JP4713467B2 - スナッバ - Google Patents

Description

本発明は、エラストメリック・ベアリングに関し、詳細には、ヘリコプタのメイン・ロータとテール・ロータのアセンブリに使用されるエラストメリック・ベアリングに関する。

スナッバ／ダンパのユニットは、ヘリコプタのロータ技術の分野において周知のものである。代表的なスナッバ／ダンパのユニットは、米国特許第５，１８８，５１３号、米国特許第５，０９２，７３８号、米国特許第４，２４４，６７７号、米国特許第４，１０５，２６６号に示されている。代表的なスナッバ／ダンパは、外部ブレードまたは取付け部材に対する内部ブレード部材の相対的な移動および方位変化に対処するために、ベアリングレス型ロータの用途において使用される。通常の実施例では、２つのスナッバ／ダンパのサブユニットが、内部部材の両側に取り付けられている。これらのサブユニットは、傾斜（ｐｉｔｃｈ）の動きおよびフラップ（ｆｌａｐ）の動きに対処するための、接合された金属製シムとエラストメリック・スペーサとの球形積層部を含み、また、進み・遅れ（ｌｅａｄ−ｌａｇ）、および、もしあれば長手方向の動きに対処するための、平形積層部を含む。球形積層部は、一般に、スナッバとして識別され、また、平形積層部は、一般に、ダンパとして識別される。通常の構成では、これら２つのサブユニットの球形層は同心状となっている。

よって、本発明の形態は、第１の部材と第２の部材を相対的に回転できるようにするスナッバ・システムを含む。スナッバ内部部材は、長手方向の中心軸線を持つ両方向に凸状の外面部分を有している。この外面部分に固定されたシム／スペーサ積層部が、スナッバ内部部材を第２の部材に結合する。１つまたは複数の係合面を持つ保持部材（ｒｅｔａｉｎｅｒ）は、スナッバ内部部材の１つまたは複数の係合面と協働して、保持部材に対するスナッバ内部部材の側方移動を抑制しつつ、保持部材から離してスナッバ内部部材の長手方向の移動を可能にする。エラストマにより、保持部材が第１の部材に固定される。

種々の実施例において、シム／スペーサ積層部は、外方へ両方向に凸状であり、また、スナッバ・システムはさらに、この外方へ両方向に凸状のシム／スペーサ積層部を第２の部材に結合する平形のシム／スペーサ積層部も持つことがある。スナッバ・システムは、第１の部材に対向して、同様な第２の内部部材、第２のシム／スペーサ積層部、第２の保持部材、および第２のエラストマを含むことがある。シム／スペーサ積層部は、１つのユニットとして互いに固定された幾つかの金属製シムと、幾つかのエラストメリック・スペーサから実質的に構成されることがある。スナッバ内部部材は、両方向に凸状の外面部分の内側寄り部分の外に、半径方向外向きに延びているフランジを持つことがある。スナッバ内部部材の１つまたは複数の係合面は、挿入穴（凹み、ｓｏｃｋｅｔ）の外周部分を含み、また、保持部材の１つまたは複数の係合面は、外向きに突出した突起を含むことがある。

本発明の１つまたは複数の実施形態の詳細は、添付図面および下記の説明に記載されている。本発明の他の特徴、目的、および利点は、以下の説明と図面から、また併記の特許請求の範囲から明らかになろう。各図面中にある同様な参照数字および符号は、同様な要素を示す。

図１は、内部部材２２を外部部材２４に結合するスナッバ／ダンパ・システム２０を示している。使用時には、内部部材２２は、ヘリコプタのロータ・ブレードのフレックス・ビーム（ｆｌｅｘｂｅａｍ）の基部である。実施例の外部部材２４は、外方向に延び、かつ、このフレックス・ビームの末端部分に（例えば、ボルトにより）固定されたロータ・ブレードのトルク・チューブ（ｔｏｒｑｕｅ ｔｕｂｅ）部分である。実施例の内部部材２２は、その長手方向の中心軸線５００を横断する細長い断面を有する。内部部材２２および上記断面は、上面２６Ａと下面２６Ｂ、および相対的に短い側面２８Ａと側面２８Ｂを有する。この模範的な実施例では、スナッバ／ダンパ・システム２０は、内部部材２２を、外部部材２４に対して中立の向きに保ち、そこでは、フレックス・ビームの上面／下面の中心垂線５０２が、スナッバ／ダンパ・システム２０の軸線５０４に対して、角度θ₀だけ傾斜している。

