der folgenden Beziehung folgt:

2) 0,7 Ω S ω_δ S 0,8 Ω
Würde man nun andererseits _ω so wählen, daß der Wert unter 0,7 ω

läge, so wäre die Dämpfung der Schwenkbewegungen durch die Platten aus hochhysteretischem Elastomermaterial (15a und 15b) nicht ausreichend; würde man aber _ω. so wählen, daß der Wert größer als 0,8 η

ist, so würden die Amplitude der Schwenkbewegungen jedes Rotorblattes und die daraus resultierenden Beanspruchungen insbesondere der Platte 2 übermäßig groß.

Die Anmelderin hat nun einen Rotor der vorbeschriebenen Art geschaffen, der so ausgelegt ist, daß ω_δ = 0,8ω, und daß _ω. = 1,06ω beträgt, wobei ω_δ der Grundfrequenz der Eigenschlagschwingung des Rotorblattes entspricht; die optimale Auslegung der Platten des Frequenzadapters hat dazu geführt, daß sie mit einer Stärke von rund 110 daN/mm ausgelegt werden, so daß sich eine Schwenkschwingungsdämpfung der Rotorblätter von nur 4% bis 5% erreichen ist. Es ist jedoch immer möglich, im Bedarfsfall die Dämpfung der Schwenkschwingungen der Rotorblätter dadurch zu erhöhen, daß man auf bekannte Vorrichtungen zurückgreift, insbesondere auf eine aerodynamische Dämpfung, die man dadurch erreicht, daß sogenannte "Schlag-Anstellwinkel"-(Verbindung "k") und "Schlag-Schwenk"-kopplungen geschaffen werden. Greift man auf Verbindungen vom Typ "k" zurück, d.h. auf Kopplungen mittels Lenkhebeln zur Verstellung des Anstellwinkels jeglicher Art, ist es besonders einfach, die "k"-Verbindungen in dem Fall einer erfindungsgemäßen Rotornabe zu meistern, da die Stellung der Schlagachse jedes Rotorblattes genau festgelegt ist, wie bereits ausgeführt wurde.

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Wie schon ausgeführt, werden die Veränderungen im Anstellwinkel des Rotorblattes 6, die den Schwenkbewegungen des Rotorblattes um dessen Längsachse entsprechen, über die starre rohrförmige Hülse 5 mittels des Metal!ringes 9 und des Lenkhebels zur Blattverstellung, der an dem Ansatz 9a angelenkt ist, auf das Rotorblatt übertragen^ die rohrförmige Hülse 5 muß damit steif genug sein, damit sie das Moment zur Veränderung des Anstellwinkels des Rotorblattes 6 übertragen kann, während die Platte 2 nicht der Verschwenkung des Rotorblattes mit mehr als einem Gegenmoment entgegenwirken darf, welches ein mäßiges Verwindungsmoment darstellt, dem noch ein Rückstel!moment in gleicher Richtung überlagert wird, das durch die Verformungen der Kugelgelenksteile 11a, 11b und der Platten 15a und 15b aus Elastomermaterial mit großer Hysterese erzeugt wird.

Damit das resultierende Rückstellmoment keinen übermäßig großen Wert erreicht, der eine übermäßig hohe Lenkkraft erfordert, ist es insbesondere erforderlich, daß die Verwindungssteifigkeit der Kugelgelenksteile 11a, 11b vergleichsweise gering ist. Eine solche Dimensionierung der Kugelgelenksteile 11a und 11b weist damit den Nachteil auf, daß die Dämpfungsleistung der Platten 15a und 15b der Frequenzadapter vermindert wird. Bei einer Schwenkbewegung des Rotorblattes 6, wie sie beispielsweise in Fig. 10 dargestellt ist, führt die Scherbeanspruchung, der jedes Paar übereinander!legender Elemente lla-15a und llb-15b unterliegt, zu Verformungen der beiden Elemente eines jeden Paares, die im wesentlichen im umgekehrten Verhältnis zu deren jeweiliger Steifigkeit stehen. Wenn folglich das Element Ua bzw. Hb eine geringe Steifigkeit aufweist, so wird das entsprechende Element 15a bzw. 15b kaum verformt, auch wenn das dadurch erzeugte Rückstellmoment und die dem entsprechende Dämpfungswirkung nur gering sind. Die Festlegung der Steifigkeit der Kugelgelenksteile Ha und lib kann somit nur aus einem Kompromiß zwischen den beiden einander widersprechenden vorgenannten Forderungen resultieren.

