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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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1. Gebiet
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Heckrotore für Hubschrauber
und andere Drehflügelflugzeuge.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Vielblattheckrotore
und ihre Fähigkeit
um potentiell starke Coriolisdrehmomente aufzunehmen.
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2. Beschreibung des verwandten
Stands der Technik
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Eine
der wesentlichen Herausforderungen im Zusammenhang mit der Konstruktion
von Vielblattheckrotoren ist ihre Fähigkeit um potentiell starke
Coriolis-Drehmomente aufzunehmen. Wenn die Rotorebene eines Hubschrauberrotors
in Bezug auf die Antriebswelle schwenkt treten 1/U und 2/U Coriolis-Drehmomente
auf. Da das 1/U Coriolis-Drehmoment proportional ist zu der nach
oben gerichteten Winkelstellung der Rotorblätter kann es normalerweise
bei den meisten Heckrotoren vernachlässigt werden. Für Zweiblattheckrotore
ist das 2/U Coriolis-Drehmoment auch kein Problem, da beide Blätter gleichzeitig
beschleunigt und verzögert
werden, und das Antriebssystem üblicherweise
ausreichend flexibel ist um die erforderliche Torsionsfreiheit zu
gewährleisten.
Das 2/U Coriolis-Drehmoment wird aber ein Problem bei Vielblattheckrotoren
wenn kein Voreil-Nacheil-Schwenkgelenk vorgesehen ist.
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Viele
verschiedene Verfahren werden in bestehenden Hubschraubern mit Vielblattheckrotoren eingesetzt
um die erforderliche Entlastung betreffend das 2/U Coriolis-Drehmoment zu gewährleisten.
Z. B. besitzt der Sikorsky S-56 einen Vollgelenkrotor mit Voreil-Nacheil-Gelenken
und Dämpfern;
der Sikorsky S-61 hat eine biegsame Spindel an der Blattwurzel in Kombination
mit beschränkter
Schlagbewegung um Belastungen infolge der Coriolis-Kräfte zu begrenzen;
der Kaman UH-2 lässt
eine geringe Voreil-Nacheil-Bewegung zu durch Vorsehen einer Pendelstiftanordnung
in seinem Schlaggelenk; und der Lockheed AH-56 besitzt eine kardanische
Heckrotornabe, welche das 2/U Coriolis-Drehmoment in der gleichen Weise
entlastet wie ein halbstarrer Zweiblattrotor. Unglücklicherweise
neigen alle diese Lösungsmöglichkeiten
zu einer schweren und komplizierten Bauweise. Sie erfordern alle
hoch belastete Lager, die mit Heckrotordrehzahl schwingen. Dies
führt zu
einer Konstruktion, welche viel Wartung und eine lange Stillstandszeit
verlangt.
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Eine
der Möglichkeiten
um dieses Problem zu lösen
ist die Anordnung von zwei Zweiblattrotoren auf der gleichen Antriebswelle.
Diese Ausführungsform
ergibt einen Vierblattheckrotor mit der mechanischen und strukturellen
Einfachheit eines halbstarren Zweiblattrotors. Diese Konstruktionsweise
hat keine Lager, welche unter der Belastung durch die ganze Zentrifugalkraft
des Blattes schwenkbar sein müssen.
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Der
AH-1Z/UH-1Y Heckrotor hat auch diese Konstruktionsweise, wobei zwei
Zweiblattrotore auf der gleichen Antriebswelle angeordnet sind.
Jeder Rotor ist ein halbstarrer Zweiblattrotor; sie sind unabhängig voneinander
auf einer Ausgangswelle angeordnet. Die Spannweitenachsen der Blattpaare
sind senkrecht zueinander, und sie sind axial voneinander beabstandet,
um den erforderlichen Raum vorzusehen zur Anordnung der Blattbefestigungsbauteile und
um den Betriebsabstand zwischen den Rotoren vorzusehen. Diese Konstruktionsweise
führt aber nicht
zwangsläufig
zu der Entlastung des 2/U Coriolis-Drehmomentes. Jedes Mal wenn
eine erste harmonische Schlagbewegung im Heckrotor auftritt ist ein
Blattpaar bestrebt zu beschleunigen und gleichzeitig ist das andere
Blattpaar bestrebt sich zu verzögern.
Dementsprechend sind beide Rotore bestrebt sich wie eine Schere
zu bewegen.
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Diese
Annäherung
wurde in vielen Versuchs- und Produktionshubschraubern durch Drehflüglerkonstrukteure
eingesetzt. Die Firma Bell Helicopter Textron Inc. hat erfolgreich
einen doppelten, halbstarren Heckrotor mit einer gemeinsamen Antriebswelle in
einem ihrer Versuchsflugzeuge eingesetzt. Der AH-64D Apache besitzt
einen doppelten, halbstarren Heckrotor mit biegsamen Gabeln. Obschon
beide Konstruktionsweisen die erwünschte Entlastung für das 2/U
Coriolis-Drehmoment gewährleisten,
sind beide mit vielen Nachteilen behaftet: wie z. B. die mechanische
Komplexität,
die schwerere Konstruktionsweise, Probleme hinsichtlich der Auslegung
der Steifheit kritischer Metallteile – die möglicherweise zu einer verschlechterten
strukturellen Konstruktion und zu potentiell katastrophalen Schadensfällen führen können, um
nur einige zu nennen.
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Aus
der US-A-3,784,319, auf welche die zweiteilige Form des unabhängigen Anspruches
1 sich stützt,
ist ein doppelter, halbstarrer Heckrotor bekannt, wobei die Entlastung
des 2/U Coriolis-Drehmomentes durch den Einbau einer flexiblen Nabenstruktur
oder zwei langen koaxialen Wellen erfolgt.