実施例のスナッバ／ダンパ・システム２０は、内部部材２２の上下に、同様な構成要素を含む。スナッバ／ダンパ・システム２０の上半分と下半分の心体（ｃｏｒｅ）は、それぞれの上部スナッバ内部部材３０Ａと下部スナッバ内部部材３０Ｂである。それぞれの内部部材は、保持部材３２Ａ、３２Ｂと、パッド３４Ａ、３４Ｂ（双方とも、以下でさらに詳しく説明する）により、関連する上面または下面に結合されている。それぞれの内部部材３０Ａ、３０Ｂは、外側寄り球面部分３６Ａ、３６Ｂを有する。それぞれの球面部分３６Ａ、３６Ｂは、曲率中心５０６Ａと曲率中心５０６Ｂを有する。これらの曲率中心は、中立状態において、フレックス・ビームの中心軸線５００と軸線５０４との交点から、中心線５０４に沿って外向きに離間している。シム／スペーサ積層部４０Ａ、４０Ｂは、それぞれの内部部材３０Ａ、３０Ｂに固定されている。それぞれの積層部４０Ａ、４０Ｂは、互いに交互に固定されたエラストメリック・スペーサ４２と金属製シム４４を有する。これらのスペーサとシムはそれぞれ、関連する中心５０６Ａ、５０６Ｂに曲率中心がある内側寄り表面と外側寄り表面を有する。実施例のスペーサとシムは、環状であって、それぞれの積層部４０Ａ、４０Ｂには、シム／スペーサの中央穴により与えられた中央空胴（ｃｅｎｔｒａｌ ｃａｖｉｔｙ）４６が残されている。それぞれの積層部の外側寄り表面は、金属製のアダプタつまり移行シム（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｓｈｉｍ）５２Ａ、５２Ｂの内側寄り表面５０Ａ、５０Ｂに固定されている。内側寄り表面５０Ａ、５０Ｂは、それぞれのシム積層部、および、内部部材の外面と同心である。アダプタ５２Ａ、５２Ｂはそれぞれ、平らな外面５４Ａ、５４Ｂを有する。外部（ダンパ）シム／スペーサ積層部５６Ａ、５６Ｂは、スペーサ５７とシム５８を有する。それぞれの積層部５６Ａ、５６Ｂは、外面５４Ａ、５４Ｂに固定された内側寄り表面と、プレート６０Ａ、６０Ｂに固定された外側寄り表面を有する。それぞれのプレート６０Ａ、６０Ｂは、シム／スペーサ積層部５６Ａ、５６Ｂを圧縮状態に保つために、例えばボルト（図示せず）により外部部材２４に固定される関連キャップ６２Ａ、６２Ｂの中に取り込まれる。このような圧縮は、エラストメリック・スペーサに所望の予備圧縮を付与する。

保持部材３２Ａ、３２Ｂは、関連する内部部材３０Ａ、３０Ｂを支持し、かつ保持する働きをする。エラストメリック・パッド３４Ａ、３４Ｂは、内部部材２２と、保持部材３２Ａ、３２Ｂとの間の歪みを無くす。よって、これらのパッドは、有利には、比較的に厚いことがある。実施例の圧縮されてないパッド厚さは、０．０２５インチである。圧縮されてない厚さの代表的な範囲は、０．０１０〜０．０４０インチであり、さらに厳密に言えば、０．０１５〜０．０３５インチである。実施例のパッド材料は、天然ゴムである（例えば、ＡＳＴＭ Ｄ ２０００に準拠したもの）。実施例の保持部材の材料は、細断したガラスファイバ樹脂（例えば、ＭＩＬ−Ｍ−４６０６９に準拠したもの）であり、また、実施例の保持部材の厚さは、０．０６５インチである。実施例のスナッバ内部部材は、下行する中央突起７０と、半径方向に延びている外側寄りフランジ７２を有する。この突起７０は、関連する保持部材とパッドのそれぞれの穴７４と穴７６の中に収められている。フランジ７２は、スナッバ内部部材に対して傾斜安定度を与える働きをする。代表的な実施形態では、フランジ７２は、保持部材クリップ（ｒｅｔａｉｎｅｒ ｃｌｉｐ）の下側には取り込まれていない。

