JP6072786B2 - ヘリコプター、並びにその構造体の振動低減方法及び装置 - Google Patents

Description

前進飛行中のヘリコプターの主な振動源は、翼通過振動数の主支持回転翼の回転系によって生成されるものである。力及びモーメントは通常、機体付属品を介してトランスミッションによって伝送され、機体に振動を発生させる。

ヘリコプターのギアボックスと機体との間で振動を打ち消すか又は少なくとも抑制するのに油圧アクチュエータを使用する構造応答制振システムのアクティブ制御が、長年にわたって成功裡に使用されてきた。しかしながら、アクチュエータによって使用される油圧力は高くなることがある。１５トンの回転翼航空機の場合、３ｋＷを超える連続的な消費電力が一般的である。また、より小さな回転翼航空機に油圧作動を用いることは現実的とは思われない。

様々な振動数にわたって機体に伝達される振動を最小限に抑えるように機能するアクティブ振動低減システムとは対照的に、パッシブ振動低減システムも提案されており、このパッシブ振動低減システムは、１つの特定の振動数で動作するように「調整」されているので、外部電力を全く消費しない。このようなパッシブシステムは、回転翼速度に大きな変動があると有効性を失う。

従って、本発明は、第１本体から第２本体への振動の伝達を低減するための改良されたシステムであって、特に、限定されないが、第２本体が機体、例えばヘリコプターの機体であり、且つ第１本体が回転系、例えば機体を支持するか機体によって支持される複数の回転翼羽根を有するヘリコプターの主支持回転翼であるシステムに関する。主要な振動伝達経路は第１振動本体と第２本体との間の機械的接続であるが、第２本体、例えば機体は、空力強制又は音響強制などの二次的な経路によっても励起されることがある。一部の振動系では、第１本体の振動を低減又は変更することが望ましい場合もある。

本発明を適用することができる他の振動系の例は、
ａ）第１振動本体が１つのエンジン又は複数のエンジンであり且つ第２本体が船又は大型船の船体である、船又は大型船、
ｂ）第１振動本体がプロペラとギアボックスとエンジンであり且つ第２本体が航空機の機体である、航空機、
ｃ）第１振動本体が内燃機関又はタービンや発電機などの回転子であり且つ第２本体が電源取付構造である発電システム、及び、
ｄ）内燃機関又は他の往復運動機械若しくは回転機械が第１本体において振動を誘発し、接続された第２本体へのそれらの振動の伝達を低減することが望ましい他のシステム
である。

本発明の第１の態様によれば、我々は、第１振動本体から第２本体への振動の伝達を低減するためのシステムであって、第１振動本体に接続された第１部分と、第２本体に接続された第２部分と、第１部分及び第２部分に接続された電気静油圧アクチュエータとを有し、電気静油圧アクチュエータが第１振動本体の振動の振動数に相当する振動数で第１部分及び第２部分を互いに対して連続的に振動させるように動作可能であるシステムを提供する。

本発明の第２の態様によれば、我々は、回転系を支持するか回転系によって支持される機体を含む構造体を備え、構造体の複数の部分が励起振動数で相対運動可能であるヘリコプターであって、構造体の相対運動可能な複数の部分の間に接続された複数の電気静油圧アクチュエータと、励起振動数に相当する振動数で電気静油圧アクチュエータを連続的に振動させるように動作可能な手段と、回転系及び／又は機体の選択された位置に取り付けられ、回転中のそれぞれの選択された位置における動的変化を表す信号を生成するように適合された複数のセンサと、センサからの信号を処理するように適合され、且つ電気静油圧アクチュエータによって生じた印加力の位相及び振幅を制御するための出力信号と、回転系の動的特性の変化を補償するように印加力の位相及び振幅の特性を変化させるための出力信号とを提供するように適合された処理手段とを備え、それにより機体の振動の全体的なレベルを低減するヘリコプターを提供する。

本発明の第３の態様によれば、我々は、回転系を支持するか回転系によって支持される機体を含み且つ構造体の複数の部分が励起振動数で相対運動可能であるヘリコプター構造体において振動を低減する方法であって、構造体の相対運動可能な複数の部分の間に複数の電気静油圧アクチュエータを接続するステップと、励起振動数に相当する振動数で電気静油圧アクチュエータを振動させるステップと、回転中の回転系上の複数の位置における動的変化を表す信号を生成するステップと、処理手段に信号を供給するステップとを含み、処理手段は、電気静油圧アクチュエータによって生じた印加力の位相及び振幅を制御するための出力信号と、回転系の動的特性の変化を補償するように力の位相及び振幅の特性を変化させるための出力信号を提供するように適合され、それにより機体の振動の全体的なレベルを低減する方法を提供する。

