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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine kombinierte Dämpfer-Kugelgelenk-Vorrichtung
zum Einbau zwischen einem flexiblen Arm, der ein Rotorblatt einer
Helikopters mit einer Rotornabe verbindet, einerseits und einem
Anstellwinkel-Ansteuerungsring des genannten Rotorblatts andererseits.
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Aus
dem Patent
US 4 244 677 und
EP 451084 (UNITED TECHNOLOGIES
CORPORATION) ist eine kombinierte Vorrichtung bzw. Kombinationsvorrichtung
bekannt, die zwei elementare Module umfasst, die jeweils einen Lamellen-Dämpfer und ein Lamellen-Kugelgelenk-Element
umfassen. Der Lamellen-Dämpfer
umfasst einen Stapel, der alternierend aus Metallschichten und aus
Elastomerschichten aufgebaut ist und sich zwischen einem äußeren Ende
und einem inneren Ende des Dämpfers
erstreckt. An seinem äußeren Ende
umfasst der Lamellen-Dämpfer
ein Element zur Befestigung an dem Anstellwinkel-Ansteuerungsring,
und er ist an seinem inneren Ende einteilig mit dem äußeren Ende
des Kugelgelenk-Elements des Moduls verbunden, dessen inneres Ende
ein Element zur Befestigung an dem flexiblen Arm aufweist.
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Eine
solche kombinierte Vorrichtung (auch als "snubber vibration damper" oder "snubber-damper" bezeichnet) wird
mit einem flexiblen Arm ("yoke" oder "spar") einer Rotornabe
verwendet, die kein Kugellager aufweist (BMR-Rotor oder "bearingless main rotor"), und sie dient
dazu, eine Positionierung der Komponenten des Rotors (Rotorblätter/flexibler
Blatthals/Deckblech oder Anstellwinkel-Ansteuerungsring) und eine
Dämpfung
der Eigenschwingung der Rotorblätter
zu bewerkstelligen.
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Ein
sogenannter BMR-Nabenrotor ist aus einer flexiblen "spar oder yoke"-Struktur gebildet,
d.h. aus einem allgemein in Verbundweise aufgebauten Arm bzw. Blatthals,
der das Rotorblatt mit der Motornabe verbindet und durch die Zentrifugalkraft
gestreckt wird, die durch die Rotation des Rotors um die Nabe ausgeübt wird.
Ein Ring ("torque
tube"), der dieses
Blatt umgibt, ist an der Basis bzw. dem Blattanschluss des Blatts
befestigt und dient dazu, eine Drehung um die dem Blatt und dem
Ring gemeinsame Hauptachse zu erzeugen. Diese sogenannte "Anstellwinkel"-steuerung ermöglicht die
Steuerung bzw. Führung
des Helikopters.
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In
Anbetracht der Belastungen und der Verschiebungen, die aus dieser
ausgeübten
Anstellwinkelsteuerung und der aerodynamischen Wechselwirkung des
Rotorblatts mit der umgebenden Luft und ferner aus der Wechselwirkung
zwischen der Gesamtheit aus der Gesamtheit des Rotors und der Helikopterstruktur
resultieren, ist es notwendig:
- – die Positionierung
(Zentrierung) des "torque
tube" bzw. Rings
bezüglich
des "spar oder yoke"-Blatthalses aufrecht
zu erhalten. Das ist die Anschlag- oder "snubber"-Funktion, die dazu dient, durch Stauchung
die Schlagbelastung des Rotorblatts aufzunehmen;
- – den
Ring und den Blatthals drehend um ihre gemeinsame Achse zu entkoppeln.
In der Tat zeigt sich die durch die Anstellwinkelsteuerung auferlegte
Drehung aufgrund der Geometrie des Systems in einer sehr unterschiedlichen
Drehung von Ring und Blatthals. Die kombinierte Vorrichtung muss
sich daher an diese unterschiedliche Drehung anpassen;
- – eine
mit dem aerodynamischen Widerstand des Rotorblatts, der in dessen
Rotation begründet liegt,
verbunde ne Translationsverschiebung bzw. -verlagerung zu ermöglichen.