図２は、内部部材と保持部材とが協働して互いに係合する取付け機構が、図１の機構とは反対になっている別の内部部材取付け構造を示している。図示された実施形態では、それぞれの内部部材１３０Ａ、１３０Ｂは、この内部部材の下側から、表面１３６Ａ、１３６Ｂに向かって延びている挿入穴１７４を有する。相補形の突起１７０が、関連する保持部材１３２Ａ、１３２Ｂの外側寄り表面から突出している。保持部材１３２Ａ、１３２Ｂは、有利には、金属製（例えば、アルミニウム合金またはチタン合金）であることもある。この実施例の形態では、それぞれのパッド１３４Ａ、１３４Ｂは、図１に示したようなパッドの中央穴を有していない。この実施例の形態では、突起１７０と挿入穴１７４は、主として直円筒体である。突起１７０は、この保持部材のうち、突起以外の外側寄り表面から、所与の高さの所に、主要半径と、平らな末端面１７５を有する。挿入穴１７４は、摩擦嵌め合いを適度に行えるように、局部突起直径よりもわずかに大きい主要直径を有する。この突起の基部は、強度のために、わずかに丸隅となり、また、挿入穴１７４の口は、相補形の斜切面を持つことがある。挿入穴１７４の深さは、この突起の高さよりもわずかに深いことがある。このような構造により、保持部材／パッドの所与の厚さに関して、突起と挿入穴との間の係合高さを、図１の機構の場合よりも比較的に高くすることができる。スペーサの経時的なクリープに起因して予想される予備圧縮の低下にかんがみても、この高さは、好都合にも、ピークの荷重および運動の間、係合を持続させるために効果的である。この突起の横寸法は、好都合にも、この突起の摩耗を抑えるのに充分である。この円形の突起および挿入穴は、製造が容易である。これらは、進み・遅れの力を伝達するために、効果的な断面を有する。設計荷重に応じて、突起の直径の代表的な範囲は、０．４インチ〜１．２インチであり、また、突起の高さの代表的な範囲は、０．１インチ〜０．３インチである。突起以外の保持部材の厚さの代表的な範囲は、０．０５０インチ〜０．１５０インチである。

スナッバを組み立てるために、保持部材の下側は、パッドの外側寄り表面に接合され、次に、パッドの下側は、フレックス・ビームに接合される。このフレックス・ビームは、外部部材２４中に位置づけられることがある。それぞれのスナッバ内部部材３０Ａ、３０Ｂから、プレート６０Ａ、６０Ｂまで延びている上記２つの接合された積層部は、外部部材中のそれぞれの穴８０Ａ、８０Ｂを通して挿入される。次に、キャップ６２Ａとキャップ６２Ｂは、外部部材２４に固定されて、スナッバを予備圧縮する（図２）。この予荷重により、スナッバの幾何学的形状および表面３６Ａと表面３６Ｂとの曲率半径が与えられれば、正常運転の間、関連する保持部材にスナッバ内部部材が圧縮可能に係合されたままとなる。

