DE69004730T2

DE69004730T2 - Rollschwingungsaufnehmer.

Info

Publication number: DE69004730T2
Application number: DE90630081T
Authority: DE
Inventors: David S Jenney; Phillip Mordaunt; Thomas W Sheehy
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1989-04-18
Filing date: 1990-04-05
Publication date: 1994-03-31
Anticipated expiration: 2010-04-06
Also published as: EP0394180B1; CA2010802A1; EP0394180A2; AU5313690A; CA2010802C; EP0394180A3; AU627862B2; TR25161A; JP3232297B2; JPH02293299A; US5118051A; DE69004730D1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf den Aufbau von Hubschraubern und insbesondere auf das Reduzieren von Rollschwingungen im normalen Betriebszustand.

Stand der Technik

Während des normalen Betriebes drehen sich bei Hubschraubern die Blätter mit einer konstanten Drehzahl. Eine treibende Frequenz aus der Blattzahl mal der Drehzahl in Umdrehungen pro Minute wird hauptsächlich an der Rotornabe eingeprägt. Das ruft Schwingungen in der gesamten Rumpfkonstruktion hervor, wobei die resultierenden Schwingungen in den Positionen von Pilot und Copilot besondere Schwierigkeiten bereiten.
Wegen des komplexen Aufbaus des Rumpfes können verschiedene Teile der Konstruktion die Schwingungen bei verschiedenen Freguenzen dämpfen oder verstärken. Modifikationen an einem ursprunglichen Entwurf können auch beträchtliche Auswirkungen durch Verändern dieser Eigenfrequenzen haben. Außerdem können Veränderungen in der Brennstoffzuladung oder anderen Komponenten, die dem Rumpf hinzugefügt werden, die resultierenden Schwingungen verändern, die insbesondere am Ort des Piloten und des Copiloten wahrgenommen werden.
In der US-A-4 230 291 ist ein schwingungsbeständiger Hubschrauber nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 beschrieben. Ein vertikaler Schwingungsdämpfer, der eine dynamische Masse hat, die durch freitragende Blattfedern an dem Hubschrauberrumpf aufgehängt ist, welche in der Nase in der Kabine angeordnet sind, dient zum Dämpfen und dadurch Minimieren von wahrgenommenen Schwingungen. Selbst diese Schwingungsdämpfer erfordern manchmal, wenn sie auf einer Werkbank auf die kritische Frequenz abgestimmt worden sind, ein nachträgliches Abstimmen nach der Installation. Es wird angenommen, daß diese Probleme durch die Empfindlichkeit der Dämpferkonstruktion für eine Variation bei der Installation, eine Verformung der Tragkonstruktion im Flug und Reibung in den Lagern, welche in einigen dieser Dämpfer benutzt werden, verursacht worden sind.
Trotz der Installation dieser Dämpfer und des Vorsehens von horizontaler Freiheit in den Dämpfern hat es sich gezeigt, daß eine Schwingung in der Rollrichtung weiterhin existiert, ohne nennenswert reduziert worden zu sein.