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Die
US-A-4,522,563 betrifft einen halbstarren Zweiblattheckrotor mit
einer Zapfenblock-Lagerstruktur zur Halterung der Rotornabe an dem
Rotormast. Die Zapfenblock-Lagerstruktur
hat einen Hauptkörper,
der am Mast befestigt wird und zwei gegenüberliegende koaxiale Wellen,
welche Elastomerlager tragen, die in einer Rotornabenbohrung sitzen, welche
sich quer zu der Rotormastachse erstreckt. Zurückhaltemittel sind vorgesehen
zum Zurückhalten und
Vorbelasten der Elastomerlager in der Rotormastquerbohrung.
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Obschon
die vorstehend beschriebenen Annäherungen
wesentliche Fortschritte in dem Bereich der Heckrotorkonstruktion
darstellen bleiben grosse Herausforderungen hinsichtlich der Fähigkeit
der Vielblattheckrotore um die potentiell starken Coriolismomente
aufzunehmen.
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KURZE ERLÄUTERUNG
DER ERFINDUNG
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Obschon
verschiedene Vielblatt-Rotor-Ausführungen, welche heute eingesetzt
werden das Coriolis-Drehmoment unterschiedlich kompensieren besteht
ein Bedarf für
ein Vielblattheckrotor-System, das ein potentiell starkes Coriolis-Moment
aufnehmen kann ohne die Notwendigkeit für schwere, komplexe Bauteile,
wie z. B. hochbelastete, mit Heckrotordrehzahl schwingende Lager.
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Es
ist demgemäss
eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Vielblattheckrotor-System
zu schaffen, das ein 2/U Coriolis-Moment aufnehmen kann, ohne die
Notwendigkeit für
schwere, komplexe Bauteile, die eine wesentliche Wartung und Stillstandszeit
erfordern.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe schafft die Erfindung eine Heckrotorbaugruppe für einen
Drehflügler mit:
einem
Antriebsmast;
einer ersten und einer zweiten Vielzahl von Rotorblättern, die
wippweglich in Bezug auf den Antriebsmast montiert sind; und
einer
Einrichtung zur 2/U Coriolis-Drehmoment-Entlastung in der Heckrotorbaugruppe;
dadurch
gekennzeichnet, dass:
eine innere Querhauptbaugruppe mit dem
Antriebsmast verbunden ist und die Rotorblätter der ersten Vielzahl von
Rotorblättern
mit der inneren Querhauptbaugruppe verbunden sind;
eine äussere Querhauptbaugruppe
zur Drehmomentübertragung
mit der inneren Querhauptbaugruppe über eine Axialkupplung verbunden
ist, wobei die Axialkupplung koaxial zum Antriebsmast ist und die
Rotorblätter
der zweiten Vielzahl von Rotorblättern
mit der äusseren
Querhauptbaugruppe verbunden sind;
wobei die innere Querhauptbaugruppe
und die äussere
Querhauptbaugruppe jeweils versehen sind mit:
einer Querhauptnabe
mit einer sich durch die Nabe erstreckenden Querbohrung, wobei die
Querbohrung senkrecht zu dem Antriebsmast ist;
einer in der
Querbohrung auf beiden Seiten des Antriebsmastes angeordneten Lager-
und Zapfenbaugruppe mit:
einem Zapfenteil mit Zapfenarmen die
sich nach aussen von einem Zapfenkörperteil erstrecken, der den Antriebsmast
umgibt; und
wobei auf jedem Zapfenarm je ein elastomeres Lager angeordnet
ist; und
Haltemittel zum Ausrichten und Festhalten der Lager-
und Zapfenbaugruppe in der Bohrung, wobei die Haltemittel mit der
Querhauptnabe an jedem Ende der Querbohrung verbunden sind, damit
eine Axialdruckvorspannung auf die Lager- und Zapfenbaugruppe ausgeübt wird;
wobei
die innere Querhauptbaugruppe mit dem Antriebsmast über eine
Vielkeilkupplung verbunden ist, die sich im Inneren des Zapfenkörperteiles
der Lager- und Zapfenbaugruppe der inneren Querhauptbaugruppe befindet,
und wobei die elastomeren Lager der Lager- und Zapfenbaugruppen
selektiv gestaltet sind zur 2/U Coriolis-Drehmoment-Entlastung.
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In
dem Anspruch 13 ist ein entsprechendes Verfahren gekennzeichnet.
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Das
Heckrotor-System gemäss
der vorliegenden Erfindung bietet eine einfachere und kostengünstigere
Lösung
durch Zurückgreifen
auf bestehende Bauteile, die vorgesehen sein müssen, um andere Aufgaben zu
erfüllen.
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Die
Zapfenarme sind vorzugsweise geformt damit sie in dem Elastomerlagern
zurückgehalten werden.
Die Elastomerlager können
entweder auf den Zapfenarmen geformt werden oder sie können vorgeformt
und nachträglich
an den Zapfenarmen befestigt werden. Eine starre Hülse ist
um jedes Elastomerlager angeordnet. Diese Hülsen sind gestaltet um in der
Querbohrung zurückgehalten
zu werden, die sich durch jedes Rotorquerhaupt erstreckt. Die Zurückhaltemittel
halten die Elastomerlager und die Hülsen in Stellung in dem Querhaupt
und umfassen Haltefittings, die mit den Rotorquerhäuptern an
jedem Ende der Querbohrung verbunden sind. Die Hülsen können mit Anschlagteilen versehen
sein, die von den Haltefittings aufgenommen werden um die Bewegung
des Querhauptes in Bezug auf die Antriebswelle zu begrenzen.
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Gemäss dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung sind die innere Lager- und Zapfenblockbaugruppe,
die Axialkupplung oder der Nabenadapter, und die äussere Lager-
und Zapfenblockbaugruppe durch einen inneren Konus, einen äusseren
Konus und eine Rotormastschraubenmutter auf der Antriebswelle zusammengekuppelt.
