JPH02504619A - ローターとその主装置の全作動範囲における振動減少方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ローターとその主装置の全作動範囲における振動減少方法及び装置 発明の背景 本発明はヘリコプタ−等のローターを有する機械装置に関するものであり、より 詳細には、ローターによって機械装置内に生じた振動や応力を減少させるシステ ム及び方法に間するものである。

ヘリコプタ−やその他のプロペラ駆動の航空機を駆動するローターは、ローター を支持する構造内に低周波振動を発生させる。振動はシャフトの回転が始まると きの周波数で起こり、又このシャフトの他の回転数の多くのハーモニクス（高調 波）（ｈａｒ＋ｎｏｎｉｃｓ）でも起こる。このような振動は機体の損傷、乗員 の疲労を引起こし、さらに航空機の最高速度を制限する主要な要因の一つともな る。固定設備のファンやコンプレッサー、船舶用プロペラ等も、同様な振動を発 生させる。

問題となる振動は、重量の不均衡が原因となることも少なくはないが、その主要 な原因としてはフロペラの羽根への不均一な空気抵抗があげられる。エアロダイ ナミクス上の異常は羽根の摩耗、損傷、変形等によって更に助長されていく傾向 がある。

エアロダイナミクスの異常や重量及び剛性配分の異常は通常”トラッキング障害 ”と呼ばれている。不均一な空気抵抗や重量配分によって起こる特徴は、最初に 羽根が不均一にあおられたり撓んだりすることから観察され、この結果、プロペ ラの羽根はそれぞれ異なる”トラック”　（軌跡）を回転するので、このように 呼ばれるのである。しかし、エアロダイナミクス及び不均衡が厄介な形で現れる のは１／ＲＥＶ及びＮ／ＲＥＩＮ勤であり、トラックの逸脱そのものではない。

ヘリコプタ−のローター姿勢を均衡させろために現在用いられている全ての方法 は、少なくとも部分的に、各羽根のトラックを一定にすることに頼フている。し かしながら、このような視覚による方法は、副操縦席に操作像を必要とする大が かりな装置と、かなりの飛行時間を要する経験が必要とされる。さらに、視覚的 方法では、必ずしも回転中の羽根を常に”見る”わけではないので、エアロダイ ナミクスによる完全な姿勢を実現することは期待できない。

重量不均衡に対するローターの機械的な均衡は、多くの場合、単一の加速度計及 びシャフト位相参照センサーで実現することができる。しかし、このような技術 では、不均衡な空気抵抗は完全には分析、修正することができない。このような 回転の円滑化を行うためのその他のこのような技術には、１個から４個の加速度 計を組合わせた視覚によるトラッキングを用いているものもある。現在知られて いるローター円滑システムは全て、振動データを処理する際、信号の解釈に固有 の曖昧さを残したまま行っている。このような曖昧さは、同時に処理されるチャ ンネルの数が、与えられたポイントで並進（ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎａｌ）加速 度成分と回転加速度成分とを分離するのに充分な数ではないために起こるのであ る。従って、ローターの異常に反応するヘリコプタ−の（特にローター支持部に おける）動作は現在のシステムでは、不完全にしか特定されない。さらに、現在 のシステムでは各異常に関連した運動フーリエ係数から必要な修正（１１を引き 出すことができない。

従って、本発明の主要な目的は、検知入力手段として、ローター支持構造内の振 動″測定装置とシャフト位置測定装置のみを用いて、機械装置のローターの全作 動範囲における振動を最小限に抑えるシステムと方法を提供することにある。

本発明の別の目的は、エアロダイナミクス的に生じた振動も機械的に生じた振動 も共に抑えることによって、機械装置のローターの全作動範囲における振動を最 小限に抑えるシステムと方法を提供することにある。

本発明のさらに別の目的は、モニターと修正値の計算を継続して行い、ローター の全作動範囲における振動を最小限に抑えるシステムと方法を提供することにあ る。

本発明の別の目的は、いかなるタイプのローターにおいても、その支持構造の反 応の全特性の割出しを通して、エアロダイナミクス的及び機械的な不均衡を計算 し、ローターの構造の詳細な力学的形状を算出することによって、ローターの全 作動範囲における振動を最小限に抑えるシステムと方法を提供することにある。