図３は、中立状態からの正味傾斜がθ₁−θ₀である場合に、歪曲した状態にある傾斜角θ₁を持つシステム２０を示している。このような動きは、内部シム／スペーサ積層部と、外部シム／スペーサ積層部の双方において、スペーサを剪断させる。代表的な実施形態では、Ｒ₁は、内部部材の球面部分の曲率半径を示し、また、Ｈは、その球面部分と、隣接するスペーサとの間の接触高さを示し、また、Ｓは、２つの曲率中心の間隔を示している。正の間隔Ｓが存在すると、所与の曲率半径Ｒ_Iにて、接触高さＨが大きくなる。間隔Ｓがゼロでなければ、外部積層部で許容される剪断変位Ｄが発生する。剪断変位Ｄは、だいたい、ｓｉｎ（θ₁−θ₀）＊Ｓ／２である。Ｓの値が１．０インチであって、正味傾斜が２５°である場合には、その結果として得られる剪断変位Ｄは、０．２１１インチである。一般に、進み／遅れと傾斜との位相差があるために、このように大きくなった動きでも、一般に、ダンパをほとんど変化させずに（例えば、エラストマ・スペーサの厚さがわずかに増す）、許容されることがある。進み・遅れの動きが同時に存在する場合には、２つの向かい合ったダンパの存在は、一方のダンパの傾斜に起因する減衰の増大が、主として、他方のダンパの対向する傾斜に起因する減衰の低下により補償されることを意味している。高さを増すことによって、ラップ角（全巻き角、ｗｒａｐ ａｎｇｌｅ）β_iを相対的に大きくすることも可能である。ここで、β_iは、内部部材の外側寄り表面に沿ったスペーサの半ラップ角である。所与のどんなスペーサ層でも、そのスペーサは、ラップ角β_i（図１）と、中央穴の半角α_iを有する。

スナッバのスペーサ層中の軸方向の荷重圧Ｐ_Aと側方の荷重圧Ｐ_Sは、以下の通りである：
Ｐ_A＝（予荷重／πＲ_iｓｉｎφ_i）（ｃｏｓ（（θ₁−θ₀）（Ｒ_O−Ｒ_i）／（Ｒ_O−Ｒ_I））／２ｃｏｓφ_i）
Ｐ_S＝（予荷重／πＲ_iｓｉｎφ_i）（ｓｉｎ（（θ₁−θ₀）（Ｒ_O−Ｒ_i）／（Ｒ_O−Ｒ_I））／ｓｉｎφ_i）
ここで、（θ₁−θ₀）は、ベアリング傾斜角である。Ｒ_O（図１）は、最も外側のスペーサの外半径であり、また、Ｒ_I（図３）は、最も内側のスペーサの内半径である。下添え字ｉは、最も内側から、最も外側までの特定の層を表わしている。φ_iは、（β_i＋α_i）／２である。

スペーサが圧縮状態のままである場合には、Ｐ_A−Ｐ_S≧０であり、それゆえ、
（ｃｏｓ（（θ₁−θ₀）（Ｒ_O−Ｒ_i）／（Ｒ_O−Ｒ_I））／２ｃｏｓφ_i）＞（ｓｉｎ（（θ₁−θ₀）（Ｒ_O−Ｒ_i）／（Ｒ_O−Ｒ_I））／ｓｉｎφ_i）である。

この応力は、一般に、もっとも内側の層において最大となる。ここでは、Ｒ_iはほぼＲ_Iであり、したがって、（Ｒ_O−Ｒ_i）／（Ｒ_O−Ｒ_I）＝１である。

Ｐ_A−Ｐ_S＝０として解くと、
（ｓｉｎφ_i）／（２ｃｏｓφ_i）＝ｔａｎ（θ₁−θ₀）
である。

もっとも外側のスペーサでは、Ｒ_iはほぼＲ_Oであり、したがって、（Ｒ_O−Ｒ_i）／（Ｒ_O−Ｒ_I）＝０である。よって、所要のラップ角は、この層において、傾斜の影響を受けない。

したがって、もっとも内側の層に必要なφ_iは、次式：
（ｓｉｎφ_i）／（２ｃｏｓφ_i）＝ｔａｎ（θ_1max−θ₀）
から所望の最大傾斜角に対して、求めることができる。

傾斜によるベアリング剪断応力γは、次式となる：
γ≒（θ₁−θ₀）（（Ｒ_O＋Ｒ_I）／２）／τ
ここで、τは、エラストマの全体厚さであり、これは、シムの厚さが非常に小さい場合には、ほぼＲ_O−Ｒ_Iとなることがある。