Das Antriebsdrehmoment wird von der Antriebswelle übertragen
auf die innere Lager- und Zapfenblockbaugruppe durch eine Vielkeilverzahnung
auf der Aussenseite der Antriebswelle, die in Eingriff ist mit einer
Vielkeilverzahnung an der Innenseite des Körperteiles der inneren Lager-
und Zapfenblockbaugruppe. Das Drehmoment wird übertragen von der inneren Lager-
und Zapfenblockbaugruppe auf die Axialkupplung oder den Nabenadapter
durch eine verzahnte Kupplung an einem Ende des Nabenadapters, und
von dem Nabenadapter zu der äusseren
Lager- und Zapfenblockbaugruppe durch eine andere verzahnte Kupplung
an dem anderen Ende des Nabenadapters.
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Das
Vielblattheckrotor-System gemäss
der vorliegenden Erfindung hat wesentliche Vorteile. Herkömmliche
halbstarre Rotore welche Elastomerlager haben um die Schlagbewegung
zuzulassen verlangen eine sehr hohe radiale Steifigkeit der Lager,
um eine radiale Verformung unter der Belastung durch das Rotordrehmoment
zu minimieren. In dem Vielblattheckrotorsystem gemäss der vorliegenden
Erfindung wird aber die radiale Steifigkeit eines einzigartig konstruierten
Elastomerschlaglagers ausgelegt, um eine geeignete Steifigkeit aufzuweisen
zur Übertragung
des Rotordrehmomentes und um eine geeignete Weichheit aufzuweisen
zur Entlastung des 2/U Coriolis Momentes, ohne Einbau zusätzlicher
Bauteile. Da diese Coriolis-Entlastung durch Auslegung der Federkonstante
eines bestehenden Bauteiles erzielt wird, ist die Erfindungsgemässe Nabenbaugruppe wesentlich
einfacher gestaltet bei verringertem Gewicht und niederigeren Kosten
sowie hoher Betriebssicherheit infolge der Herabsetzung der Anzahl
der Bauteile in dem System.
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Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
neuen Merkmale, welche als kennzeichnend für die Erfindung angesehen werden,
sind in den nachfolgenden Ansprüchen
enthalten. Die Erfindung selbst aber, sowie auch ein bevorzugtes
Anwendungsbeispiel derselben, und weitere Aufgaben und Vorteile
derselben sind bestens zu verstehen durch Bezugnahme auf die folgende
ausführliche
Beschreibung in Zusammenhang mit den zugehörigen Zeichnungen, es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Hubschraubers mit einer Vielblattheckrotor-Baugruppe
gemäss
der vorliegenden Erfindung.
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2 eine
perspektivische Ansicht der Vielblattheckrotor-Baugruppe gemäss der vorliegenden Erfindung.
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3 eine
vergrösserte
perspektivische Ansicht der Heckrotor-Baugruppe gemäss der 2.
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4 eine
auseinandergezogene Darstellung der Vielblattheckrotor-Nabenbaugruppe
gemäss der 3.
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5A eine
z. T. aufgeschnittene Ansicht der Mast- und Zapfenblockbaugruppen
der Vielblattheckrotor-Nabenbaugruppe gemäss der vorliegenden Erfindung.
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5B eine
perspektivische Ansicht von einer der Lager- und Zapfenblockbaugruppen
der Vielblattheckrotor-Nabenbaugruppe
gemäss
der vorliegenden Erfindung
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5C eine
auseinandergezogene Darstellung der Lager- und Zapfenbaugruppe gemäss der 5B.
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Die 6–9 Ansichten
längs den Hauptachsen
von einer der Heckrotor-Querhaupt-Baugruppen der Vielblattheckrotor-Nabenbaugruppe
gemäss
der vorliegenden Erfindung.
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10 eine
perspektivische Ansicht eines Rotorblattes der Vielblattheckrotor-Baugruppe
gemäss
der vorliegenden Erfindung.
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11 eine
vergrösserte
perspektivische Ansicht der Rotorblatt-Manschette des Rotorblattes gemäss der 10.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSBEISPIELES
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Die 1 der
Zeichnungen zeigt einen Drehflügler 10 mit
einer Vielblattheckrotor-Nabenbaugruppe zur Coriolis-Entlastung gemäss der vorliegenden Erfindung.
Der Drehflügler 10 hat
einen Rumpf 12 und einen Hauptrotor 14. Dem Drehmoment,
welches durch den Hauptrotor 14 auf den Rumpf 12 ausgeübt wird,
wird entgegengewirkt durch eine Vielblattheckrotor-Baugruppe 16,
die an einem Heckteil 22 des Rumpfes 12 montiert
ist. Der Hauptrotor 14 und die Vielblattheckrotor-Baugruppe 16 werden durch
eine Antriebseinrichtung 18 angetrieben, welche vom Piloten
in einer Pilotenkanzel 20 gesteuert wird.
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Es
ist zu erwähnen,
dass die Heckrotor-Baugruppe 16 des Drehflüglers 10 ein
Druck-Heckrotor ist, wobei die Heckrotor-Baugruppe 16 sich auf der linken
Seite des Drehflüglers 10 mit
Bezug auf die Vorwärts-Flugrichtung
befindet. Diese Ausführung
ist wünschenswert,
da bei herkömmlicher
Konstruktionsweise mit Zugheckrotor, wobei die Heckrotor-Baugruppe sich auf
der rechten Seite des Drehflüglers
befindet, festgestellt wurde, dass die Seitenbelastung des Heckteiles 22 durch
den Abwind des Heckrotors den zur Verfügung stehenden Heckrotorschub
wesentlich herabsetzen kann. In bestimmten Fällen kann der Netto-Schubverlust
infolge Störung durch
den Heckteil 22 bis zu 20% betragen. Aus diesem Grunde
ist gemäss
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung die Heckrotor-Baugruppe 16 auf der "Druck"-Seite des Heckteiles 22 angeordnet.
Der Abstand zwischen dem Leitwerk und dem Heckrotor wurde optimiert
hinsichtlich des Gewichtes, des Schlagfreiraumes, und des aerodynamischen
Wirkungsgrades.
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Gemäss dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung hat die Vielblattheckrotor-Baugruppe 16 vier
Rotorblätter.
