JP2015147574A - 遠心遮断クラッチ - Google Patents
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Abstract
【課題】従来のシステムは、ローターを回転させる可能性がある擾乱トルクを遮断するため、モーターにエネルギーを供給する必要がある。【解決手段】ローター201に結合される回転部203と固定部205とを含むモーターに結合される遠心遮断クラッチ100は、外周および内周と、この内周に沿って同じ方向に当該内周から周方向に延在する複数のたわみ部材103とを含むリングを具え、このリングは、当該リングの中央に向けて内周から突出する複数の停止タブ105をさらに含み、これら停止タブのそれぞれは複数のたわみ部材の1つが当該停止タブの位置を越えて屈曲するのを阻止するように形成され、複数のたわみ部材は、モーターの固定部に対し複数の摩擦パッド101を予圧してローターの回転速度が閾値よりも低い場合には遠心遮断クラッチを係合させるように形成され、ローターの回転速度が閾値以上の場合には遠心遮断クラッチを係合解除する。【選択図】図1
Description
この開示は、ローターが閾速度よりも低速で回転することを機械的に阻止するが、ローターが閾速度以上で自由に回転することを可能にする機械的機構を記述する。
回転翼飛行機、すなわちヘリコプターは、垂直離着陸(VTOL)機の1つの一般的な型式である。VTOL機は、垂直および水平推進力のいずれかまたは両方を生ずる大きなローターを持っている。ローターを使用していない場合、このローターはしばしば静止状態に保たれる。
従来のシステムは、ローターに結合されたモーターを一般的に用い、これが使用中ではない場合にローターが回転するのを阻止するようになっている。このモーターは、ローターの静止を維持するためのトルクを加える。従って、現行のシステムはローターを回転させる可能性がある擾乱トルクを遮断するため、モーターに対するエネルギーの供給源を必要とする。ローターの静止を維持するために必要なエネルギーを供給することは、エネルギーをモーターに供給する電池からエネルギーを流出させ、また、モーターにも望ましくない熱を発生させる。
記述した実施形態は遠心遮断クラッチを提供する。この遠心遮断クラッチは、飛行機のローターが回転するのを機械的に阻止する機械的機構である。この遠心遮断クラッチは、複数の高摩擦パッドと、複数のたわみ部材と、一実施形態による複数の停止タブとを具えている。
一実施形態において、飛行機のローターアセンブリーは、ローターと、固定部および回転部を具えたモーターと、遠心遮断クラッチとを具えている。特に、遠心遮断クラッチはモーターの回転部に結合され、遮断クラッチのたわみ部材がモーターの固定部に対して高摩擦パッドを予圧するようになっている。モーターが充分なトルクを発生して摩擦パッドにより発生する摩擦力を克服するまで、高摩擦パッドはローターが回転するのを阻止する。ローターの回転速度が増大すると、それぞれのたわみ部材に取り付けられるか、またはその一部であるプルーフマスが摩擦パッドに遠心力を加え、たわみ部材の予圧を相殺する。一定の速度閾値以上で摩擦パッドはモーターの固定部から完全に離され、これによってローターが自由に回転することを可能にする。
この発明の概要および以下の詳細な説明に記述した特徴および利点は、限定することを意図していない。多くの追加の特徴および利点は、図面と明細書と特許請求の範囲とに照らして当業者に明白であろう。
図面および詳細な説明は、様々な限定しない実施形態を単なる例示の目的のために描くと共に記述している。当業者は、ここに例示した構造および方法の他の実施形態をここに記述した原則から逸脱することなく採用することができることを次に続く考察から容易に理解しよう。
図1は、一実施形態による遠心遮断クラッチ100を例示する。この遠心遮断クラッチ100は、飛行機のローターが回転するのを機械的に阻止する機械的機構である。一実施形態において、遠心遮断クラッチは金属(例えば鋼か、チタンか、またはアルミニウム)あるいは複合材料(例えば炭素繊維またはケブラーR)により構成される。他の実施形態内において、遠心遮断クラッチを構成するために他の材料を用いることができることに注意されたい。