上の説明は、スナッバの幾何学的形状を設計するのに利用されることがある。例えば、この設計上考慮すべき事項は、所与の最大ベアリング傾斜角を受け入れる必要性を含むことがある。フレックス・ビームと保持部材とを組み合わせた厚さは、所与の厚さ（例えば、強度要件で決まる最小限の厚さ）であることもある。スナッバ／ダンパの全体の高さを最小限に抑えることが望ましい場合がある。もっとも内側の層に必要なφ_iは、上述のように計算できる。最大ベアリング傾斜角でのベアリング剪断応力γも、上述のように計算されることがある。スナッバの効果的な高さは、実質上、Ｒ_OとＳ／２との和に関係があることもある。所与のもっとも内側の層のラップ角を実現するのに利用できるＲ_Iは、Ｓ、および、フレックス・ビーム、保持部材、内部部材のフランジを組み合わせた厚さによって決まる。厚さを最小限に抑える構造は、これらのパラメータに基づいて反復的に求められ、また、応力解析が最大の傾斜角において応力が許容限度内にあることを確かめるために行われることがある。

本発明の１つまたは複数の実施形態が記述されている。それにもかかわらず、本発明の精神および範囲から逸脱せずに、様々な変更がなされよう。例えば、既存のスナッバ／ダンパと、その環境の詳細は、その既存のスナッバ／ダンパの再設計として用いられるときに、特に、その実施例の細部に影響を及ぼすことがある。よって、他の実施形態でも、併記の特許請求の範囲の範囲内にある。

中立状態にあるスナッバ／ダンパの断面図である。 中立状態にある別のスナッバ／ダンパの断面図である。 傾斜した状態にある、図１のスナッバ／ダンパの断面図である。

Claims (12)