Die Verwendung von vier Rotorblättern
ergibt eine geringere Blattbelastung, d. h. einen geringeren Schub
pro Blatt, im Vergleich mit einem Zweiblattrotor. Der Vierblattrotor
hat eine verbesserte aerodynamische Leistungsfähigkeit infolge niedriger Blattspitzenverluste bei
Blättern
mit hohem Schlankheitsverhältnis.
Die Verwendung von vier Heckrotorblättern führt auch zu herabgesetzten
Steuerkräften.
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In
den 2–4 der
Zeichnungen ist die Heckrotor-Baugruppe 16 des
Drehflüglers 10 in
Perspektive dargestellt. Die 2 zeigt
die Heckrotoranordnung 16 im Zusammenbau, die 3 ist
eine vergrösserte
Ansicht der zusammengebauten Heckrotor-Baugruppe 16, und
die 4 ist eine auseinandergezogene Darstellung einer
Heckrotor-Nabenbaugruppe 16a.
Die Heckrotor-Nabenbaugruppe 16a hat einen Antriebsmast 30 mit
einer Antriebsmastachse 31, an dem zwei virtuell identische
Nabenanordnungen montiert sind: eine äussere Nabenbaugruppe und eine
innere Nabenbaugruppe. Die äussere
Nabenbaugruppe hat ein äusseres
Querhaupt 32, eine äussere
Zapfenblock- und Elastomerlager-Baugruppe 56, die innerhalb
des äusseren Querhauptes 32 angeordnet
ist, und äussere
Haltefittings 64, die an den Enden des äusseren Querhauptes 32 befestigt
sind. Zwei äussere
Blätter 34 sind
an dem äusseren
Querhaupt 32 befestigt, wie im Späteren ausführlicher beschrieben wird.
Obschon in den Figuren nicht vollständig sichtbar, hat die innere
Nabenbaugruppe ein inneres Querhaupt 33, eine innere Zapfenblock-
und Elastomerlager-Baugruppe 57, die innerhalb dem inneren
Querhaupt 33 angeordnet ist, und innere Haltefittings 59,
die an den Enden des inneren Querhauptes 33 befestigt sind.
Die äussere Nabenbaugruppe
ist in Abstand von der inneren Nabenbaugruppe angeordnet durch Vorsehen
einer Axialkupplung in Form eines Nabenadapters 54, wie
im Späteren
ausführlicher
beschrieben wird. Wie noch im Folgenden ausführlich erläutert wird, sind die innere
Nabenbaugruppe, die äussere
Nabenbaugruppe und der Nabenadapter 54 zusammengehalten
und in Stellung zurückgehalten
auf dem Antriebsmast 30 zwischen einem Innenkonus 94 (siehe 5A),
einen Aussenkonus 58, einem Abstandsstück 61 und einer Antriebsmast-Schraubenmutter 60.
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Die äussere Zapfenblock-
und Elastomer-Lagerbaugruppe 56 wird in dem äusseren
Querhaupt in Stellung zurückgehalten
durch Haltefittings 64. In gleicher Weise wird die innere
Zapfenblock- und Elastomer-Lagerbaugruppe 57 in Stellung
zurückgehalten
in dem inneren Querhaupt 33 durch Haltefittings 59.
Die Haltefittings 64 sind an dem äusseren Querhaupt 32 durch
Schraubenbolzen 66 befestigt, die durch Bohrungen 78 (siehe 6)
ragen. Die Haltefittings 59 sind in gleicher Weise am inneren Querhaupt 33 befestigt.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
bildet ein zusätzlicher,
am Haltefitting 64 angeformter Ansatz 80 einen
der redundanten Kraftübertragungswege
von dem Rotorblatt zur Querhauptbefestigung.
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Ein
drehendes Steuersystem 41 ist im Wesentlichen koaxial ausgerichtet
mit dem Antriebsmast 30 und befindet sich auf der Aussenseite
desselben. Das drehende Steuersystem 41 umfasst einen drehenden
Querkopf 44, ein Drucklagergehäuse 42, ein Drucklager 43,
einen Eingangshebel 40, eine Vielzahl von Blattwinkelstangen 46 und 48 und
eine Vielzahl von U-förmigen Blattwinkelhörnern 50 und 52. Das
Drucklager 43, zusammen mit einem System von Stangen und
Hebeln, bildet eine Schnittstelle zwischen einem nichtdrehenden
Steuersystem und dem drehenden Steuersystem 41. Der drehende Querkopf 44 steuert
den Blattwinkel durch Übertragung
von Steuereingängen
von dem nichtdrehenden System über
die Blattwinkelstangen 46 und 48 zu den an den
Blattmanschetten befestigten U-förmigen Blattwinkelhörnern 50 und 52.
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Die
Heckrotor-Nabenbaugruppe 16a hat eine Vielzahl von Scherspindeln 74.
Jede Scherspindel 74 ist an einem radial inneren Ende eines
Rotorblattes 32 und 34 befestigt, um einen Blattscherkraft-Übertragungsweg
zu einem in einem zugeordneten Haltefitting 64 angeordneten
Lager 76 zu bilden. Jede Scherspindel 74 hat mindestens
einen Anschlag 79, um die nach oben gerichtete Winkelstellung
der Rotorblätter
zu begrenzen. Die Winkelbegrenzungsanschläge 79 verhindern Schäden infolge starker
seitlicher Windböen
und Bodenmanoeuvrierung.
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In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
hat das äussere
Querhaupt 32 und das innere Querhaupt 33 jeweils
eine Reihe von redundanten Kraftübertragungswegen.