Der Widerstand übt eine
wechselnde Schersbelastung in der allgemeinen Ebene des Rotors,
senkrecht zu der weiter oben beschriebenen Schlaganregung aus.
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Die
beiden oben erwähnten
Druckschriften (
US 4 244 677 und
EP 451084 ) beschreiben ein
kombiniertes Element ("snubber
damper"), das aus
einem Stapel mit einem allgemein kugelförmigen Teil und einem ebenen
Teil gebildet ist, die jeweils aus unterschiedlichen Materialien
gebildet sind und die wirksame Erfüllung der drei oben erwähnten Funktionen
erlauben.
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Die
Lamellen- "laminated" struktur liefert
den Widerstand für
Druck- oder Schlagbeanspruchungen. Die allgemein kugelförmige Geometrie
erlaubt ferner die Entkopplung beim Drehen des Systems. Der ebene
Teil erlaubt die Aufnahme der mit der aerodynamischen Widerstand
verbundenen Translationsbewegung.
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Diese
kombinierten Dämpfer-Kugelgelenk-Elemente
("snubber damper") sind paarweise verkehrt
herum verbunden, um eine Einheit zu bilden, die dem Einbau und der
Funktion von jedem der Rotorblätter
des Rotors dient.
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Das
Patent
US 4 244 677 beschreibt
im Wesentlichen ein Mittel zur Ausübung einer Vorspannung von
außen.
Diese Vorspannung wird gleichzeitig auf jedes Modul der zwei Module
ausgeübt,
die einen ebenen Dämpfer
und ein Kugelgelenk-Element mit dem Ziel verbinden, das Fehlen von
Zugspannungen in der Struktur jedes Elements zu gewährleisten und
die Lebensdauer zu verlängern.
Man wird jedoch feststellen, dass diese Vorspannung die gleiche
für den
ebenen Dämpfer
und für
das Kugelgelenk-Element ist.
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Die
Anmelderin hat festgestellt, dass eine kombinierte Dämpfer/Kugelgelenk-Struktur,
wie sie oben beschrieben ist, zwei fundamentale Probleme aufweist,
die letztlich ein optimales Funktionieren des Rotors und der kombinierten
Dämpfer
selbst nicht erlauben.
- – Die durch den kugelförmigen Teil
der Vorrichtung bewerkstelligte Entkopplung beim Drehen ist aus
Gründen
der allgemeinen Biegsamkeit der Dämpfungsvorrichtung nicht perfekt;
- – Die
Verbindung der auferlegten Belastungen und Verschiebungen kann nur
unter Berücksichtigung
der gegenseitigen Wechselwirkung dieser Belastungen und Verschiebungen
sowie ihrer Wechselwirkung mit der besonderen Biegsamkeit der kombinierten
Dämpfungselemente
um ihre unterschiedlichen Achsen berechnet werden,
was zur
Folge hat, dass das momentane Drehzentrum des Rings von der Kombination
aus den auferlegten Verschiebungen und Belastungen abhängt und
sich weder im geometrischen Zentrum der Vorrichtung des kombinier-
ten Dämpfers noch
auf der Hauptsymmetrieachse des Rings befindet.
- – Die
Kombination der Belastungen, die aus Biegsamkeiten resultieren,
ist komplex, und sie hängt von
der jeweiligen Ausführung
bzw. Gestaltung der Strukturen der kombinierten Dämpferelemente
ab.
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Aus
dem oben Genannten folgt, dass eine Notwendigkeit zur Verbesserung
der Lebensdauer solcher kombinierter Dämpfer-Kugelgelenk-Vorrichtungen
besteht, um wenigstens eines der vorgenannten Probleme zu lösen.
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Die
vorliegende Erfindung beruht insbesondere auf der Erkenntnis der
Tatsache, dass beim Vorliegen von Scherspannungen aufgrund eines
Luftwiderstandes die zwei Zwischenanker, die die Verbindung zwischen
den kugelförmigen
Teilen und den ebenen Teilen gewährleisten,
nicht parallel bleiben.