Darstellung der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist es, einen Hubschrauber mit einer Schwingungsdämpfereinrichtung zu schaffen, die in der Lage ist, vertikale Schwingungen gleichzeitig zu absorbieren, wo eine Kombination von phasengleichen Vertikal- und Rollschwingungen existiert.
Die Erfindung schafft, um das zu erreichen, einen schwingungsbeständigen Hubschrauber mit einem Rumpf, der eine rechte Seite und eine linke Seite hat, einem mehrblättrigen Rotor, der n Blätter hat und normalerweise mit einer festen Drehzahl arbeitet, einem ersten Vertikalschwingungsdämpfer, der nur mit dem Rumpf verbunden ist und eine federnd abgestützte Masse, wobei der erste Schwingungsdämpfer auf eine Frequenz von n mal der Drehzahl abgestimmt ist, gekennzeichnet durch einen zweiten Schwingungsdämpfer, der nur mit dem Rumpf verbunden ist und eine elastisch abgestützte Masse hat, wobei der zweite Schwingungsdämpfer auf eine Frequenz von n mal der Drehzahl abgestimmt ist, wobei der erste und zweite Schwingungsdämpfer jeweils mit der Masse in einer sehr extremen Außenbordposition an dem Rumpf angeordnet sind, einer auf der rechten Seite und einer auf der linken Seite, um Rollschwingungen zu reduzieren.
Vorzugsweise ist die federnd abgestützte Masse jedes Schwingungsdämpfers mit einem Ende einer freitragenden Feder fest verbunden. Das andere Ende der freitragenden Feder ist mit dem Rumpf fest verbunden. Ein Teil der freitragenden Feder erstreckt sich im wesentlich horizontal und schafft eine beträchtliche Vertikalkomponente der sich Schwingungen widersetzenden Kräfte. Der Dämpfer ist vorzugsweise an einem starren Gebilde befestigt, das sich Außenbords im Bereich der Kabine erstreckt. In einer Ausführungsform hat der Hubschrauberrumpf Stummelflügel, und die Schwingungsdämpfer sind mit den Außenbordenden der Stummelflügel verschraubt. Es gibt wenig Änderung zwischen der abgestimmten Frequenz auf einer Werkbank und der installierten Frequenz, da es keine sich bewegenden oder verschiebenden Teile innerhalb des Schwingungsdämpfers gibt, und die Steifigkeit des Aufbaues, mit dem er verbunden ist, modifiziert diese Frequenz nicht wesentlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Gesamtansicht des Hubschraubers.
Fig. 2 ist eine Seitenansicht des in den Stummelflügel eingebauten Schwingungsdämpfers.
Fig. 3 ist eine Draufsicht auf den eingebauten Schwingungs dämpfer.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Ein Hubschrauber 10 hat einen Rumpf 12 und einen Rotor 14, der vier Blätter 16 hat. Die Drehung dieses Rotors mit der normalen Betriebsdrehzahl von 258 Umdrehungen pro Minute übt eine Kraft mit einer treibenden Frequenz von 17,2 Hertz über die Rotornabe 18 aus. Diese Kraft verursacht Schwingungen in dem gesamten Rumpf, die in dem Cockpit 20 wahrgenommen werden, wo der Pilot und der Copilot sitzen. Herkömmliche Dämpfer sind innerhalb einer Hauptkabine 22 angeordnet.
Bei dem herkömmlichen Entwurf sind Hubschrauberräder 24 durch eine Versteifungsstrebe 26 an einem Rahmen 28 innerhalb des Stummelflügels 30 befestigt. Dieser Rahmen 28 ist ein starres Gebilde, das an dem Rumpf befestigt ist, wie es für die dynamischen Kräfte verlangt wird, die durch gewisse Landebedingungen verursacht werden. Es ist außerdem zu erkennen, daß der Stummelflügel eine aerodynamische Verkleidung hat, um Luftwiderstandskräfte zu verringern.
Bei einigen Konstruktionen trägt das Gebilde außerdem eine Stufe 32 und deshalb vorher bereits vorhandene Schraubenlöcher, die darin angeordnet sind.
Jeweils auf der linken und rechten Seite des Rumpfes ist der vertikale Schwingungsdämpfer 34 angeordnet. Die vertikale Kraft aus jedem Dämpfer befindet sich dort, wo es einen beträchtlichen Bewegungsarm um den Hubschrauberschwerpunkt gibt. Eine Aluminiumkonsole 36 ist mit dem starren Außenbordfortsatz 28 des Rumpfes verschraubt und mit dem freitragenden Federteil 40 des Schwingungsdämpfers fest verbunden.
Mit dem anderen Ende des freitragenden Federteils ist ein Massenteil 42 fest verbunden, das in einer Umgebung angeordnet ist, die eine Vertikalbewegung gestattet. Das Massenteil 42 befindet sich in einer extremen Außenbordposition. Die Tragkonsole 32 kann auch in einer extremen Außenbordposition angeordnet sein, wie es hier dargestellt ist, obgleich das nicht kritisch ist.
Der freitragende Federteil ist im Idealfall horizontal, obgleich gemäß der Darstellung in Fig. 2, wo Alpha fünfzehn Grad beträgt, eine gewisse Abweichung davon zulässig ist, wobei der Winkel vorzugsweise zwischen 0 und 20 Grad liegt.