本発明のさらに別の目的は、ローターの支持構造の運動を機械的に調整した結果 を測定・計算することを通して、ローターのセツティングを必要に応じて変化さ せる指令を出すことによって、ローターの全作動範囲における振動を最小限に抑 えるシステムと方法を提供することにある。

本発明の別の目的は、ユーザーが、羽根のセツティングを調整し、構造への影響 を記録・解析した比較実験の１１正アルゴリズムを使用することによって、ロー ターの全作動範囲における振動を最小限に抑えるシステムと方法を提供すること ここある。

発明の要約 本発明の機械装置におけるローターの全作動範囲における振動を最小限に抑える システム及び方法は、１つ、あるいは１連の変換器を含んでおり、ローター支持 構造の動作の自由度は６次まで分解される。１つの実施例では、変換器は構造の 重心近くに位置する６自由度加速度計である。（支持構造の伸張運動及び回転運 動の特性を完全に明らかにするために、ひずみゲージを使用しても良い、）運動 変換器に加えて、シャフト位置参照センサーがローターのシャフト、あるいはロ ーター支持構造に接続されている。

信号処理Ｂ置が変換器及びシャフト位置参照センサーからの信号を受は取って、 各自由度での運動に基づいてフーリエ係数を算出する。システムは、解析モデル あるいは経験的に演鐸されたデータを用いて、各ローター調整の結果としての加 速度（ひずみ）のフーリエ係数を算出する。このシステムと方法はさらに、分析 による又は計算による最適化方式を採用しており、ユーザーによって特定な基準 を満足させるためのローター調整の組合せを計算できるようになっている。この 最適な絹合せが適当な調整を指定する際に用いられる。

本発明の、これらの、あるいはその他の目的及び特徴は、続く詳細な説明を、添 付した図面と共に理解すれば明らかになるであろう。なお、図面では、対応する 同一の参照番号は他の図面内の同一番号の対応部分を同じく指すものである。

図面の簡単な説明 第１図は、本発明のシステムの主要部分を示す簡略模式図である。

第２図は、第１図に示されたシステムを採用したヘリコプタ−の平面図である。

第３図は、本発明の一実施例に使われる６つの１自由度加速度計の一般的な位置 を示す簡略図である。

第４図は、本発明のもう一つの実施例に使われる１つの３軸加速度計と３つの１ 自由度加速度計の位置を示す簡略図である。

第５図は、ヘリコプタ−の重心の３つの座標軸を示す図である。

第６図は、第１図に示されたシステムの信号処理装置器とポストプロセッサーの 簡略機能図である。

好適実施例の詳細な説明 本発明のシステム及び方法の以下の詳細な説明は、加速度の測定について記載す る。ここで使われる加速度とはローターによって支持構造に及ぼされる力及びモ ーメントを表している。

これは、説明の対象となる実施例（ヘリコプタ−）では、加速度を測定すること が、ローターによる力及びモーメントを測定するのに適当な手段だからである。

別の状況では、力及びモーメントの測定には他の手段、例えば支持構造に力のひ ずみゲージを取付けて使用する等の方法がより適当であるかもしれない。

本発明のシステム及び方法では、同一ヘリコプタ−（もつと一般的には、ロータ ー支持構造）の振動スペクトルを分析することによって、ローターの姿勢保持及 び均衡を行うのである。

この姿勢保持及び均衡を達成するために、システムにはシャフト位置指示器とロ ーター支持構造を６自由度に分解する１つ又は複数のセンサーが必要とされる。

好適な一実施例においては、これらのセンサーは加速度計であり、別の実施例で は、ひずみゲージである。加速度計とひずみゲージを朝合わせて用いることも可 能である。複数のローターを用いる機械装置では、追加の運動センサー及びシャ フト位置指示器が必要であろう。以下の説明では、このシステムと方法は単一ロ ーターのヘリコプタ−に適用されているものとして説明するが、他の１つ又はそ れ以上のローターを含む機械装置に用いてもよい。