一実施形態において、この遠心遮断クラッチは、複数の摩擦パッド101と、複数のたわみ部材103と、複数の停止タブ105とを具えた円形の環状体である。摩擦パッド101は、0.1から0.5までの如き高摩擦係数を与えるブレーキパッド材料(石綿か、有機化合物か、または半金属配合物)からなる。他の摩擦係数を用いることができることに注意されたい。たわみ部材103は、一実施形態による第1の端107と第2の端109とをそれぞれ具える湾曲したアームである。一実施形態において、このたわみ部材103は「L」字形状である。たわみ部材103の第1の端107は遠心遮断クラッチ100に結合される。たわみ部材103のそれぞれの第2の端109は、遠心遮断クラッチに結合されずに摩擦パッド101に結合される。接着剤または締結具(例えばねじまたはリベット)の如き他の機構を用い、摩擦パッド101をたわみ部材103の第2の端に結合することができる。
停止タブ105は、たわみ部材103があらかじめ規定した移動範囲の外に移動するのを阻止する。従って、停止タブ105はたわみ部材103が損傷(すなわち破損)するのを阻止する。図1に示すように、停止タブ105は遠心遮断クラッチ100の中心に向けて突出する。一実施形態において、この停止タブ105は、たわみ部材103の第2の端109に直近する遠心遮断クラッチ100の場所に配される。
さて、図2を参照すると、一実施形態によるローターアセンブリー200が例示されている。このローターアセンブリー200はローター201を含み、その一実施形態において16インチの半径を有すると共に炭素繊維複合材料から作られ、他の実施形態においてはアルミニウム製のハブに装着される炭素繊維複合羽根から作られる。他の実施形態において、ローター201はアルミニウム製のハブに装着される木質羽根か、または炭素繊維複合ハブに装着される木質羽根から作られる。このローターは、モーターアセンブリーに締結した単一部品であってよい。ローター201は、ハブに装着される羽根を具えることができるか、またはハブと一体の単一部品として製造することができる。ハブは、ローター201の羽根が接続すると共に実施形態によってはモーターを覆う形状に作られる中央構造体を装備する。
一実施形態において、ローターアセンブリー200はまた、モーターをも含む。このモーターは、回転部203(一部)と固定部205とを含む。一実施形態において、この回転部203は固定部205と同心であり、径方向流動モーターとして知られている。この実施形態において、固定部205はモーターの内側リングを形成することができ、外回転モーターとして知られている。いくつかの実施形態において、モーターの部品はこのモーターの全体がローターのハブ内に嵌合するように偏平であり、前方に飛行する際に空気流に対して低抵抗をもたらす。ローター201はモーターの回転部203に装着される。従って、モーターの回転部203が回転すると、ローター201もまた回転する。モーターの固定部205は飛行機の推進ブームに装着される。いくつか実施形態において、モーターは永久磁石モーターであって、電子モーター制御器により制御される。この電子モーター制御器は電流をモーターに正確な順序で送り、ローター201が望ましい速度または望ましいトルクで回転することを可能にする。
図2に示すように、遠心遮断クラッチ100はローターアセンブリー200に含まれる。一実施形態において、遠心遮断クラッチ100は、ねじ部材またはリベットの如き締結具を介してモーターの回転部203に結合される。遠心遮断クラッチはモーターの回転部203に取り付けられ、たわみ部材103がローターアセンブリー200に含まれるモーターの固定部205に対して高摩擦パッド101を予圧するようになっている。モーターの回転部203が静止している場合、高摩擦パッド101はローター201の回転を阻止するモーターの固定部205に対して押圧する。すなわち、摩擦パッド101により与えられる摩擦は動きに抵抗する。図3Aは、係合した場合の遠心遮断クラッチ100を例示する。特に、図3Aはモーターの回転部203が回転していない、または速度閾値よりも低速で回転している場合、モーターの固定部205に対して摩擦パッド101を予圧するたわみ部材103を示している。