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Die
Grundidee der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Versteifungsverbindung
zwischen den zwei Modulen bei der Schnittstelle zwischen dem ebenen
Lamellen-Dämpfer und
dem Kugelgelenk-Element einzuführen.
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Die
Erfindung betrifft ferner eine kombinierte Dämpfer-Kugelgelenk-Vorrichtung,
die dazu dient, zwischen einem flexiblen Arm, der ein Rotorblatt
eines Helikopters mit einer Rotornabe verbindet, einerseits und
einen Anstellwinkel-Ansteuerring des Rotorblatts andererseits einzubauen,
und die zwei Elementarmodule umfasst, die jeweils einen Lamellen-Dämpfer und
ein Lamellen-Kugelgelenk-Element umfassen,
wobei sich der Lamellen-Dämpfer, dessen Dämpfungswirkung
auf bekannte Weise durch Gummi oder durch eine innere Hydraulikvorrichtung
erbracht wird, zwischen einem äußeren Ende
und einem inneren Ende erstreckt und an seinem äußeren Ende ein Element zur
Befestigung an dem Anstellwinkel-Ansteuerungsring des Helikopter-Rotorblatts aufweist,
und wobei das Lamellen-Kugelgelenk-Element
einen Stapel aus Metall- und Elastomerschichten aufweist, wobei
der Lamellen-Dämpfer
mit seinem inneren Ende mit einem äußeren Ende des Kugelgelenk-Elements
verbunden ist, dessen inneres Ende ein Element zur Befestigung an
dem flexiblen Arm aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens
ein Verbindungselement aufweist, das eine Versteifungsverbindung
zwischen den äußeren Enden
der zwei Kugelgelenk-Elemente der zwei Elementarmodule gewährleistet,
die die kombinierte Vorrichtung bilden.
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Die
genannte Verbindung zwischen dem inneren Ende des ebenen Lamellen-Elements
und dem äußeren Ende
des Kugelgelenk-Elements kann mit Hilfe von wenigstens einem Zwischenanker
realisiert werden.
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Gemäß einer
ersten Variante ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass
das Verbindungselement ein Rohr ist, das die zwei Kugelgelenk-Elemente
umgibt und die Verbindung zwischen den Lamellen-Dämpfern und
den Kugelgelenk-Elementen der zwei Elementarmodule gewährleistet,
die die kombinierte Vorrichtung bilden.
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Gemäß einer
zweiten Variante ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass
das Verbindungselement ein offenes Rohr ist, das die Verbindung
zwischen dem Lamellen-Dämpfer und
einem Kugelgelenk-Element von den zwei Kugelgelenk-Elementen gewährleistet,
wobei die offenen Ränder
des offenen Rohrs mit dem äußeren Ende
des Kugelgelenk-Elements
des weiteren Elementarmoduls verbunden sind.
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Gemäß einer
weiteren Variante ist ein Verbindungselement ein Teil, das die sich
gegenüberliegenden äußeren Enden
der zwei Kugelgelenk-Elemente der kombinierten Vorrichtung verbindet.
Das Teil ist vorteilhafterweise gewölbt und weist eine Konkavität auf, die
in Richtung der Kugelgelenk-Elemente der kombinierten Vorrichtung
gerichtet ist, was die seitliche Herumführung des flexiblen Arms ermöglicht.
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Gemäß einer
weiteren Variante ist ein solches Teil ein Stehbolzen, wobei die
Anzahl der Stehbolzen zum Beispiel vier ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Variante ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet,
dass sie ein Paar von Verbin dungselementen umfasst, die jeweils einen
mittleren Bereich aufweisen, der eine Verbindung zwischen dem inneren
Ende eines Lamellen-Dämpfers
und dem äußeren Ende
eines Kugelgelenk-Elements bildet und der wenigstens an einer seitlichen
Seite von einem seitlichen Bereich eingefasst ist, der mit einem
entsprechenden seitlichen Bereich des weiteren Verbindungselements
des Paars verbunden ist.