1. 第１の部材（２２）と第２の部材（２４）とを相対的に回転できるようにするスナッバ・システム（２０）であって、
   長手方向の中心軸線を有し、両方向に凸状の外面部分（３６Ａ，３６Ｂ；１３６Ａ，１３６Ｂ）および１つまたは複数の係合面を有するスナッバ内部部材（３０Ａ，３０Ｂ；１３０Ａ，１３０Ｂ）と、
   前記外面部分に固定され、かつ、前記スナッバ内部部材を前記第２の部材（２４）に結合するシム／スペーサ積層部（４０Ａ，４０Ｂ）と、
   前記スナッバ内部部材の１つまたは複数の係合面と協働する１つまたは複数の係合面を有する保持部材（３２Ａ，３２Ｂ；１３２Ａ，１３２Ｂ）と、
   前記保持部材を前記第１の部材（２２）に固定するエラストマ（３４Ａ，３４Ｂ；１３４Ａ，１３４Ｂ）と、
   を備え、
   前記保持部材の係合面および前記スナッバ内部部材の係合面の一方が、突起（７０；１７０）を有し、前記保持部材の係合面および前記スナッバ内部部材の係合面の他方が、前記突起を受ける挿入穴（７４；１７４）を有し、前記突起および前記挿入穴は、相補的な形状を有し、かつ前記保持部材に対する前記スナッバ内部部材の側方方向への移動を抑制しつつ、前記保持部材および前記第１の部材から離れる前記スナッバ内部部材の長手方向への移動を許容するように互いに係合することを特徴とするスナッバ・システム。
2. 前記シム／スペーサ積層部が、外方へ両方向に凸状のシム／スペーサ積層部であり、かつ、前記外方へ両方向に凸状のシム／スペーサ積層部を前記第２の部材に結合する平形のシム／スペーサ積層部をさらに備える請求項１に記載のスナッバ・システム。
3. 前記スナッバ内部部材、前記シム／スペーサ積層部、前記保持部材、および前記エラストマは、第１のスナッバ内部部材、第１のシム／スペーサ積層部、第１の保持部材、および第１のエラストマであり、かつ、
   前記長手方向の中心軸線を共有する両方向に凸状の外面部分を有している第２のスナッバ内部部材と、
   軸方向に前記第１のスナッバ部材に対向して、前記第２のスナッバ内部部材の前記外面部分に固定され、かつ、前記第２のスナッバ内部部材を前記第２の部材に結合する第２のシム／スペーサ積層部と、
   前記第２のスナッバ内部部材の係合面と協働する係合面を持つ第２の保持部材であって、該第２の保持部材に対する前記第２のスナッバ内部部材の側方移動を抑制しつつ、該第２の保持部材に対する前記第２のスナッバ内部部材の長手方向の移動を可能にする第２の保持部材と、
   前記第２の保持部材を前記第１の部材に固定する第２のエラストマと、
   をさらに備える請求項１に記載のスナッバ・システム。
4. 前記シム／スペーサ積層部が、一つのユニットとして互いに固定された複数の金属製シムと複数のエラストメリック・スペーサから実質的に構成されることを特徴とする請求項１に記載のスナッバ・システム。
5. 前記スナッバ内部部材が、両方向に凸状の外面部分の内側寄り部分の外に、半径方向外向きに延びているフランジを持つことを特徴とする請求項１に記載のスナッバ・システム。
6. 前記スナッバ内部部材の１つまたは複数の係合面が挿入穴の外周部分を含み、かつ、前記保持部材の１つまたは複数の係合面が外向きに突出した突起を含むことを特徴とする請求項１に記載のスナッバ・システム。
7. 前記第１の部材は、航空機のブレードのフレックスビームであることを特徴とする請求項１に記載のスナッバ・システム。
8. 前記第２の部材は、航空機のブレードのトルクチューブであることを特徴とする請求項７に記載のスナッバ・システム。
9. 請求項１に記載された複数のスナッバ・システムを有する航空機のロータであって、
   各スナッバ・システムが、ロータブレード部材である対応する単一の前記第１の部材を有することを特徴とする航空機のロータ。
10. ハウジング部材（２４）に対するロータブレードフレックスビーム（２２）の回転を許容するスナッバ・システム（２０）であって、
    両方向に凸状の第１の外面部分（３６Ａ，３６Ｂ；１３６Ａ，１３６Ｂ）および１つまたは複数の第１の係合面を有する第１のスナッバ内部部材（３０Ａ，３０Ｂ；１３０Ａ，１３０Ｂ）と、
    前記第１の外面部分に固定され、かつ、前記第１のスナッバ内部部材を前記ハウジング部材に結合する第１のシム／スペーサ積層部（４０Ａ，４０Ｂ）と、
    前記第１のスナッバ内部部材の１つまたは複数の第１の係合面と協働する１つまたは複数の第１の係合面を有する第１の保持部材（３２Ａ，３２Ｂ；１３２Ａ，１３２Ｂ）と
    両方向に凸状の第２の外面部分（３６Ａ，３６Ｂ；１３６Ａ，１３６Ｂ）および１つまたは複数の第２の係合面を有する第２のスナッバ内部部材（３０Ａ，３０Ｂ；１３０Ａ，１３０Ｂ）と、
    前記第１のスナッバ内部部材に対向して、前記第２の外面部分に固定され、かつ、前記第２のスナッバ内部部材を前記ハウジング部材に結合する第２のシム／スペーサ積層部（４０Ａ，４０Ｂ）と、
    前記第２のスナッバ内部部材の第２の係合面と協働する第２の係合面を有する第２の保持部材（３２Ａ，３２Ｂ；１３２Ａ，１３２Ｂ）と、
    を備え、
    前記第１および第２の保持部材の係合面、および前記第１および第２のスナッバ内部部材の係合面の一方が、突起（７０；１７０）をそれぞれ有し、他方が、前記突起を受ける挿入穴（７４；１７４）をそれぞれ有し、前記突起および前記挿入穴は、相補的な形状を有し、かつ前記第１および第２の保持部材に対する前記第１および第２のスナッバ内部部材の側方方向への移動を抑制しつつ、前記第１および第２の保持部材および前記ロータブレードフレックスビームから離れる前記第１および第２のスナッバ内部部材の長手方向への移動を許容するように互いに係合することを特徴とするスナッバ・システム。
11. 前記第１の保持部材を前記ロータブレードフレックスビームに固定する第１のエラストマと、
    前記第２の保持部材を前記ロータブレードフレックスビームに固定する第２のエラストマと、
    をさらに備える請求項１０に記載のスナッバ・システム。
12. 前記第１のシム／スペーサ積層部が、外方へ両方向に凸状のシム／スペーサ積層部であり、
    前記スナッバ・システムが、前記外方へ両方向に凸状のシム／スペーサ積層部を前記ハウジング部材に結合する平形のシム／スペーサ積層部をさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載のスナッバ・システム。

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