本発明の第４の態様によれば、我々は、第２本体における振動を低減する方法であって、第２本体と第１振動本体との間に複数の電気静油圧アクチュエータを接続するステップと、第１本体の振動の振動数に相当する振動数で電気静油圧アクチュエータを振動させるステップと、第１本体上の複数の位置における動的変化を表す信号を生成するステップと、処理手段に信号を供給するステップとを含み、処理手段は、電気静油圧アクチュエータによって生じた印加力の位相及び振幅を制御するための出力信号と、第１本体の動的特性の変化を補償するように力の位相及び振幅の特性を変化させるための出力信号とを提供するように適合され、それにより第２本体における振動の全体的なレベルを低減する方法を提供する。

本発明の第５の態様によれば、我々は、回転系を支持するか回転系によって支持される機体を含み且つ構造体の複数の部分が励起振動数で相対運動可能であるヘリコプターの構造体の振動を低減する装置であって、構造体の相対運動可能な複数の部分の間に接続されるように適合された複数の電気静油圧アクチュエータと、使用時に励起振動数に相当する振動数で電気静油圧アクチュエータを連続的に振動させる手段と、回転系上の選択された位置で回転系及び／又は機体に取り付けられるように適合され、使用時に回転中のそれぞれの選択された位置における動的変化を表す信号を生成するように適合された複数のセンサとを含み、更に、センサからの信号を処理するように適合され、且つ電気静油圧アクチュエータによって生じた印加力の位相及び振幅を制御するための出力信号と、回転系の動的特性の変化を補償するように力の位相及び振幅の特性を変化させるための出力信号を提供するように適合された処理手段を含む装置を提供する。

ここで図面を参照しながら本発明を説明する。
本発明に係るシステムを備えたヘリコプターの例示的な側面図である。 本発明の装置の油圧回路図である。 本発明を具現化する装置の、一方の側の上方からの斜視図である。 本発明を具現化する装置の、一方の側の下方からの斜視図である。 本発明を具体化する装置の部分断面斜視図である。

最初に図１を参照すると、主支持回転翼１１を備える回転系と、トルク平衡回転翼１４を担持する後方に延びるテール部１３を有するヘリコプター機体１２とを含むヘリコプターの構造体が全体として１０で示される。機体１２はエンジンとギアボックス１５とを担持し、ギアボックス１５は主支持回転翼１１に駆動を伝達し、軸Ａを中心に回転翼１１を駆動する。ギアボックス１５は複数の弾性支柱組立体１７によって機体１２に取り付けられ、弾性支柱組立体１７の各々が本発明の電気静油圧アクチュエータ２０を含む。本実施形態には４つの弾力支柱組立体１７があり、ギアボックス１５の概ね各コーナーに１つ、前方に２つと後方に２つ配置されている。

電気静油圧アクチュエータ（以下でより詳細に説明する）は、機体１２にある処理手段２２から操作信号２６を受信する。処理手段２２は、アクチュエータ２０によってもたらされた励振力の位相及び振幅を変化させるために、回転翼１１の回転翼羽根に、及び／又は他の方法で回転翼１１上に、及び／又は機体１２に、及び／又はギアボックス１５に、及び／又は１つ以上の支柱１７、例えばその一方若しくは両方の端部に取り付けられた、複数のセンサ２１からの入力信号を受信する。この構成では、弾性支柱組立体１７は、水平飛行中のヘリコプターで、垂直に対して約４５°に配置されているが、その角度は必要に応じて変更することができる。

このように、機体１２とギアボックス１５はヘリコプター構造体の複数の部分を含み、これらの部分は振動励起振動数と一致する振動数で相対運動が可能である。各アクチュエータ２０は動作中に機体１２に力を加えるように適合され、この力はギアボックス１５への同等で反対方向の力によって相互作用を受ける。