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Das
Verbindungselement oder die Verbindungselemente können vorteilhafterweise
derart dimensioniert sein, dass nach der Montage der kombinierten
Vorrichtung zwischen einem flexiblen Arm und einem Anstellwinkel-Steuerungsring eine
erste Kompressionsvorspannung auf die zwei Kugelgelenk-Elemente
der kombinierten Vorrichtung ausgeübt wird.
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Die
Elemente zur Montage der kombinierten Vorrichtung an dem Anstellwinkel-Steuerungsring sind
vorteilhafterweise so dimensioniert, dass nach der Montage der kombinierten
Vorrichtung eine zweite Kompressionsvorspannung auf die Lamellen-Dämpfer wirkt
bzw. ausgeübt
wird.
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Die
erste und die zweite Vorspannung können unterschiedliche Werte
besitzen, was es ermöglicht,
sie optimal für
jedes der Elemente (Dämpfer oder
Kugelgelenk-Element)
der kombinierten Vorrichtung auszuwählen.
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Die
Erfindung betrifft ferner einen Helikopter-Rotor, der wenigstens
eine kombinierte Vorrichtung wie sie oben definiert ist, umfasst,
die zwischen einem flexiblen Arm und einem Anstellwinkel-Ansteuerungsring
eines Helikopter-Rotorblatts eingebaut ist. Dieser Einbau kann derart
erfolgen, dass eine erste Kompressionsvorspannung auf die Kugelgelenk-Elemente
und/oder eine solche zweite Kompressionsvorspannung auf die Lamellen-Dämpfer ausgeübt wird, wobei
die erste und die zweite Vorspannung vorteilhafterweise verschieden
sind.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlicher beim Lesen
der nachstehenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen,
in denen 1 bis 5 Ausführungsformen
der Erfindung repräsentieren
und die 6 und 7 Vorteile
der Erfindung darstellen.
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In 1 umfasst
ein Rotor zur Ansteuerung eines Rotorblatts einen Blatthals 1,
der allgemein aus einem Verbundmaterial hergestellt ist, und einen Ring
bzw. Hülse 2 ("torque tube"), der bzw. die den Blatthals 1 umgibt
und der bzw. die durch die Wirkung eines Anstellwinkelbetätigungselements 51,
das in Richtung F verlagerbar und bei 52 mit dem Umfang des
Rings verbunden ist, die Steuerung des Anstellwinkels des Rotorblattes
und somit die Steuerung des Helikopters ermöglicht.
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Die
kombinierte Vorrichtung weist zwei Module auf, die beidseits des
Blatthalses 1 montiert sind und von denen jedes ein Lamellen-Kugelgelenk-Element
(6, 6')
und einen ebenen Lamellen-Dämpfer
(7, 7')
aufweist, die in Reihe geschaltet sind.
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Die
Befestigung des Lamellen-Kugelgelenk-Elements (6, 6') an dem Blatthals 1 ist
durch Zwischenfügen
der inneren Platte (8, 8') gewährleistet, die eine gewölbte Kontur
(81, 81')
aufweist, welche der innersten Schicht der zylindrischen oder halbkugelförmigen Metall/Elastomer-Lamellenstruktur
entspricht, die jedes Kugelgelenk-Element (6, 6') bildet.
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Außen umfasst
das Kugelgelenk-Element (6, 6') eine äußere Platte (9, 9'), auf der mit
Hilfe von Schrauben 32 eine innere Platte (15, 15') eines ebenen
Lamellen-Dämpfungselements
(7, 7')
befestigt ist. Schließlich
weist jedes ebene Lamellen-Element (7, 7') eine äußere Platte
(10, 10')
auf, deren mittlerer Abschnitt 11' dem Lamellenschichtstapel entspricht und
die an jeder Seite von Verlängerungen
(12, 12') eingefasst
bzw. umgeben ist, die eine Befestigung an den Enden 21 des
Rings 2 mit Hilfe von Schrauben (14, 14') ermöglichen.