Es sei deshalb außerdem angemerkt, daß die Dicke 44 des freitragenden Federteils 0,86 Zentimeter beträgt, wobei seine minimale Breite 46 2,5 Zentimeter und seine maximale Breite 48 8,9 Zentimeter beträgt. Die Masse 42 beträgt 4,1 kg und ist mit der Länge 49 zwischen dem Träger und dem Schwerpunkt der Masse angeordnet. Es wurde eine resultierende Eigenfrequenz von 17,1 Hertz berechnet.
Demgemäß ist der Schwingungsdämpfer gut geeignet, vertikale Schwingungen zu dämpfen, während jeglicher Tendenz des Dämpfers entgegengewirkt wird, die vertikale Bewegung wegen horizontaler Schwingungen zu stören. Es sei außerdem angemerkt, daß jede der Verbindungen fest ist, das heißt ohne Gleittreibung und ohne Lager, wodurch Veränderungen in den Einbauprozeduren die Eigenfrequenz nicht nachteilig beeinflussen werden. Weiter ist er mit einem starren Gebilde verbunden, welches selbst wenig ausgelenkt wird, wodurch jegliche beträchtliche Änderung in der Eigenfrequenz des installierten Gebildes vermieden wird.
Diese Schwingungsdämpfer wurden für Testzwecke auf einem Hubschrauber installiert, der ein Auslieferungsgesamtgewicht von 6100 Kilogramm und ein Startgewicht in der Größenordnung von 7600 Kilogramm hatte. Jeder Dämpfer wog insgesamt 7,7 Kilogramm, wovon 4,1 Kilogramm in der Masse waren. Das Gesamtgewicht des Dämpfers beinhaltete die Feder, die Konsolen und zusätzliche Verkleidungen.
Bei Nichtvorhandensein der Schwingungsdämpfer hat es sich gezeigt, daß die bekannten Schwingungsdämpfer, die in der Kabine angeordnet sind, beim Dämpfen der Vertikalkomponenten der Schwingungen zufriedenstellend gewesen sind. Es hat sich jedoch gezeigt, daß jüngere Modifikationen von einigen Flugzeugen Rollschwingungen auf beträchtliche Werte erhöht haben. In dieser Situation erfolgt die Aufwärtsbewegung des Copilotensitzes gleichzeitig mit der Abwärtsbewegung des Pilotensitzes.
Bei dem getesteten Hubschrauber wurde festgestellt, daß bei eingebauten herkömmlichen Dämpfern, aber ohne eingebaute Rollschwingungsdämpfer nach der vorliegenden Erfindung, Spitzengeschwindigkeiten an diesen Sitzstellen von 0,5 Zentimetern pro Sekunde bei 148 km/h (80 Knoten), 0,46 Zentimetern pro Sekunde bei 222 km/h (120 Knoten), 1,5 Zentimetern pro Sekunde bei 259 km/h (140 Knoten) und 0,96 Zentimetern pro Sekunde bei 287 km/h (155 Knoten) auftraten. Bei eingebauten Dämpfern wurden die entsprechenden Beschleunigungen auf 0,1, 0,25, 0,15 und 0,1 Zentimeter pro Sekunde reduziert.
Diese Schwingungsdämpfer sind ideal geeignet, um Rollschwingungen mit der Frequenz von 17,2 Hertz zu reduzieren. Es sei jedoch angemerkt, daß sogar ohne Rollen, sollte eine vertikale Schwingung mit derselben Frequenz auftreten, sie bewirken werden, daß ein Teil dieser Schwingungen gedämpft wird. Weiter wird bei irgendeiner Kombination von vertikaler Schwingung und Rollschwingung der Dämpfer auf jeder Seite bewirken, daß die Kombination von Schwingungen optimal gedämpft wird.
Zum Beispiel in dem ungewöhnlichen Fall, wo Vertikal- und Rollschwingung so kombiniert würden, daß es keine Vertikalbewegung an einem Dämpfer und eine beträchtliche Vertikalbewegung an dem anderen gäbe, wurde der eine Dämpfer inaktiv bleiben, während der andere auf einem hohen Niveau operativ sein würde. Alle anderen Kombinationen würden ebenfalls dazu tendieren, das optimale Ergebnis zu erzeugen.
Der freitragende Federteil jedes Dämpfers besteht vorzugsweise aus Titan, das einen Elastizitätsmodul hat, der etwa die Hälfte von dem von Stahl beträgt. Für eine konstante Steifigkeit ergibt das eine etwas dickere Feder als Stahl. Bei einer bestimmten Amplitude wird die dickere Feder etwas höhere Dehnungen haben, wegen des niedrigeren Elastizitätsmoduls aber geringere Spannungen. Tests mit der Titanfeder zeigen für die eingebaute Konstruktion Spannungswerte, die zu einer unendlichen Lebensdauer des Dämpfers führen sollten.
Die vollständige Stummelflügeldämpferinstallation wiegt nur 15,2 Kilogramm und ist wegen ihrer extremen Außenbordlage effektiv. Eine ausgedehnte Verkleidung kann um den Dämpfer angeordnet werden, der selbst extrem kompakt ist und kein Hindernis darstellt. Der Luftwiderstand ist vernachlässigbar.
Dieser Stummelflügelschwingungsdämpfer kann leicht bei vorhandenen Hubschraubern nachgerüstet werden. Er kann auch zuverlässig vorabgestimmt werden, denn alle Dämpfer, die getestet worden sind, haben richtig gearbeitet, ohne Justierungen der Abstimmung nach der Installation zu verlangen.