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Bei einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Rotornabe sind die Platten der Frequenzadapter so ausgelegt, daß sie jeweils in den Kugelgelenksteilen aus Elastomerschichtmaterial aufgenommen werden können. Bei dieser Ausführungsform ist es nun möglich, die Steifigkeit so gering zu gestalten, daß jedes Kugelgelenksteil dieser Art den Verformungen entgegenwirkt, die den Schwenkbewegungen des entsprechenden Rotorblattes entsprechen. Gleichzeitig ergibt sich daraus eine Erhöhung der Biegsamkeit bzw. Nachgiebigkeit bei Beanspruchung auf Verwindung der Kugelgelenksteile, d.h. der Steifigkeit, die jedes Teil dem Lenkmoment zur Veränderung des Anstellwinkels entgegensetzt, die darauf über den entsprechenden steifen Ring 9 übertragen werden.

Das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Rotornabe, das in Fig. 1 bis 8 dargestellt ist, bietet gegenüber allen bisher bekannten Rotornaben den Vorteil der sehr großen Einfachheit im Aufbau, da die Rotornabe praktisch auf den Nabenkörper 1 reduziert wird, an welcher die inneren Enden der Platten, beispielsweise 2, direkt befestigt sind, die eine direkte Verlängerung der Längsholme der Rotorblätter, beispielsweise 6, darstellen. Daraus ergibt sich natürlich eine beträchtliche Verminderung des Rotorgewichtes, eine beträchtliche Verringerung der Unterhai tungs- und Wartungskosten und eine spürbare Verbesserung des aerodynamischen Verhaltens des Rotorkopfes.

Das schematisch in Fig. 11 bis 13 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung entspricht einem Rotor mit einer gewissen Anzahl von Rotorblattpaaren, insbesondere zwei einander gegenüberliegenden Rotorblattpaaren; es handelt sich hier insbesondere um einen Vierblattrotor, beispielsweise einen (gegenläufigen) Heckrotor. Wie insbesondere Fig. Il zeigt, ist eine gleiche Anzahl, insbesondere zwei, elastischer und verwindungsfähiger Platten 2A und 2B so angeordnet, daß deren übereinander!legende Mit-

telpartien in einem zweiteiligen Gehäuse 16a und 16b (vgl. auch Fig. 13) unbeweglich gehalten sind, das beispielsweise aus geformtem Metall besteht. Dieses Gehäuse, insbesondere dessen unterer Abschnitt 16b, ist auf dem oberen Ende der Rotorwelle oder des Nabenkörpers 1 mittels Bolzen, beispielsweise 17, befestigt, die auch noch die Verbindung zwischen den beiden Teilen 16a und 16b des Gehäuses und der Mittelpartien der zwischen ihnen liegenden Platten 2A und 2B sicherstellen. Die beiden freien Abschnitte, beispielsweise 2Al und 2A2, jeder Platte (beispielsweise der Platte 2A), die außerhalb des Gehäuses 16a-16b liegen, bilden jeweils Platten, die radial zur erfindungsgemäßen Rotornabe liegen und eine zur Platte 2 analoge Funktion haben, wie sie in Fig. 1 bis erläutert ist. Die beiden Platten 2A und 2B bestehen damit vorzugsweise aus einem Strang Glasfasern oder aus Kunststoffmaterial, wie es unter der Handelsbezeichnung Kevlar bekannt ist, wobei diese Fasern mit einem warmgehärteten Kunststoffmaterial umhüllt sind. Bei dem in Fig. 11 bis 13 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht jedes der Rotorblätter, beispielsweise Blatt 6Al, in an sich bekannter Weise aus einem plattenförmigen Längsholm, der einstückig mit der Platte 2Al ausgebildet ist und deren Verlängerung nach rechts (Fig. 11 und 13) darstellt. Der Holm jedes Rotorblattes, beispielsweise von 6Al, ist außerdem mit einer Profil halbschale 6b umschlossen, die wie rechts in Fig. 13 zu erkennen ist, die beiden großen ebenen Flächen des Längsholmes eng umschließt, während zwischen den Kanten des Längsholmes und den inneren Abschnitten der Profil halbschale 6b, die jeweils der Eintritts- und der Austrittskante des Rotorblattes 6Al entsprechen, Zwischenräume 18a und 18b ausgespart sind. Nahe der Rotornabe weist die Profil halbschale 6b jedes Rotorblattes 5Al Veränderungen im Querschnitt auf, die in Fig. 11 und 13 deutlich zu erkennen sind. Die Verlängerung der Profil halbschale 6b des Rotorblattes 6Al bildet eine steife rohrförmige Hülse 5, die ohne Berührung den entsprechenden Teil der Platte 5 umschließt. Das innere Ende der rohrförmigen Hülse ist fest mit einem starren Ring 9 verbunden, und es sind zwei Paare von Kugelgelenksteilen Ilal-lla2 und Ilbl-llb2 jeweils zwischen