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Gemäß der Erfindung
ist die den Elementen 6 und 7 gemeinsame Ebene,
die durch die Platte 9 oder 15 verwirklicht ist,
mit der den Elementen 6' und 7' gemeinsamen
Ebene, die durch die Platte 9' oder 15' verwirklicht ist, durch ein Verbindungselemente oder
mehrere Verbindungselemente verbunden.
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Dadurch
kann vermieden werden, dass sich durch die Scherwirkung, die durch
die Widerstandskräfte
T des Rotorblatts (siehe 6) erzeugt wird, die von dem
Arm 1 bei einer relativen Translation (Pfeil X) zwischen
dem Arm 1 und der Ring 2 () aufgenommen werden,
ein Fehler in der Parallelität
zwischen den genannten Ebenen (Rotation θ1 der Platte 9 in
der 6) auftritt, die hauptsächlich in der Tatsache begründet liegt,
dass das ebene Lamellen-Element nicht ausreichend steif eingestellt
werden kann, um eine Rotation zu verhindern.
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Dies
ermöglicht
es ferner, zu vermeiden, dass sich während einer Relativrotation θ zwischen dem
Blatthals 1 und dem Ring 2, die ihre Ursache in der
Anstellwinkelsteuerung hat, keine asymmetrische Verschiebung in
der Widerstandsebene zwischen den Ankern 9 und 9' erzeugt wird
(Pfeile X' in 7).
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Gemäß der Erfindung
wird eine offene oder geschlossene Zwischenstruktur 3 hinzugefügt, die zum
Beispiel einen „Kupplungsring" bildet, der den Blatthals 1 („spar" oder „yoke") umgibt und im Inneren
des Rings 2 („torque
tube") angeordnet
ist.
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Jedes
Element des kombinierten Dämpfers umfasst
einen zwischenliegenden Übergangsanker (9, 9'), der die Verbindung
zwischen dem kugelförmigen
Teil (Kugelgelenk 6, 6') und dem ebenen Teil (Dämpfer 7, 7') gewährleistet.
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Die
zwei zwischenliegenden Anker, die jeweils einem der Module der kombinierten
Vorrichtung angehören,
sind über
diese zwischenliegende Struktur 3 verbunden.
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Diese
Struktur weist eine geeignete Form auf und ist aus einem angepassten
Material gebildet (zum Beispiel einem Metall oder einem faserverstärkten Kunststoff,
einem sogenannten "Verbundmaterial"), um die zwei oben
genannten zwischenliegenden Anker auf ausreichend steife Weise zu
verbinden.
- A1) Auf diese Weise, und hierbei
handelt es sich um einen entscheidenden Unterschied, wird eine Quasiparallelität der zwei
zwischenliegenden Anker und ihre gleichzeitige Rotation und/oder Translation
als Einheit gewährleistet.
Die Entkopplungsfunktion der Rotation wird somit sehr viel genauer
bzw. strenger gewährleistet.
Aus diesem Grund ist die Kombination aus Verlagerung und Belastungen
sehr viel vorteilhafter. Die ebenen Dämpfungselemente (7, 7') sind erheblich
geringeren Rotations-/Biegungsbelastungen ausgesetzt, während die
Kugelgelenk-Elemente (6, 6') erheblich geringeren Translationsbelastungen ausgesetzt
sind.
- A2) Die Arbeit zwischen den zwei Modulen, die die kombinierte
Dämpfer-/Kugelgelenk-Vorrichtung
bilden, ist andererseits besser aufgeteilt. Dies verbessert darüber hinaus
den Betrieb bzw. das Funktionieren des ebenen Dämpfers. In der Konfiguration
des Standes der Technik addieren sich allerdings Rotation und Translation
für eines der
Module der kombinierten Vorrichtung, während sich diese zwei Hauptbeanspruchungen
für das
zweite Modul, das auf der anderen Seite des Blatthalses 1 angeordnet
ist, subtrahieren. Daraus ergibt sich eine starke funktionelle Asymmetrie,
die im Falle der vorliegenden Erfindung größtenteils korrigiert ist.