Claims

1. Schwingungsbeständiger Hubschrauber (10) mit einem Rumpf (12), der eine rechte Seite und eine linke Seite hat, einem mehrblättrigen Rotor (14), der n Blätter (16) hat und normalerweise mit einer festen Drehzahl arbeitet, einem ersten Vertikalschwingungsdämpfer (34), der nur mit dem Rumpf (12) verbunden ist und eine federnd abgestützte Masse (42) hat, wobei der erste Schwingungsdämpfer (34) auf eine Frequenz von n mal der Drehzahl abgestimmt ist, gekennzeichnet durch einen zweiten Schwingungsdämpfer (34), der nur mit dem Rumpf (12) verbunden ist und eine elastisch abgestützte Masse (42) hat, wobei der zweite Schwingungsdämpfer (34) auf eine Frequenz von n mal der Drehzahl abgestimmt ist, wobei der erste und zweite Schwingungsdämpfer (34) jeweils mit der Masse (42) in einer sehr extremen Außenbordposition an dem Rumpf (12) angeordnet sind, einer auf der rechten Seite und einer auf der linken Seite, um Rollschwingungen zu reduzieren.

2. Schwingungsbeständiger Hubschrauber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schwingungsdämpfer (34) einen freitragenden Federteil (40) aufweist, wobei die Masse (42) mit einem Ende des Federteils (40) fest verbunden ist und das andere Ende des Federteils (40) fest mit dem Rumpf (12) verbunden ist.

3. Schwingungsbeständiger Hubschrauber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Federteil (40) im wesentlichen horizontal erstreckt.

4. Schwingungsbeständiger Hubschrauber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Federteil (40) zwischen null und 20 Grad gegen die Horizontale erstreckt.

5. Schwingungsbeständiger Hubschrauber nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der freitragende Federteil (40) aus Titan gebildet ist.

6. Schwingungsbeständiger Hubschrauber nach Anspruch 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der freitragende Federteil (40) in der vertikalen Richtung biegsam, aber in der horizontalen Richtung steif ist.

7 Schwingungsbeständiger Hubschrauber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rumpf (12) ein starres Gebilde hat, das sich nach außen erstreckt, wobei der Schwingungsdämpfer (34) an dem starren Gebilde befestigt ist.

8. Schwingungsbeständiger Hubschrauber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rumpf (12) eine Kabine (20) an einer vorderen Stelle hat, wobei der Schwingungsdämpfer (34) an dieser vorderen Stelle angeordnet ist.

9. Schwingungsbeständiger Hubschrauber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rumpf (12) ein Stummelflügel (30) und Räderversteifungsstreben (26), die an dem Stummelflügel (30) befestigt sind, hat, wobei der Schwingungsdämpfer (34) an dem Stummelflügel (30) angeordnet ist

10. Schwingungsbeständiger Hubschrauber nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsdämpfer (34) mit dem Außenbordende des Stummelflügels (30) verschraubt ist.