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die beiden ebenen großen Flächen der elastischen Platte 2Al und den starren Ring 9 so eingesetzt, daß der Mittelpunkt Cb des Kugelgelenks im wesentlichen auf der Längsachse der elastischen Platte 2Al liegt, wie Fig. 12 und 13 zeigen; dabei bestehen die Paare von Kugelgelenksteilen ebenfalls aus Elastomerschichtmaterial. Weiterhin sind zwischen die inneren Stützen 12a und 12b von zwei Kugelgelenksteilpaaren und zwei die Platte 2Al eng umschließende Metallplatten 14a und 14b (vgl. insbesondere Schnittansicht in Fig. 12) Platten 15a und 15b aus hochsteifem Elastomermaterial mit großer Hysterese eingesetzt. Seitlich ist am starren Ring 9 mittels jeder geeigneten Einrichtung ein Ansatz 9a angebracht, an welchem wiederum der Lenkhebel zur Veränderung des Anstellwinkels (nicht abgebildet) angelenkt wird.

Die Bedingungen für die Dimensionierung und die Merkmale der Arbeitsweise der in den Fig. 11 bis 13 dargestellten und im vorhergehenden beschriebenen Rotornabe decken sich praktisch mit den Bedingungen, wie sie im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 bis 8 angegeben wurden. Auch im Fall dieses zweiten Ausführungsbeispieles kann die Dimensionierung so erfolgen, daß ω_δ kleiner als die Geschwindigkeit im normalen Drehzahl bereich des Rotors ist, und das nicht nur ohne die Gefahr, daß Instabilitätserscheinungen auftreten, sondern auch unter Erzielung u.a. der folgenden Vorteile: die auf die im Gehäuse 16a-16b eingespannten Abschnitte der Platten 2A und 2B einwirkenden Schwenkmomente werden vermindert; damit wird es möglich, diese Platten aus einem Material herzustellen, dessen Elastizitätsmodul geringer ist, was günstig ist im Hinblick auf die Schlagbeanspruchung und die Gestehungskosten; und schließlich wird es dadurch möglich, die Breite der Platten 2A und 2B und damit den Platzbedarf der Rotornabe und der rohrförmigen Hülsen zu verkleinern.

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Fig. 14 und 15, bei denen dieselben Bezugszeichen wie bei den anderen Figuren der Zeichnung zur Angabe gleichgearteter Teile verwendet wurden, zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel, das sich von dem in Verbindung mit Fig. 11 bis 13 und im vorhergehenden beschriebenen Ausführungsbeispiel nur dadurch unterscheidet, daß jede Platte - beispielsweise 2A - der erfindungsgemäßen Rotornabe nicht mit dem entsprechenden Rotorblatt 6Al einstückig ausgebildet ist (oder zumindest doch mit dessen plattenförmigen] Holm). Hier ist das äußere Ende jeder Platte (vgl. 2A) mit der Wurzel des entsprechenden Rotorblattes 6Al mittels eines stehenden Zapfens 18 mit einer im wesentlichen zur Rotorebene (d.h. der Ebene der Fig. 14) senkrechten Achse verbunden, wobei der Zapfen 18 vorzugsweise mit selbstschmierenden Ringen in Eingriff steht. Wegen dieser Schwenkanlenkung durch den Zapfen 18 können das Rotorblatt 6Al und die fest damit verbundene rohrförmige Hülse 5 Schwenkbewegungen bezüglich der entsprechenden Platte 2A ausführen, deren Amplitude größer als die der Schwenkbewegungen ist, die bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen möglich ist. Aus diesem Grund erfahren die Platten 15a und 15b der Frequenzadapter unter der Wirkung der entsprechenden Scherbeanspruchungen größere Verformungen, was die Wirksamkeit ihrer Dämpfungsleistung umsomehr erhöht. Die Steifigkeit der Verbindung zwischen der rohrförmigen Hülse 5 und der Wurzel des Rotorblattes 6Al erreicht einen maximalen Wert, wenn die Wurzel des Rotorblattes 6Al in einer Lagerung 20 im äußeren Ende der Hülse 5 eingepreßt und dort gegebenenfalls verklebt wird.

Auch wenn die Erfindung anhand verschiedener Ausführungsbeispiele beschrieben und erläutert wurde, ist sie doch keinesfalls auf diese beschränkt, sondern umschließt auch alle nur möglichen Veränderungen, Abänderungen und Varianten. Beispielsweise läßt sich die erfindungsgemäße Rotornabe ebenso gut an Haupt- wie auch an (gegenläufige) Heckrotoren bei Hubschraubern und ganz allgemein bei allen Arten von Hub- und Tragschraubern bzw. Drehflügelflugzeugen anpassen.