モーターの固定部205に対して摩擦パッド101を予圧するたわみ部材103によって与えられた摩擦トルクに打ち勝つトルクをモーターが提供する場合、モーターの回転部203が回転し、それによりローター201もまた回転させる。回転部203が回転している場合、それぞれのたわみ部材103に取り付けられるか、またはその一部であるプルーフマスは、それぞれのたわみ部材に取り付けられた高摩擦パッド101に遠心力を加える。この遠心力は、たわみ部材103によって与えられる固定部205への予圧を相殺する。
モーターの回転部203の速度が増加すると、遠心力が増大してたわみ部材103がモーターの固定部205から離れるように曲がり始めるため、結果として摩擦トルクが減少し、それによって摩擦パッド101の係合が外れる。摩擦パッド101は閾速度にてモーターの固定部205から完全に係合が外れ、摩擦パッド101からの如何なる摩擦トルクなしで回転部203およびローター201が自由に回転することを可能にする。特に、閾回転速度での遠心力は、たわみ部材103を外側に曲げさせ、それによって摩擦パッド101がモーターの固定部205と接触状態にはないという結果をもたらす。停止タブ105は、たわみ部材103が余りにも極端に外側へと曲がってたわみ部材103に損傷を与えることを阻止する。図3Bは、モーターの固定部205から完全に係合が外れた摩擦パッド101を例示する。図3Bに示すように、摩擦パッド101はすでにモーターの固定部205と接触状態ではなく、たわみ部材103の第2の端109が停止タブ105と接触状態にある。モーターの回転部203の速度が閾速度よりも低速に減少すると、たわみ部材103は、図3Aに示すように、モーターの固定部205に対して摩擦パッド101を予圧し始める。
プルーフマス計算
前述したように、それぞれのたわみ部材103に取り付けられるか、またはその一部であるプルーフマスは、それぞれのたわみ部材103に取り付けた高摩擦パッド101に遠心力を加える。一実施形態において、このプルーフマスは以下の変数に従って計算される。
τ=遠心遮断クラッチにより加えられるトルク
ωr=遠心遮断クラッチによって加えられるトルクがない場合の速度
Fn=モーターの固定部205に対する摩擦パッド101の力
Ff=μFn=摩擦力
R=モーターの固定部205の半径
mP=プルーフマスの質量
μ=摩擦パッド101の摩擦係数
前述したように、それぞれのたわみ部材103に取り付けられるか、またはその一部であるプルーフマスは、それぞれのたわみ部材103に取り付けた高摩擦パッド101に遠心力を加える。一実施形態において、このプルーフマスは以下の変数に従って計算される。
τ=遠心遮断クラッチにより加えられるトルク
ωr=遠心遮断クラッチによって加えられるトルクがない場合の速度
Fn=モーターの固定部205に対する摩擦パッド101の力
Ff=μFn=摩擦力
R=モーターの固定部205の半径
mP=プルーフマスの質量
μ=摩擦パッド101の摩擦係数
たわみ部材103がτ(0rpm)=τ0=μF0Rであるような予圧トルクを与えていると仮定する。0rpmでの予圧は、遮断クラッチ100により与えられる望ましい制動トルクを表す。一実施形態において、遠心力は以下に示すような上の変数の関数として表される。
Fn(ω)=F0−mPRω2
Fn(ω)=(τ0/μR)−mPRω2 (1)
τ(ω)=μRFn(ω)
τ(ω)=μR{(τ0/μR)−mPRω2)}
τ(ω)=τ0−μmPR2ω2 (2)
Fn(ω)=F0−mPRω2
Fn(ω)=(τ0/μR)−mPRω2 (1)
τ(ω)=μRFn(ω)
τ(ω)=μR{(τ0/μR)−mPRω2)}
τ(ω)=τ0−μmPR2ω2 (2)