センサ２１は、この実施例では加速度計を備え、加速度計は、回転翼１１が回転したときにそれぞれの選択された位置における動的変化を表す信号を生成するように適合される。

本実施形態では、センサは加速度計であり、加速度計２１は機体１２に搭載されたコンピュータ２２を含む処理手段に動作可能に接続され、コンピュータ２２は、アクチュエータ２０によって生じた印加力の位相及び振幅を制御するため及び力の位相及び振幅の特性を変化させるための出力信号を提供するように適合されている。動作において、起振力は、例えば、前進飛行中の非対称な気流が原因で主支持回転翼１１によって生成される。回転翼１１が回転したときに生じるこのような起振力は、補償システムがない場合は、ギアボックス１５から機体１２に伝達される。これらの力及び関連するモーメントは大部分が翼通過振動数及びその高調波であり、翼通過振動数は回転翼１１の回転速度と回転翼羽根の数との積である。

ヘリコプターにはまた１つ以上の回転翼位置センサ２１ａが設けられ、回転翼位置センサ２１ａは回転翼１１の角度位置に関する処理手段２２への信号を提供する。これは、振動数及び／又は位相情報を提供する基準信号を提供するために、処理手段２２の振動源との同期に使用することができる。同期信号が提供されない場合、振動数位相情報は加速度計２１から特定されることができる。

代替的に、振動源からの特定振動数同期信号を加えて又は加えずに、振動フィードバックに基づく制御手法を用いてもよい。

また、ヘリコプターにはオプションのトランスミッション位置センサ２１ｂが設けられることもでき、トトランスミッション位置センサ２１ｂは、ランスミッション内の回転部品の角度位置に関する処理手段２２への信号を提供する。これは、振動数及び／又は位相情報を提供する基準信号を提供するために、処理手段２２の振動源との同期に使用することができる。同期信号が提供されない場合、振動数位相情報は加速度計２１から特定されることができる。

一般的に、ヘリコプター用の翼通過振動数は、１０Ｈｚから３０Ｈｚの範囲にあり、例えば１７Ｈｚである。減速回転翼飛行モード中は、振動数が更に低いことがある。

また、加速度計２１の位置で回転翼１１に生じる動的変化が、コンピュータ２２からの出力信号の位相及び振幅の調整をもたらす。

コンピュータ２２は、加速度計２１から受信した振動信号を解析するように適合され、例えば、アクチュエータ２０への出力信号２６のセットの位相及び振幅の応答特性が、従ってアクチュエータ出力が、回転翼１１又は機体１２の動的特性を変更する要求を満たすために連続的に変化させられることを保証する。

このようにして、本発明の方法及び装置は、ギアボックスから機体１２に伝達される振動のレベルを打ち消すか又は少なくとも低減し、それによりヘリコプター機体１２の全体の振動レベルを大幅に改善するために、電気静油圧アクチュエータ２０の励起振動数の振動の位相及び振幅に同時に変化を与える。

より詳細には、図２〜５を参照すると、各電気静油圧アクチュエータ２０は、シリンダ３２内に配置されたピストン３１と、ポンプ３５に駆動接続された（すなわち、回転連結された）電気モータ３３とを備え、ポンプ３５はシリンダ３２内でのピストン３１の運動をもたらすように作動液を移動させる。ピストン３１は出力軸３８に接続される。図面に示されるアクチュエータの実施形態は、テスト目的で作製されたので、おそらく支柱１７内に収まるようにその構成が変更されるであろう。しかしながら、アクチュエータ２０の構成部品は機能的に同じである。

本実施例では、電気モータ３３はＤＣブラシレスモータであり（他のタイプのモータを使用することができる）、モータはハウジング３４内で支持される。ハウジングはポンプ３５に接続され、ポンプ３５と電気モータハウジング３４との間には流体接続がある。これは、この実施形態の電気モータ３３が作動液に浸され、従って「湿式運転する」ことを意味する。なお、当然のことながら、モータは代替的に「乾式」運転されることもできる。

