JP5723073B2 - 遠心遮断クラッチ - Google Patents

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１は一実施形態による遠心遮断クラッチを例示する。 図２は一実施形態による遠心遮断クラッチを含むローターアセンブリーを例示する。 図３Ａは一実施形態により係合した場合の遠心遮断クラッチを例示する。 図３Ｂは一実施形態により係合解除した場合の遠心遮断クラッチを例示する。 図４は一実施形態による遠心遮断クラッチを組み込んだ個人用飛行機の図面を例示する。

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
ω_ｒ＝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
Ｆ_ｎ＝モーターの固定部２０５に対する摩擦パッド１０１の力
Ｆ_ｆ＝μＦ_ｎ＝摩擦力
Ｒ＝モーターの固定部２０５の半径
ｍ_Ｐ＝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)＝τ_０＝μＦ_０Ｒ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。
Ｆ_ｎ(ω)＝Ｆ_０−ｍ_ＰＲω^２
Ｆ_ｎ(ω)＝(τ_０/μＲ)−ｍ_ＰＲω^２ （１）
τ(ω)＝μＲＦ_ｎ(ω)
τ(ω)＝μＲ{(τ_０/μＲ)−ｍ_ＰＲω^２)}
τ(ω)＝τ_０−μｍ_ＰＲ^２ω^２ （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(ｍ_ＰＲω^２)の求心力の大きさを差し引いたゼロＲＰＭ(Ｆ_０)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。

ω_ｒ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＝τ_０−μｍ_ＰＲ^２ω^２
ｍ_Ｐ＝τ_０/μＲ^２ω_ｒ ^２ （３）

式(３)に基づくと、τ_０が１０ナノメートルであってＲが２.７５インチの場合、ω_ｒ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。ω_ｒ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。

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)

1. ローターと、
   固定部および回転部を具え、前記回転部が前記ローターに結合されるモーターと、
   このモーターの前記回転部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内周および外周を含む一体構成のリングとを具え、この一体構成のリングが当該一体構成のリングの内周に沿って同じ方向に前記内周から周方向に延在する複数のたわみ部材を含むように形成された遠心遮断クラッチと
   を具え、前記一体構成のリングは、この一体構成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むように形成され、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、前記ローターの回転速度が閾値よりも低い場合に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遠心遮断クラッチを係合させ、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させるように形成されていることを特徴とするローターアセンブリー。
2. 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に記載のローターアセンブリー。
3. 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に記載のローターアセンブリー。
4. 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に記載のローターアセンブリー。
5. 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に記載のローターアセンブリー。
6. 前記遠心遮断クラッチが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に記載のローターアセンブリー。
7. 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に記載のローターアセンブリー。
8. 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に記載のローターアセンブリー。
9. 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の端が前記一体構成の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に記載のローターアセンブリー。
10. 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に記載のローターアセンブリー。
11. 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に記載のローターアセンブリー。
12. 飛行機に結合されていることを特徴とする請求項１に記載のローターアセンブリー。
13. 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に記載のローターアセンブリー。
14. 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に記載のローターアセンブリー。
15. 前記遠心遮断クラッチは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に記載のローターアセンブリー。
16. 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に記載のローターアセンブリー。

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