式(1)に記述したように、速度ωでのモーターの固定部205に対する摩擦パッド101の力は、プルーフマス(mPRω2)の求心力の大きさを差し引いたゼロRPM(F0)でのモーターに対する摩擦パッドの力と等しい。速度(ω)でのトルク(τ(ω))は、式(1)をトルク(τ(ω))のための式へと代入することによって得られる。
ωrが規定された場合、以下に示す式(3)により表されるように、プルーフマスの質量を決定するために式(2)を単純化することができる。
0=τ0−μmPR2ω2
mP=τ0/μR2ωr 2 (3)
0=τ0−μmPR2ω2
mP=τ0/μR2ωr 2 (3)
式(3)に基づくと、τ0が10ナノメートルであってRが2.75インチの場合、ωrが毎分500回転(rpm)であってμは0.5であり、それでプルーフマスの質量は例えば3.3ポンドである。ωrが1500rpmに変化した場合、その場合にはプルーフマスは例えば0.4ポンドである。
飛行機
さて、図4を参照すると、図2に示すローターアセンブリー200を組み込んだ飛行機400が例示されている。この飛行機400は垂直揚力のためにローターアセンブリー200を使用する。特に、このローターアセンブリー200は飛行機400を地面から持ち上げて制御を維持するのに十分な推力を提供する。適切な高度にある場合、一実施形態におけるローターアセンブリー200は、これらが垂直揚力のために用いられるので止められる。前方飛行プロペラ401が前方推進のために用いられる。上述した遠心遮断クラッチ100は、上述した使用状態にない場合、ローターアセンブリー200を静止状態に保つ。
さて、図4を参照すると、図2に示すローターアセンブリー200を組み込んだ飛行機400が例示されている。この飛行機400は垂直揚力のためにローターアセンブリー200を使用する。特に、このローターアセンブリー200は飛行機400を地面から持ち上げて制御を維持するのに十分な推力を提供する。適切な高度にある場合、一実施形態におけるローターアセンブリー200は、これらが垂直揚力のために用いられるので止められる。前方飛行プロペラ401が前方推進のために用いられる。上述した遠心遮断クラッチ100は、上述した使用状態にない場合、ローターアセンブリー200を静止状態に保つ。
特定の実施形態に照らしてこの説明を与えたけれども、この与えられた教示から当業者らは多くの他の実施形態を推測することができることを理解しよう。さらにまた、この記載した説明内の構成要素の特定の名称や、用語の強調表記,特質,データー構成,あるいは他のあらゆる構造的またはプラグラム形態は、特に言及しない限り必須または重要ではなく、記述した発明またはその特徴を実行する機構が異なる名称や構成またはプロトコルを有することができる。さらに、飛行コンピューター500の構成要素を含むこのシステムのいくつか形態をハードウェアとソフトウェアとの組み合わせを介し、または完全にハードウェアの要素にて実行することができる。また、ここで記述した種々のシステム構成要素の間での特定な機能性の分割は必須ではなく、単一のモジュールまたはシステム構成要素により行われる機能を代わりに多数の構成要素によって行うことができ、多数の構成要素により行われる機能を代わりに単一の構成要素によって行うことができる。同様に、特に言及するか、または論理的に必要ではない限り、方法ステップが行われる指令は必須ではない。
明記した場合を除き、「選択」または「演算」または「決定」などの如き用語を使用した説明は、コンピューターシステムのメモリーまたはレジスターまたは他のこのような情報格納や伝達または表示機器内の物理的(電子的)量として表されるデーターを操作して転換するコンピューターシステムや同様な電子演算機器の動作および処理を意味する。