モータ３３は、システム内の作動液を２方向のうちの一方に移動させるために、適当な歯車装置を介して、ポンプ３５を時計回り又は反時計回りに駆動するように構成される。ピストン３１は、シリンダ３２を第１チャンバ３６と第２チャンバ３７とに分割する。第１チャンバ３６は入口３６ａを有し、入口３６ａは第１流体導管３９によってポンプ３５の第１出口に接続される。第２チャンバ３７は入口３７ａを有し、入口３７ａは第２流体導管４０によってポンプ３５の第２出口に接続される。ポンプ３５及びピストン／シリンダ３１，３２は、ポンプ３５による作動液の（例えば、時計回りに回転する場合の）第１チャンバ３６への移動がピストン３１の第１方向の（この実施例ではモータ３３から離れる）運動をもたらし、一方、ポンプ３５による作動液の（例えば、反時計回りに回転する場合の）第２チャンバ３７への移動がピストン３１の反対方向の運動をもたらすように構成される。モータ３３は、この実施例ではギアボックス１５である振動本体の振動の振動数と一致するように、その回転方向を素早く変えることができる。

圧力センサ、例えばトランスデューサＰａ、Ｐｂが、チャンバ３６，３７内の流体圧力を感知するため、処理手段２２へのフィードバックを提供するため、及び／又はシステム内の圧力上昇をパイロットに警告するために設けられる。

アクチュエータ２０はまた、システム内の作動液を加圧するためのアキュムレータ５０を含む。アキュムレータ５０は、モータ３３を支持するハウジング３４に流体接続される。代替的な実施形態（図示せず）では、アキュムレータは、システム内の作動液を加圧するために、柔軟壁を備えたチャンバに置き換えることができる。

本実施例では、電気モータ３３及びポンプ３５がピストン３１及びシリンダ３２と一列に並んで配置されている（すなわち軸方向に位置合わせされている）ことが分かる。なお、当然のことながら、電気モータ３３及びポンプ３５は代替的にピストン３１及びシリンダ３２と並列に配置されることもできる。言い換えれば、電気モータ３３及びポンプ３５は、軸方向に位置合わせされないで、ピストン３１及びシリンダ３２の一方の側に配置されることができる。

図２〜５に示されるように、アクチュエータ２０は、ばねとして働く柔軟構造部材６０に並列に支柱１７内に配置される。アクチュエータ２０及びばね６０の構成は、結果として生じる力学系の共振振動数を調整するようにポンプ３５及びモータ３３の慣性を選択することは可能であるが、必須ではないことを意味する。この共振（又は近共振）は、動作中にモータ３３によって加えられる必要がある電力量を低減するのに使用することができる。また、共振は、支柱１７を介して伝達される振動の完全に受動的な低減をもたらすために使用することができ、この機能は、（例えばシステムに影響を与える内部又は外部故障の後に）モータ３３の電気的指令が利用できない場合に、フルバック振動制御システムを提供するのに使用することができる。言い換えれば、システムはパッシブシステム又はアクティブシステムとして働くことができる。

図２に示されるように、超過圧力の場合に（すなわち、制御システムが反応できないほど速く大きな外力が加えられた場合に）シリンダ３２の両チャンバ３６，３７間の流体経路をつなぐ、オプションの圧力逃し弁６２，６４設けられる。弁６２は流体が（所定の圧力を超えると）チャンバ３７からチャンバ３６へ通過することを可能にし、弁６４は流体が（所定の圧力を超えると）チャンバ３６からチャンバ３７へ通過することを可能にする。

アクチュエータ２０は、接続される本体、例えばギアボックスの振動の振動数に応じて、アクティブ振動低減装置とパッシブ振動低減装置の両方として働くように設計される。アクチュエータ２０は、ピストン、モータ及びポンプが（その歯車装置と共に）新しい振動数での振動荷重で共振質量として働くため、選択された振動数、例えば１７Ｈｚで最小の電力をモータ３３に供給する必要があるように設計（「調整」）されてきた。支柱１７に伝達される振動数が選択された受動振動数から移動するとき、振動が機体に伝達されるのを防ぐか又は少なくとも低減するために、その振動数を打ち消すようにモータ３３に電力を供給する必要がある。言い換えれば、作動液、ポンプ３５及び電気モータ３３のローター慣性の共振振動数は基本振動数と一致する。油圧シリンダ３２、流体及びポンプ３５は１段ギヤ比として働き、モータ３３慣性は主要共振質量である。