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Ferner
ist es bei der Montage des kombinierten Dämpfers möglich, eine unterschiedliche
mechanische Vorspannung auf das Kugelgelenkteil bzw. das ebene Dämpfungsteil
auszuüben.
Dies kann ohne besondere Beeinträchtigung
mit Hilfe des allgemeinen Verfahrens zur Montage der kombinierten Dämpfungselemente
an dem Rotor bewerkstelligt werden, entweder mit ihrem mittleren
Teil an dem Blatthals 1 oder mit ihrem äußeren Teil, Ring 2 bzw. „torque
tube". Diese unterschiedliche
mechanische Vorspannung der zwei Elemente (ebener Dämpfer und
Kugelgelenk-Element eines selben Moduls), die durch die Dimensionierung
der Stücke 10, 10' der Verbindungselemente
gewonnen wird, ermöglicht
es, diese soweit wie möglich
an die Belastungskombinationen anzupassen, die jedes dieser Elemente
erfährt.
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Dies
ist sehr viel wirkungsvoller als die Anwendung eines gemeinsamen
Mittelwerts wie in dem Patent
US
4 244 677 , die sich als zu schwach für eines der Elemente und zu
stark für
das andere erweisen kann.
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Das
Hinzufügen
einer Versteifungsverbindung gemäß der Erfindung
ermöglicht
somit, ohne die Konzeption der kombinierten Vorrichtung stark zu modifizieren,
einen entscheidenden Gewinn gegenüber den Zugbeanspruchungen,
der aus der Kombination der Verlagerungen und Belastungen re sultiert, und
dadurch eine beträchtlichen
Erhöhung
der Lebensdauer der kombinierten Vorrichtung. Dazu kommt eine Entkopplung
der Widerstands- und Eingriffsbelastungen des Rotorblatts und eine
bessere relative Positionierung des Rings 2 gegenüber dem Blatthals 1.
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In 1 ist
die Versteifung durch ein oder zwei Elemente 3 gewährleistet,
die durch die Schrauben 32 zwischen den Enden 91 und 91' gegenüber den
Platten 9 und 9' befestigt
sind. Es kann sich um durchgehende Elemente (zum Beispiel eine gewölbte Platte,
deren konkave Seite zum Blatthals 1 gerichtet ist, wie
es in 1 gezeigt ist) oder ebenso um nicht durchgehende
Elemente, zum Beispiel Stehbolzen 35, wie es in 5 dargestellt
ist, handeln.
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In 2 ist
die mechanische Verbindung durch Verlängerungen 41, 41' von zwischenliegenden
Platten 49, 49' gewährleistet,
die zwischen den Elementen (6 und 7, 6' und 7') angeordnet
sind. Diese Verlängerungen 49, 49' weisen Befestigungslaschen 42, 42' auf, die eine
Befestigung mit Hilfe einer Schraube 45 ermöglichen.
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Ferner
kann ein Versteifungselement an ein Lamellen-Kugelgelenk-Element angeformt sein,
zum Beispiel in Fortsetzung an einen zwischenliegenden Anker 9, 9'. Die angeformten
Elemente werden anschließend
miteinander verbunden, um die Steifigkeit zu gewährleisten.
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In 3 ist
die mechanische Verbindung durch ein Rohr 40 gewährleistet,
das eine Abflachung 44 aufweist, die zwischen den Elementen 6 und 7 angeordnet
ist, und eine Abflachung 42 aufweist, die zwischen den
Elementen 6' und 7' angeordnet
ist, und dessen Rest des Umfangs 41 die gewünschte mechanische
Verbindung gewährleistet.
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In 4 ist
die mechanische Verbindung durch ein offenes Rohr gewährleistet,
das eine Abflachung 48 aufweist, die zwischen den Elementen 6' und 7' angeordnet
ist, und dessen restlicher Umfang 46 die gewünschte mechanische
Verbindung gewährleistet.
Zu diesem Zweck sind die Enden 49 des offenen Rohrs durch
die Schrauben 32 an den Enden 91 der Platte 9 befestigt,
die zwischen den Elementen 6 und 7 angeordnet
sind.