このシステムは種々の運転状況において、回転に起因する振動のフーリエ係数に 基づいてシャフトの位置を計算する。この係数は操作者が選んだパラメーター値 と結び付けられてフロッピーディスク内に記憶されている。このシステムはヘリ コプタ−のローターのエアロダイナミクス的及び機械的パラメーターの特定値を 利用してデータを処理し、必要な修正動作を指令する。このシステム設計の理念 としては、各特定のヘリコプタ−には専用のフロッピーディスクがあり、そのヘ リコプタ−が使用されている間はそのヘリコプタ−用として使われる。従って、 続き番号のつけられた各ヘリコプタ−は、そのヘリコプタ−の振動を時間の経過 とともに記録したデータベースを有しており、飛行テストの状況やメインテナン スの実施に関する情報と共に記録しである。さらに、同一型のヘリコプタ−につ いてのさらに大きなデータベースを機外に保管し、メインテナンスの流れと動作 をモニターして、そのタイプのヘリコプタ−全体として有効性を改善することも できる。

本発明のシステム及び方法の核心部分は、ローターの各修正（調整）に基づいて ローター支持部の動作を決めることのできる能力にあり、これは”調律”された 特定タイプのローターにおいて可能である。システムはローターの振動に間する 入力を受け、そこからある特定のローターに通用すべき修正の最適な組合せを決 定する。

本発明を含めほとんどのローターシステムでは、振動を減少させるためにロータ ーに施される調整として、いくつかの種類のものを用いることができる。

１、羽根のピッチリンクの長さを変化させることにより、各羽根の侵入角度をそ れぞれ独自に調整する。

２、各羽根の後縁における一つ又は複数のタブ又は部分を折り上げ又は折り下げ る（一般に、タブを下方に折り曲げると羽根の後縁を引き上げるエアロダイナミ クス縦モーメントが生じ、羽根それ自体は下方に撓む。又、上方に折り曲げると 逆が起こる。）。

３、羽根や、ハブ部分の様々な場所に小さな錘を加える。

第１図に示すようにシステム（１０）は信号調節器（４２）、信号装置（６０） 、及びポストプロセッサー（８０）を含んでいる。このポストプロセッサー（８ ０）はデータ取得と信号処理装置（６０）によって供給されるデータに基づいて ローターのｗｆＪ整の最適組合せを算出し、ローターのその回転数での振動を最 小限に押さえるので、ここでその働きについて説明することは本発明の全容を理 解するのに役立つであろう。

ポストプロセッサー（８０）による信号処理の詳細について説明する前に、説明 に使われる用語の解説をする。第２図については、ローター（１４）を有する典 型的なヘリコプタ−（１２）が上方から描かれている。ローターの一つの羽根（ １６）が基準となる羽根として取り上げられている（どの羽根を選択するかは重 要ではない。）各羽根は基準となる羽根の番号０から始まって、回転方向に１つ ずつ増えていくように番号がつけられている。第１図に示されるような４枚羽根 のローターの場合は、羽根には０から３までの番号がつけられ、これを一般的に 表すと、羽根の枚数をＢとすれば、羽根の表示は０からＢ−１まであることにな る。基準となる羽根の位置は羽根自体とローターハブ（２０）の後部の胴体（１ Ｂ＞の中心線（１６）とで形成される方位角ψで規定される０羽根は等間隔に配 置され、それらの位置は、ψ＋ｂ△で表され、ここで△＝２π／Ｂ　は、羽根の 間隔の角度であり、ｂは羽根の表示番号である。

ローターが回転すると、角度中は大きくなる。完全に一回転すると、ψは２πラ ジアン即ち３６０°増えることになる。

ローターの回転数は（通常エンジン調速機で制御されるが、）はとんど一定とい っても良いので、方位角中は時間に比例することになる。もし回転数をΩで表す とすれば、ψ＝Ωｔ　となる。

このような方位角と時間との単純な関係の結果、ψは「無次元の」時間の尺度と して用いることができる。羽根の運動とローターの力は、通常時間の関数として 考えられるのでψの間数として表現できる。