モータ３３によって使用される電力は、動作点を共振振動数から離すだけでなく、アクチュエータにおける摩擦又は他の損失を補償する。このことは、完全なアクティブ振動減衰装置に比べて必要な電力の低下につながる。完全に電動のアクティブシステムは、モータから十分に熱を引き離すために、おそらく強制的な液体冷却及び付加的なポンプ及びラジエータを必要とするため、本発明の電気静油圧アクチュエータは非常に有利である。

本発明は、あらゆるサイズの回転翼航空機に使用でき、その回転翼航空機が経験する力及び振動数に応じて拡大縮小が可能であるため、既知の振動低減システムより有利である。本発明はまた、アクチュエータへの油圧ラインを必要としないので、既存の油圧アクチュエータシステムに比べてメンテナンスを低減し且つ火災リスクを低減する。アクチュエータ２０の「閉鎖」性によって、アクチュエータ２０はメンテナンス又は交換のために容易に取り外すことができる。

本発明の範囲から逸脱することなく様々な修正を行うことができる。例えば、ギアボックス１５と機体１２との間に設けられるアクチュエータ２０の数を変えることができる。当然のことながら、本発明は、励起振動数で相対運動可能なヘリコプター構造のあらゆる部分の間に２０などのアクチュエータを接続することにより、機体１２の振動レベルを低減するのに利用されることができる。

いずれの場合も、センサは好ましくは加速度計２１を含むが、全てのセンサのうちの１つ以上が代替的に力、ひずみ、加速度及び／又は速度のうちの１つ以上を測定することができる。

必要に応じて、本発明は代替的に又は付加的にヘリコプター１０のトルク平衡回転翼１４を含む回転系に適用されることができ、その場合、センシングは回転系１４に取り付けられる。

ヘリコプターにおける使用を参照して本発明を説明してきたが、当然のことながら、本発明の電気静油圧アクチュエータ２０及びそれらの動作方法は、
ａ）第１振動本体が１つのエンジン又は複数のエンジンであり且つ第２本体が船又は大型船の船体である、船又は大型船、
ｂ）第１振動本体がプロペラとギアボックスとエンジンであり且つ第２本体が航空機の機体である、航空機、
ｃ）第１振動本体が内燃機関又はタービンや発電機などの回転子であり且つ第２本体が電源取付構造である発電システム、及び、
ｄ）内燃機関又は他の往復運動機械若しくは回転機械が第１本体において振動を誘発し、接続された第２本体へのそれらの振動の伝達を低減することが望ましい他のシステム
などの他の振動系に適用することができる。

本明細書及び特許請求の範囲で使用される場合、「備える」及び「含む」という用語及びその変形は、特定の特徴、ステップ又は完全体が含まれることを意味する。これらの用語は、他の特徴、ステップ又は構成要素の存在を排除すると解釈されるべきではない。

前述の明細書、又は以下の特許請求の範囲、又は添付の図面において開示され、それらの特定の形態で、或いは開示された機能を実行する手段又は開示された結果を得るための方法若しくはプロセスの観点から表現された特徴は、本発明を多様な形態で実現するために、必要に応じて、別々に、又はこのような特徴の任意の組み合わせで利用されることができる。

Claims (16)