Zur Übersichtlichkeit werden
diese vielfachen, redundanten Kraftübertragungswege nur mit Bezug
auf das äussere
Querhaupt 32 beschrieben. Es ist zu verstehen, dass vielfache
redundante Kraftübertragungswege,
wie sie dem äusseren
Querhaupt 32 zugeordnet sind, auch dem inneren Querhaupt 33 zugeordnet
sind. Das Querhaupt 32 hat mehrfache Ansätze 68 mit
redundanten Kraftübertragungswegen
an jedem Ende. Jedes Ansatzpaar 68 ist ausgeführt zur
Aufnahme von Blattansätzen 70 des
Rotorblattes 34. Jedes Rotorblatt 34 ist an den Ansätzen 68 des äusseren
Querhauptes 32 durch Schraubenbolzen 72 befestigt,
welche mehrere Scherebenen aufweisen. Die Rotorblätter 34 sind vorzugsweise
um 180° voneinander
getrennt. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das äussere Querhaupt 32 innerhalb
der Ansätze 68 so
gestaltet damit mehrfache Kraftübertragungswege
vorliegen zur strukturellen Redundanz für die Übertragung der Blatt-zu-Blatt-Zentrifugalkräfte. Es
ist zu verstehen, dass das Querhaupt 32 und die Rotorblätter 34 auch auf
andere Art und weise zusammengebaut werden können.
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In
der 5A der Zeichnungen ist die Zapfenblock-Antriebsmastbefestigungsstruktur
der Heckrotor-Nabenbaugruppe 16a dargestellt. Gemäss dieser
Figur sind ein Innenkonus 94, ein innerer Zapfenblock 92,
ein Nabenadapter 54, ein äusserer Zapfenblock 90,
ein äusserer
Konus 58 und ein Abstandsring 61 auf dem Antriebsmast 30 zusammengehalten
zwischen einer inneren Schulter 101 des Mastes 30 und
der Mastschraubenmutter 60. Beim Festschrauben der Mastschraubenmutter 60 auf
dem Mast 30 werden der äussere
Zapfenblock 90, der Nabenadapter 54 und der innere
Zapfenblock 92 zusammengedrückt und wirksam zentriert.
Der Innenkonus 94 schaltet Radialspiel in den Vielkeilabschnitt 96 aus
und der Aussenkonus 58 gewährleistet eine wirksame Zentrierung
des äusseren
Drehzapfenblockes 90. Der Mast 30 überträgt das Antriebsdrehmoment
auf den inneren Zapfenblock 92 über einen Vielkeilabschnitt 96 am
Mast 30. Der innere Zapfenblock 92 hat eine Vielkeilverzahnung
auf seiner Innenfläche,
die mit dem Vielkeilabschnitt 96 des Mastes 30 zusammenpasst.
Der innere Zapfenblock 92 ist mit dem Nabenadapter 54 durch
eine Zahnkupplung 98 verbunden. Das Antriebsdrehmoment
wird von dem inneren Zapfenblock 92 über die Zahnkupplung 98 auf
den Nabenadapter 54 übertragen.
Der Nabenadapter 54 ist mit dem äusseren Zapfenblock 90 über eine
Zahnkupplung 100 verbunden. Das Antriebsdrehmoment wird
von dem Nabenadapter 54 auf den äusseren Zapfenblock 90 über die
Zahnkupplung 100 übertragen.
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Wie
in der Figur gezeigt hat ein Teil des Mastes 30 ausserhalb
des inneren Zapfenblockes 92 einen kleineren Aussendurchmesser.
Dieser kleinere Aussendurchmesser ergibt eine Torsionssteifigkeit, die
wesentlich niedriger ist als die Torsionssteifigkeit des Nabenadapters 54.
Für jede
Rotationsverdrillung des inneren Zapfenblockes 30 wird
dementsprechend der Mast 30 sich um einen äquivalenten
Betrag drehen, wobei aber die Rotation in dem kleineren Durchmesserabschnitt
des Mastes 30 erfolgt, und nicht an der Schnittstelle des äusseren
Konus 58 und des Mastes 30. Die Mastschraubenmutter 60 erzeugt eine
axiale Vorspannung des Innenkonus 94, des inneren Zapfenblockes 92,
des Nabenadapters 54, des äusseren Zapfenblockes 90,
des Aussenkonus 58 und des Abstandsringes 61.
Diese axiale Vorspannung bewirkt eine erwünschte Friktionseinspannung am
Aussenkonus 58 und wirkt Trennkräften der Zahnkupplungen 98 und 100 entgegen.
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Der
Hauptzweck des Nabenadapters 54 ist die Übertragung
des Antriebsdrehmomentes von dem inneren Zapfenblock 92 auf
den äusseren
Zapfenblock 90. Da der innere Zapfenblock 92 über eine Vielkeilverbindung
mit dem Mast 30 verbunden ist wird das gesamte, konstante
Antriebsdrehmoment vom Mast 30 auf den inneren Zapfenblock 92 übertragen.
Es wird aber nur etwa die Hälfte
des Antriebsdrehmomentes durch das innere Querhaupt 33 auf die
Rotorblätter 36 übertragen.
Der restliche Teil des Antriebsdrehmomentes wird vom inneren Zapfenblock 92 durch
den Nabenadapter 54 auf den äusseren Zapfenblock 90 übertragen
und von diesem durch das äussere Querhaupt 32 auf
die äusseren Blätter 34.
Da der äussere
Zapfenblock 90 nicht über eine
Vielkeilverbindung mit dem Mast 30 verbunden ist, wird
nur etwa eine Hälfte
des Mastdrehmomentes als konstante Last auf den Nabenadapter 54 übertragen.
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Durch
diese Gestaltung der Heckrotor-Nabenbaugruppe 16a werden
viele Vorteile erreicht, einschliesslich: (1) verringerte Ausfallhäufigkeit
infolge Reibkorrosion und Abnutzung; (2) Vermeidung von Relativbewegung
an den Befestigungsstellen; und (3) Bauteilgleichheit zwischen den
Innen- und Aussenrotorbaugruppen. Da den 2/U Coriolis-Drehmomentkräfte zwischen
dem inneren Zapfenblock 92 und dem äusseren Zapfenblock 90 durch
die Zahnkupplungen 98 und 100 und nicht durch
den Vielkeilabschnitt 96 des Mastes 30 entgegengewirkt
wird, ist die potentielle Schadenshäufigkeit infolge Reibkorrosion
vermindert. Da die zwei gestapelten Zapfenblöcke 90 und 92 durch
Zahnkupplungen 98 und 100 zusammengespannt werden
sind sie durch eine feste Verbindung miteinander verbunden, was
erwünscht ist
zum Herabsetzen der Reibkorrosion und Abnutzung, welche üblicherweise
an Verbindungsstellen auftreten, die hohen Schwingbelastungen ausgesetzt sind.