Ö09886/Ö67S

-u-

Le e rs e i te

Claims

30 833/4

Societe Nationale Industrielle Aerospatiale Paris / Frankreich

ROTORNABE

Patentansprüche

Rotornabe, insbesondere für den Hauptrotor eines Hubschraubers, welche für jedes Rotorblatt eine im wesentlichen radiale elastische und verwindbare Platte aufweist, die ohne Berührung von einer starren rohrförmigen Hülse umgeben ist, wobei die äußeren Enden jeder Platte und der sie umgebenden Hülse an der Spitze des Laufabschnitts bzw. an der Wurzel des entsprechenden Rotorblattes miteinander verbunden sind, während das innere Ende jeder rohrförmigen Hülse fest mit einem starren Ring verbunden ist, auf welchem außen der Lenkhebel zur Blattverstellung angelenkt ist,

ORIGINAL INSPECTED

dadurch GEKENNZEICHNET, daß die Stellung der Schlagachse jedes Rotorblattes (6) in der entsprechenden elastischen Platte (2) durch Kugelgelenksteile (Ha₅ Hb) vorgegeben ist, die vorzugsweise aus einem Elastomerschichtstoff bestehen und jeweils zwischen den beiden ebenen großen Flächen der elastischen Platte (2) und des starren Ringes (9) so eingesetzt sind, daß der Mittelpunkt (Cb) des Kugelgelenks (Ha₃ Hb) sich im wesentlichen auf der Längsachse (A) der elastischen Platte (2) befindet, und daß jedem Kugelgelenksteil (lla, Hb) jeweils vorzugsweise aus Elastomermaterial mit hoher Steifigkeit und großer Hysterese bestehende Platten (15a, 15b), die Schwenkfrequenzadapter bilden, zugeordnet sind.
2. Rotornabe nach Anspruch I₅ dadurch GEKENNZEICHNET, daß die Platten (15a, 15b) der Schwenkfrequenzadapter (15) jeweils zwischen den beiden großen ebenen Flächen der biegeweichen Platte (2) und den Kugelgelenksteilen (Ha, Hb) eingesetzt sind.
3. Rotornabe nach Anspruch 1, dadurch GEKENNZEICHNET, daß die Platten (15a, 15b) der Schwenkfrequenzadapter (15) dergestalt ausgebildet sind, daß sie jeweils in die Kugelgelenksteile (Ha, Hb) aus Elastomerschichtstoff einsetzbar sind.
4. Rotornabe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch GEKENNZEICHNET, daß jede biegeweiche Platte (2) über den fest mit der entsprechenden rohrförmigen Hülse (5) verbundenen starren Ring (9) hinaus in Richtung der Rotorwelle mittels eines dickeren Endteiles verlängert ist, mit dessen Hilfe die Platte beispielsweise über zwei Spindeln (19a, 19b) mit der Rotorwelle verbunden ist, wobei die Spindeln durch übereinstimmende Bohrungen im Endteil der Platte (1) und in radialen Verlängerungen (la, Ib) der Rotorwelle geführt sind.

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5. Rotornabe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, für einen Rotor mit einer gewissen Anzahl von Paaren einander gegenüberliegender Rotorblätter, dadurch GEKENNZEICHNET, daß dieselbe Zahl biegeweicher und verwindungsfähiger Platten (2A, 2B) in der Weise angeordnet ist, daß deren Ubereinanderliegende Mittelpartien in einem Gehäuse (16a, 16b) fest gelagert sind, welches vom oberen Ende der Rotorwelle (1) getragen ist, und daß die beiden freien Abschnitte (2Al, 2A2) jeder Platte (2A, 2B), die außerhalb des Gehäuses (16a, 16b) liegen, jeweils radiale Platten darstellen, deren äußere Enden jeweils mit den Rotorblattwurzeln (6Al) desselben Paares verbunden sind.
6. Rotornabe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, für einen Rotor mit Rotorblättern, die jeweils aus einem plattenförmigen Längsholm bestehen, der von einer Profil halbschale umschlossen ist, dadurch GEKENNZEICHNET, daß jeweils die äußeren Enden jeder Platte (2) und der rohrförmigen Hülse (5), die diese umgibt, mit den jeweiligen inneren Enden des Längsholmes (6a) und der Profil halbschale (6b) des entsprechenden Rotorblattes verbunden sind.
7. Rotornabe nach Anspruch 6, dadurch GEKENNZEICHNET, daß jede rohrförmige Hülse (5) mit der Profil halbschale (6b) des entsprechenden Rotorblattes (6) einstückig ausgebildet ist.
8. Rotornabe nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch GE-KENN)EICHNEt, daß jede Platte (2) mit dem Längsholm (6a) des entsprechenden Rotorblattes (6) einstückig ausgebildet ist.
9. Rotornabe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch GEKENNZEICHNET, daß das äußere Ende jeder Platte (2A) mit der Wurzel des entsprechenden Rotorblattes (6Al) mittels eines stehenden Zapfens (18) verbunden ist, dessen Achse im wesentlichen senkrecht zur Rotorebene steht.