1. 回転系を支持するか回転系によって支持される機体を含む構造体を備え、前記構造体の複数の部分が励起振動数で相対運動可能であるヘリコプターであって、
   前記構造体の相対運動可能な複数の部分の間に接続された複数の電気静油圧アクチュエータと、
   励起振動数に相当する振動数で前記電気静油圧アクチュエータを連続的に振動させるように動作可能な手段と、
   前記回転系及び／又は前記機体の選択された位置に取り付けられ、回転中のそれぞれの前記選択された位置における動的変化を表す信号を生成するように適合された複数のセンサと、
   前記センサからの信号を処理するように適合され、且つ前記電気静油圧アクチュエータによって生じた印加力の位相及び振幅を制御するための出力信号と、前記回転系の動的特性の変化を補償するように前記印加力の位相及び振幅の特性を変化させるための出力信号とを提供するように適合された処理手段と
   を備え、それにより前記機体の振動の全体的なレベルを低減するヘリコプター。
2. 前記回転系は主支持回転翼である、請求項１に記載のヘリコプター。
3. 前記構造体の他の部分に対して運動可能な前記構造体の一部分が、前記回転系のエンジン、トランスミッション、及び支持構造のうちの１つ又は複数の組立体を含む、請求項１又は請求項２に記載のヘリコプター。
4. 前記センサは、力、ひずみ、加速度及び／又は速度の１つ以上を測定する、請求項１に記載のヘリコプター。
5. 前記電気静油圧アクチュエータは各々、シリンダ内に配置されたピストンと、ポンプに駆動接続された電気モータとを含み、
   前記ポンプは、前記シリンダ内での前記ピストンの運動をもたらすために作動液を移動させるように動作可能である、請求項１から４のいずれか１項に記載のヘリコプター。
6. 前記ピストンは、前記ポンプによる作動液の第１チャンバへの移動が前記ピストンの第１方向の運動をもたらすように、且つ、前記ポンプによる作動液の第２チャンバへの移動が前記ピストンの第２方向の運動をもたらすように、前記シリンダを前記第１チャンバと前記第２チャンバとに分割する、請求項５に記載のヘリコプター。
7. 前記電気静油圧アクチュエータは、前記第１チャンバと前記第２チャンバとを互いに接続する流体導管を有し、
   前記ポンプは作動液を前記第２チャンバから前記第１チャンバに向かって又は前記第１チャンバから前記第２チャンバに向かって移動させるために前記流体導管内に配置される、請求項５又は請求項６に記載のヘリコプター。
8. 前記電気静油圧アクチュエータは、前記アクチュエータ内の作動液を加圧するためにアキュムレータ又は柔軟壁を備えたチャンバを有する、請求項５から７のいずれか１項に記載のヘリコプター。
9. 前記アキュムレータは前記モータを含むチャンバに流体接続される、請求項８に記載のヘリコプター。
10. 各電気静油圧アクチュエータの電気モータ及びポンプは前記ピストン及び前記シリンダと一列に並んで配置される、請求項５から９のいずれか１項に記載のヘリコプター。
11. 各電気静油圧アクチュエータの電気モータ及びポンプは前記ピストン及び前記シリンダと並列に配置される、請求項５から９のいずれか１項に記載のヘリコプター。
12. 回転系を支持するか回転系によって支持される機体を含み且つ構造体の複数の部分が励起振動数で相対運動可能であるヘリコプター構造体において振動を低減する方法であって、
    前記構造体の相対運動可能な複数の部分の間に複数の電気静油圧アクチュエータを接続するステップと、
    励起振動数に相当する振動数で前記電気静油圧アクチュエータを振動させるステップと、
    回転中の前記回転系上の複数の位置における動的変化を表す信号を生成するステップと、
    処理手段に前記信号を供給するステップと
    を含み、
    前記処理手段は、前記電気静油圧アクチュエータによって生じた印加力の位相及び振幅を制御するための出力信号と、前記回転系の動的特性の変化を補償するように前記力の位相及び振幅の特性を変化させるための出力信号とを提供するように適合され、それにより前記機体の振動の全体的なレベルを低減する方法。
13. 前記回転系は複数の回転翼羽根を有するヘリコプターの主支持回転翼を備え、前記励起振動数は回転翼通過振動数に相当する、請求項１２に記載の方法。
14. 前記電気静油圧アクチュエータは請求項５から１１のいずれか１項に記載の特徴を有する、請求項１２又は請求項１３に記載の方法。
15. 回転系を支持するか回転系によって支持される機体を含み且つ構造体の複数の部分が励起振動数で相対運動可能であるヘリコプターの構造体の振動を低減する装置であって、
    前記構造体の相対運動可能な複数の部分の間に接続されるように適合された複数の電気静油圧アクチュエータと、
    使用時に励起振動数に相当する振動数で前記電気静油圧アクチュエータを連続的に振動させる手段と、
    前記回転系上の選択された位置で前記回転系及び／又は前記機体に取り付けられるように適合され、使用時に回転中のそれぞれの前記選択された位置における動的変化を表す信号を生成するように適合された複数のセンサと
    を含み、
    更に、前記センサからの信号を処理するように適合され、且つ前記電気静油圧アクチュエータによって生じた印加力の位相及び振幅を制御するための出力信号と、前記回転系の動的特性の変化を補償するように前記力の位相及び振幅の特性を変化させるための出力信号とを提供するように適合された処理手段を含む装置。
16. 前記電気静油圧アクチュエータは請求項５から１１のいずれか１項に記載の特徴を有する、請求項１５に記載の装置。
    

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