記述した実施形態の電子的構成要素は、必要とされる目的のために特別に構成することができるか、あるいはコンピューター内に記憶したコンピュータープログラムによって選択的に作動または再構成される1台以上の汎用コンピューターを具えることができる。このようなコンピュータープログラムは、フロッピー(登録商標)ディスクや光ディスク,DVD,CD-ROM,磁気・光ディスクを含むあらゆる種類のディスクか、読み出し専用メモリー(ROM),ランダムアクセスメモリー(RAM),EPROM,EEPROM,磁気または光カード,特定用途向け集積回路(ASIC),あるいは電子的指令を格納するのに適すると共にコンピューターのシステムバスにそれぞれ結合されるあらゆる種類の媒体の如き、コンピューターによって読み取り可能な記憶媒体に格納することができるが、これらに限定されない。
最後に、この明細書にて用いた用語が主として読みやすさおよび説明の目的のために選択され、本発明の内容を正確に描写または限定するように選択されていない可能性があることに注意すべきである。従って、この開示は本発明の範囲を限定ではなく、例示することを意図している。
Claims (16)
- ローターに結合される回転部と固定部とを含むモーターに結合される遠心遮断クラッチであって、
複数の摩擦パッドと、
外周および内周と、この内周に沿って同じ方向に当該内周から周方向に延在する複数のたわみ部材とを含むリングと
を具え、前記リングは、このリングの中央に向けて内周から突出する複数の停止タブをさらに含み、これら停止タブのそれぞれは前記複数のたわみ部材の1つが当該停止タブの位置を越えて屈曲するのを阻止するように形成され、
前記複数のたわみ部材は、前記モーターの固定部に対し前記複数の摩擦パッドを予圧して前記ローターの回転速度が閾値よりも低い場合には遠心遮断クラッチを係合させるように形成され、前記ローターの回転速度が前記閾値以上の場合には前記モーターの固定部から前記複数の摩擦パッドが離れて前記遠心遮断クラッチを係合解除することを特徴とする遠心遮断クラッチ。 - 前記ローターが複数の羽根およびハブを具え、前記複数の羽根が前記ハブに結合されていることを特徴とする請求項1に記載の遠心遮断クラッチ。
- 前記ローターが炭素繊維から作られていることを特徴とする請求項1に記載の遠心遮断クラッチ。
- 前記ローターが複合材料から作られていることを特徴とする請求項1に記載の遠心遮断クラッチ。
- 前記ハブがアルミニウムから作られていることを特徴とする請求項2に記載の遠心遮断クラッチ。
- アルミニウムおよび鋼およびチタンに属する金属のグループから選択される金属から作られていることを特徴とする請求項1に記載の遠心遮断クラッチ。
- 前記遠心遮断クラッチが複合材料から作られていることを特徴とする請求項1に記載の遠心遮断クラッチ。
- 前記複合材料が炭素繊維を具えていることを特徴とする請求項7に記載の遠心遮断クラッチ。
- それぞれのたわみ部材は第1の端および第2の端を具え、前記第1の端が前記リングの内周面に結合されていることを特徴とする請求項1に記載の遠心遮断クラッチ。
- 前記複数の摩擦パッドのそれぞれが前記複数のたわみ部材の前記第2の端に装着されていることを特徴とする請求項9に記載の遠心遮断クラッチ。
- 前記複数の摩擦パッドがブレーキパッド材料から作られていることを特徴とする請求項1に記載の遠心遮断クラッチ。
- 飛行機に結合されることを特徴とする請求項1に記載の遠心遮断クラッチ。
- 前記複数のたわみ部材は、前記ローターの速度が前記速度閾値よりも低く減少している場合、前記複数の摩擦パッドを前記モーターの固定部に再び係合させるように形成されていることを特徴とする請求項1に記載の遠心遮断クラッチ。
- 前記複数のたわみ部材は、前記複数のたわみ部材のそれぞれの質量により加えられる遠心力のため、前記複数の摩擦パッドを前記モーターの固定部から離すように形成されていることを特徴とする請求項1に記載の遠心遮断クラッチ。
- 複数のプルーフマスをさらに具え、これらプルーフマスのそれぞれがたわみ部材に結合されていることを特徴とする請求項1に記載の遠心遮断クラッチ。
- 前記複数のたわみ部材は、前記複数のプルーフマスにより加えられる遠心力のため、前記複数の摩擦パッドを前記モーターの固定部から離すように形成されていることを特徴とする請求項15に記載の遠心遮断クラッチ。
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