Der torsionsweiche äussere
Abschnitt des Mastes 30 nimmt die Winkelverdrehung auf
zwischen dem inneren Zapfenblock 92 und dem äusseren
Zapfenblock 90 mit minimaler Relativbewegung an den verzahnten
Verbindungsstellen der Zahnkupplungen 98 und 100.
Desweiteren erlaubt diese einzigartige Konfiguration die Bereitstellung
von gleichen inneren und äusseren
Rotorbaugruppen, die zusammengebaut, ersetzt und als individuelle
Zweiblattrotorbaugruppen versandt werden können. Die Gestaltung der Zahnkupplungen 98 und 100 des
Nabenadapters 54 gründet
auf wichtigen Konstruktionsüberlegungen.
Erstens, jede Zahnkupplung 98 und 100 muss in der
Lage sein den konstanten, Schwingungs- und Grenzdrehmomentlasten
entgegenzuwirken, die durch die Heckrotornabenbaugruppe 16a angelegt werden.
Zweitens, es ist wünschenswert,
dass die axiale Vorspannung der Zahnkupplungen 98 und 100 ausreichend
ist, um während
dem Betrieb eine Auseinanderbewegung der Verbindung zu verhindern. Die
Zahnkupplungen 98 und 100, zusammen mit den angrenzenden
Bauteilen, müssen
auch in der Lage sein die Vorspannkraft zu übertragen. Es ist demgemäss zu verstehen,
dass sich die Grösse
und die Teilung der Zahnkupplungen 98 und 100 von
Anwendung zu Anwendung ändern
können.
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In
den 5A und 5B der
Zeichnungen ist die Elastomerlager- und Zapfenblockbaugruppe 56 dargestellt.
Die 5B zeigt die Lager-Zapfenblockbaugruppe 56 im
Zusammenbau, währenddem die 5C die
Lager- und Zapfenblockbaugruppe 56 in auseinandergezogener
Darstellung zeigt. Die Lager- und Zapfenblockbaugruppe 56 hat
einen Zapfenblock 90 mit zwei Zapfenarmen 110,
die sich vom Zapfenblock radial nach aussen erstrecken. Bei dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
haben die Zapfenarme 110 im Allgemeinen eine kegelige Form
und nehmen dabei in ihrem Durchmesser ab bei ihrer Auswärtserstreckung
von einem Körperteil 113.
Jeder Zapfenarm 110 ist ausgelegt damit er fest in einem
Innenteil 116 eines Elastomerlagers 112 zurückgehalten
wird. Die Elastomerlager 112 nehmen die Rotorschlagbewegungen
und -kräfte
auf und jede Elastomerlager- und Zapfenblockbaugruppe 56 und 57 hat
Kraftübertragungswege
für das
Rotordrehmoment und den Schub. Eine starre, ringförmige Hülse 114 ist
um jedes Elastomerlager 112 angeordnet. Die Hülsen 114 sind
ausgeführt
um fest in einer Querbohrung 104 (siehe 6 bis 9)
in dem inneren Querhaupt 33 und dem äusseren Querhaupt 32 zu sitzen.
Gemäss
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
haben die Hülsen 114 Anschläge 118,
die sie gegen die Haltefittings 64 anlegen zum Begrenzen der
Radialbewegung der Hülsen 114 in
der Bohrung 104. Auf diese Weise werden die Bewegungen
des inneren Querhauptes 33 und des äusseren Querhauptes 32 in
Bezug auf den Mast 30 begrenzt.
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Wie
vorstehend erwähnt,
wird die 2/U Coriolis Entlastung gemäss der vorliegenden Erfindung
erreicht durch Optimierung der Federkonstante der Elastomerlager 112,
anstatt durch Einbau weiterer Bauteile. Herkömmliche, halbstarre Rotore,
welche Elastomerlager besitzen, um eine Schlagbewegung der Rotorblätter zuzulassen,
haben eine sehr hohe radiale Steifigkeit der Lager, um das Gewicht
und die Lagergrösse
zu minimieren. Gemäss
der vorliegenden Erfindung ist jedoch die radiale Steifigkeit der Elastomerlager 112 wahlweise
bemessen um eine geeignete Steifigkeit zu besitzen zur Übertragung des
Rotordrehmomentes, und gleichzeitig eine geeignete Weichheit aufzuweisen
zur 2/U Coriolis-Last-Entlastung. Da die Coriolis-Entlastung erreicht
wird durch Bemessen der Federkonstante eines bestehenden Bauteiles
hat die erfindungsgemässe
Nabenanordnung einen wesentlich einfacheren Aufbau bei verringertem
Gewicht und niedrigeren Kosten, sowie eine höhere Betriebssicherheit infolge der
Herabsetzung der Anzahl der erforderlichen Bauteile.
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Bei
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht
der Zapfenblock 90 aus rostfreiem Stahl; es ist aber zu
verstehen, dass auch andere, geeignete Werkstoffe eingesetzt werden
können.
Desweiteren ist auch zu verstehen, dass die Konstruktionswerkstoffe
und die dynamischen Eigenschaften der Elastomerlager 112 sich
von einer Anwendung zu einer anderen ändern können. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
werden die Elastomerlager 112 unmittelbar auf den Zapfenarmen 110 geformt
und angeordnet und/oder vulkanisiert. Es ist aber zu verstehen,
dass die Elastomerlager 112 auch vorgeformt und dann später nach
dem Formen, mit den Zapfenarmen vereinigt, verklebt oder auf andere
Art und Weise verbunden werden können.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
sind die Elastomerlager 112 wahlweise bemessen um eine
axiale Federkonstante in einer Richtung parallel zur Achse des Zapfenarmes
aufzuweisen; eine Schlagbewegungsfederkonstante, und eine Radial-
oder Torsionsfederkonstante radial um die Achse des Mastes zur Entlastung
des 2/U Coriolis-Drehmomentes.