信号調節器（４２）は、６チヤンネルの加速度計データを受取り、信号処理装置 （６０）は、データを分解して、ローターの回転数とそのいくつかのハーモニク スにおけるフーリエ成分（振幅と位相）とする０位相は、ローターシャフトに取 付けられた位置センサーによフて決定される。このデータは、ポストプロセッサ ー（８０）によって修正され、ゼロ位相角がψ＝０に対応するようにする（基準 となる羽根が後部胴体中心線（１６）の真上に位置した状態、）。

基準となる羽根のユニット調節（タブを１°反らせたり、羽根の侵入角度を１” 変化させるピッチリンク調節等）による加速の増加分のフーリエ成分（振幅と位 相）も必要である。このデータは本発明のシステムを使って上記した調整を組織 的に行いフーリエ係数を変化させた飛行テスト、又は分析から得られ、このデー タは各特定のヘリコプタ−及び操縦状況に特定のものとなる。このデータから（ これは基準となる羽根に施されたユニット調節に間するデータである。）他の羽 根に施された同様な調整により生じた加速度も計算できる。ローターシステムの 動的モデルに基づいて、測定された加速度を最も良く取り消す（即ち、振動を最 小にする）特定な組合せの調整が計算される。

関連する手順の説明を簡単にするために、今後はただ１種類のローター羽根調節 、即ち後縁タブ設定、とただ１つの滑行条件のみを考慮した例について説明して いく。基準となる羽根の後縁の下方への１°の湾曲によって生ずるローターハブ （２０）での加速は間数Ｔ（ψ）で表現できる。　（Ｔ（ψ）はベクトル値間数 であり、Ｔ　（ψ）、Ｔ　（ψ）、Ｔ　（ψ）の３つの成ｘ　　　　　ｙ　　　 　　Ｚ 分を持ち、３つの直交する各方向への加速度を表す。）羽根すにおける同様なタ ブの１＠湾曲により生ずる加速度はＴ（ψ＋ｂ△）　となり、ａｂ量の湾曲によ る加速度はとなる。つまり、タブで表すことのできる　ｂ、　　ｂ＝ｏ、　　１ ．　。

Ｂ−１の量の湾曲によって生ずる加速度はとなる。安定した飛行では、Ｔ（ψ） は周期関数であり、ローターによって生じたすべての力はローターの回転する間 隔で繰り返され、その結果、Ｔ（ψ）はフーリエ級数によって表される。

上記の級数の複素指数形式において、表示ｎは正・負をとわず全ての整数を加え たものである。この後、詳細な説明において、加算制限が示されることはないが 、それはこのような無限の加算が意図されているからである。

一般的に言って、このような羽根の調節はローターの回転数において強力な力と モーメントを生み出し、高い周波数においての影響は少ない、上に示した複素フ ーリエ級数では−ｎ＝±１のような成分ｎの場合が最も度合いが大きく、成分表 示が１より大きい又は−１より小さい場合は、ずっと少ない。

このフーリエ級数を基準となる羽根のタブのユニット湾曲に用いると、全ての羽 根に任意のタブ湾曲によって生じる加速度ット（α　；　ｂ＝０．１．、Ｂ−１ ）　　の離散フーリエ変換である。

期は羽根の数Ｂである。タブセツティングα　が実数なので、この性質を数列の 周期と刊合わせると、Ａ　は実数となり（Ｂが偶数の場合）Ａ　　　も実数であ る。

Ｂ／２ する。もし特定のＡ　がＯであれば、タブセツティングα　にｎ　　　　　　　 　　　　　　　　　　ｂよって生ずる増分の加速度についてのフーリエ級数には 、対応する周波数はない０例えば、もし、４枚羽根のローターにおいて、互いに 対向する一組の羽根の後縁タブが同じセッティングをされていたら、関連する羽 根の力及び運動は各回転匍に２回繰り返され、そのローターの回転数において正 味の力は何も生み出されないことになる。