Es ist zu verstehen, dass sich jede dieser Eigenschaften ändern kann,
je nach den Anforderungen einer bestimmten Anwendung.
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Die
Heckrotornabenbaugruppe 16a gewährleistet eine wesentlich bessere
Wirksamkeit als herkömmliche
Heckrotornabenbaugruppen, insbesondere hinsichtlich der Behandlung
des 2/U Coriolis-Drehmomentes. Im Allgemeinen haben die bekannten
Lösungen,
die sich mit dem 2/U Coriolis-Drehmoment
befassen schwierige und komplexe Mechanismen. Einige besitzen hochbelastete
Lager, die mit Heckrotordrehzahl schwingen, was zu Konstruktionen
führt,
welche eine aufwendige Wartung und übermässige Stillstandszeiten verlangen.
In einigen herkömmlichen
Konstruktionen liegen Probleme vor hinsichtlich der Auswahl der
Steifigkeit kritischer Metallbauteile, wodurch verschlechterte Strukturgestaltungen
und potentiell katastrophale Versagungsfälle auftreten können. Die
Heckrotornabenbaugruppe 16a gemäss der vorliegenden Erfindung
beseitigt aber diese Nachteile.
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Die
2/U Coriolis-Drehmomententlastung der Heckrotornabenbaugruppe 16a wird
erreicht durch Optimierung der Federkonstantencharakteristik der Elastomerlager 112,
welche bestehende Bauteile in einem Vielblattheckrotorsystems sind.
Mit anderen Worten, die Heckrotornabenbaugruppe 16a greift
auf ein bestehendes Elastomerlager zurück zum Aufnehmen der Rotorschlagbewegung,
anstelle des Einbaues eines separaten Mechanismuses. Herkömmliche, halbstarre
Rotore, die Elastomerlager besitzen um die Schlagbewegung zuzulassen,
sehen eine sehr hohe radiale Steifigkeit der Lager vor um das Gewicht und
die Lagergrösse
zu minimieren. Gemäss
der vorliegenden Erfindung ist aber die radiale Steifigkeit des
Lagers bemessen, um eine geeignete Steifigkeit aufzuweisen zur Übertragung
des Rotordrehmomentes und um eine geeignete Weichheit aufzuweisen zur
Entlastung der 2/U Coriolis-Drehmomentkräfte.
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Da
die Coriolis-Drehmomententlastung erreicht wird durch Bemessen der
Federkonstante eines bestehenden Bauteiles, das zum Aufnehmen der Schlagbewegung
erforderlich ist hat die erfindungsgemässe Nabenbaugruppe einen wesentlich
einfacheren Aufbau, ein geringeres Gewicht und auch niedrigere Herstellungskosten,
und zeichnet sich aus durch eine höhere Betriebssicherheit infolge
der kleineren Anzahl von Bauteilen, die zum Erreichen der gewünschten
Wirkung benötigt
werden. Einzelne Bauteile der Vielblattheckrotornabenbaugruppe 16a gemäss der vorliegenden
Erfindung können
gestaltet werden, um als unabhängige,
ausfallsichere Kraftübertragungswege
zu wirken zum Schutz gegen katastrophales Versagen der Heckrotornabenbaugruppe 16a.
Bestimmte Ausführungsbeispiele
der Heckrotornabenbaugruppe 16a können z. B. redundante Lastübertragungswege
in den Ansatzbereichen des äusseren
Querhauptes 32 und des inneren Querhauptes 33 aufweisen.
Insbesondere sind das äussere
Querhaupt 32 und das innere Querhaupt 33 konstruiert damit
jeder Ansatz 68 unabhängig
von den anderen Ansätzen 68 als
ein ausfallsicherer Lastübertragungsweg
wirken kann. Bei dieser Gestaltung können selbst im Falle eines
totalen mechanischen Versagens eines Ansatzes 68, die anderen
Ansätze 68 weiterhin
die Lasten übertragen.
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In
den 6 bis 9 der Zeichnungen ist das äussere Querhaupt 32 in
vier Ansichten mit Bezug auf vier Hauptrichtungen dargestellt. Es
ist zu verstehen, dass das äussere
Querhaupt 32 identisch zu dem inneren Querhaupt 33 ist
hinsichtlich seiner Form und seiner Wirkung. Das äussere Querhaupt 32 überträgt das Antriebsdrehmoment
auf die Rotorblätter 34, überträgt die Rotorlasten
und überträgt den Blattschub
auf den Mast 30 über
die Elastomerlager und Zapfenblockbaugruppe 56. Bei dem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
sind das äussere
Querhaupt 32 und das innere Querhaupt 33 aus Titan
geschmiedet.
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Der
Mast 30 ragt durch eine Mastbohrung 102. Eine
Lagerbohrung 104, welche die Mastbohrung 102 schneidet
und in Bezug auf eine Blattwinkelachse positioniert ist, nimmt die
Elastomerlager- und Zapfenblockbaugruppe 56 auf. In dem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist die Lagerbohrung 104 in einem Winkel von 40° in Bezug
auf die Einstellwinkelachse positioniert. Im Zusammenbauzustand
sind Haltefittings 64 mit dem Querhaupt 32 an
jedem Ende der Lagerbohrung 104 verbunden, damit eine Axialdruckvorbelastung
auf die Elastomerlager und Zapfenblockbaugruppe 56 ausgeübt wird.
Wie am besten aus 4 ersichtlich, ist das Haltefitting 64 zurückgehalten
durch zwei Schraubenbolzen 66, die durch Bohrungen 78 ragen.
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Bei
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind
sechs unabhängige
Hauptbelastungsübertragungswege
vorgesehen. Im Falle eines Versagens irgendeines dieser Lastübertragungswege
gewährleistet
das äussere
Querhaupt 32 weiterhin eine hohe strukturelle Unversehrtheit
für die
Heckrotornabenbaugruppe 16a. Wenn z. B. in der Heckrotornabenbaugruppe 16a irgendeiner
der Lastübertragungswege
vollständig
ausfällt
kann die Heckrotornabenbaugruppe 16a die strukturelle Unversehrtkeit
für mindestens
sechs Flugstunden in einem unbeschränkten Flugspektrum, einschliesslich
allen Grenz- und Höchstlastbedingungen
aufrechterhalten.
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In
der 10 der Zeichnungen ist ein Rotorblatt 34 gemäss der Erfindung
dargestellt. Entsprechend dem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat das Rotorblatt 34 drei
verschiedene Teile: eine angeformte Manschette 120, ein äusserer
Blattabschnitt 124, und ein angeformter Torsionsholm (nicht
dargestellt). Der angeformte Torsionsholm innerhalb der Manschette 120 dient
als Hauptlastübertragungsweg
für die
Zentrifugalkraft des Rotorblattes 34, und nimmt sowohl
die Blattwinkelbewegung und auch die Blattschlagbewegung auf. Der
angeformte Torsionsholm ist starr mit den Querhauptansätzen 68 über die
Blattansätze 70 verschraubt.
Die angeformten Manschetten 120, die mit der unteren und
der oberen Fläche des
Rotorblattes 34 an den Schnittstellen 122 verbunden
sind, bilden Schnittstellen mit dem äusseren Querhaupt 32 über die
Scherspindeln 74. Die angeformten Manschetten 120 übertragen
vom Steuersystem Blattwinkeleingänge
auf die Rotorblätter 34 über die
U-förmigen
Blattwinkelhörner 50.
Die U-förmigen Blattwinkelhörner 50 sind
auch mit den Manschetten 120 verbunden. Der äussere Blattabschnitt 124 erzeugt
den aerodynamischen Schub für
das Rotorblatt 34. Obschon die Heckrotornabenbaugruppe 16a vorstehend
mit Bezug auf vier Rotorblätter
beschrieben wurde, ist zu verstehen, dass die Heckrotornabenbaugruppe 16a mehr
oder weniger als vier Rotorblätter
aufweisen kann.
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In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
hat der Manschettenabschnitt 120 des Rotorblattes 34 ein
hohle Flügelform.
Vorzugsweise ist die Manschette 120 hauptsächlich aus
nicht-axialen Glasfasern/Epoxiharzband in Kombination mit mehreren einseitig
gerichteten Lagen aus Kohlenstofffasern hergestellt. Es ist natürlich zu
verstehen, dass andere Konstruktionsweisen und Materialien zur Herstellung des
Rotorblattes 34 eingesetzt werden können.
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Eine
innere Öffnung
der Manschette 120 ist gross genug zum Zulassen der Blattwinkelbewegung des
Torsionsholmes. Die Manschette 120 ist mit dem Rotorquerhaupt 32 über die
Scherspindel 74 verbunden, die mit der oberen und der unteren
Fläche
des Rotorblattes 34 verschraubt ist und Blattwinkelbewegungen
von dem Steuersystem über
das U-förmige Einstellhorn 50 auf
das Rotorblatt 34 überträgt. Wie vorstehend
erwähnt,
ist das radial äussere
Ende der Manschette 120 einteilig mit dem Rotorblatt 34 geformt.
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Ausser
den vorstehend beschriebenen Unterschieden kann das Vielblattheckrotorsystem
gemäss
der vorliegenden Erfindung einen lagerlosen Blattwinkelmechanismus
aufweisen zur Aufnahme der Blattwinkelbewegung. Herkömmliche
Rotorbaugruppen unterscheiden sich von der Baugruppe gemäss der vorliegenden
Erfindung darin, dass herkömmliche
Rotorbaugruppen auf sphärische
Lager zurückgreifen
zwischen den Querhäuptern
und den Blättern
zum Zulassen der Einstellwinkelbewegung der Rotorblätter in
Bezug auf das Querhaupt. Wie am besten aus den 2 bis 4 ersichtlich,
sind die Rotorblätter 34 und 36 mit
den Querhäuptern 32 bzw. 33 über diese
mit dem Mast 30 verbunden, ohne Einrichtungen in der Heckrotornabenbaugruppe 16a zum
Aufnehmen der Blattwinkelbewegung. Jedes Rotorblatt 34 und 36 hat
einen einteilig angeformten flexiblen Holm, welcher die Funktion
der Lager ersetzt, die in herkömmlichen
Konstruktionen angetroffen werden, um durch Verdrillung um die Längsachse jedes
Rotorblattes 34 und 36 die Einstellung des Blattwinkels
für jedes
Rotorblatt 34 und 36 ohne sphärische Lager zu erlauben.
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Die
radial innere Manschette 120 ist geformt, um den angeformten
Torsionsholm zu schützen
und dabei die aerodynamische Form des Rotorblattes 34 beizubehalten
zur Vermeidung einer Berührung
zwischen dem angeformten Holm und der hohlen Struktur des Rotorblattes 34 während dem
Flug. Gemäss dem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist die Manschette 120 so geformt damit sie ausreichend
torsionssteif ist, um als das Blattwinkelstellmechanismus zu wirken
zur Übertragung
der Blattwinkeltorsionskraft vom Einstellhorn 50 auf das
Rotorblatt 34.
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Es
ist offensichtlich, dass vorstehend eine Erfindung mit wesentlichen
Vorteilen beschrieben und dargestellt ist. Obschon die vorliegende
Erfindung in einer begrenzten Anzahl von Ausführungsformen dargestellt ist,
ist sie nicht nur auf diese Ausführungsformen
beschränkt
sondern sie ist zugänglich
für vielfältige Abänderungen
und Modifikationen innerhalb des Rahmens der nachfolgenden Ansprüche.