正しい姿勢の取られていないローターで測定された加速度（最小限にすべき振動 ）も、（ベクトル値での）循環間数であり、これも、フーリエ級数で表現するこ とができる。

この級数はデータ取得と信号処理装置から得られたデータを数学的に表したもの である。

タブ湾曲による追加の加速度を含めて、総加速度は目的は、ローターの回転数で の加速度と、羽根の調節で大きく影響されるできるだけ多くのハーモニクスでの 加速度を最小限にすることである。まず最初の目的は、ローター回転数での振動 を減少させるために、上記の方程式のｎ＝１の場合の平均平方（ｍｅａｎ−ｓｑ ｕａｒｅ）値を最小限にする（Ｍｉｎｉｍｉｚｅ）ことである。

もしローターが羽根を２枚しか持たないとしたら、Ａ　は実数となる、この場合 、最適なセツティングは（Ｒｅは”実数”部分を意味する） であり、もし、３枚以上の羽根があれば、Ａ　は複素数となり、タブセツティン グ自体（そこから引き出される周波数マスクに対して）は方程式（５）を解くこ とによって（言葉を変えれば離散フーリエ変換を反転させることよ）て）得られ る。

ｂ　　　　　　ｎ＝ｏ　　ｎ 方程式（１０）又は（１１）において、ローター回転数での振動を最小限にする ための条件ではＡ　のみが決まるにすぎないことに注意しなければならない、タ ブセツティングの完全な定義を得るにはさらに他の条件が必要になる。考慮すべ き明らかな条件はすべてのタブが同じ角度にセットされているわけではないとい うことである。このような配置は羽根の回転数の倍数のみにおいて、例えば、回 転オーダー（０、Ｂ、２Ｂ、、、。

等）で変化させるということである。周波数マスクＡという点ては、これはＡ　 　＝０　　を求めるのと同じことである。

４枚以上の羽根を持つローターについてはさらに別の条件が必要である。このよ うなローターでは、ローターの姿勢を正して振動を減らす機会は（少なくとも理 論上は）ローター回転数の２倍の周波数にあるはずである。しかしながら、ピッ チリンク調節、後縁タブ、羽根への錘、のいずれも第２ハーモニクス羽根力に対 して大きな影響を与えることができないので、この周波数での振動に大きな影響 力を与えるために必要なセツティングをするには、実用には値が大きくなりすぎ てしまう。しかし、ここではこの問題はしばらく無視して、先を続けると、適当 なセツティングは方程式（１０）（１１）の数値を１から２に変えることにより 得ることができる。つまり、４枚羽根のローターでは、Ａ　は実数となり、 となる。又、５枚羽根であれば、　（Ａ　は複素数となり）もし、上記のＡ　値 から計算されたタブセツティングが太きすぎる場合には、回転数の２倍の周波数 での振動を増すことのないいかなるセツティングも代用として用℃）ることがで きる。

０と等しいＡ　は、２倍回転の振動に何の影響も与えないタブセツティングを生 み出すであろう。周波数マスクが決定されると、方程式（１２）から対応する最 適タブセツティングが求められる。より多くの羽根を有するシステムについては 、本発明のシステム及び方法を用いてより大きな周波数での振動を最小限に抑え ることができる。

以上の結果は１種類のローター調整（後縁タブ）及び１種類の飛行条件のみに適 用されるものである。ピッチリンク調節及び羽根への錘の付加も同様に行われる 。考慮すべきことと言えば、これら３セツトの調整が相互に依存し合うことであ る。この相互依存がローター姿勢制御の従来の試みが困難であり、又聞違った方 法となっていた原因であったのである。従来の方法では、１度に１種のみの調整 （例えば、後縁タブ）しか行われていなかった。あるセットの調節は処理の次の ステップで、不調として無効にされるかもしれず、姿勢が良好な状態となる場合 もあり、ならない場合もある調整を繰り返し行う必要がある。

ピッチリング調節と羽根錘の付加、及びその他の機械的な調整は、追加の力（又 は等しい加速度）を生み出すという点では後縁タブ調整と同様であり、この力は 分析的、経験的に決定されてポストプロセッサーへの入力として提供される。ヘ リコプタ−に可能な調整が（１）タブセツティングを変更すること、（２）羽根 の侵入角度を変更すること、　（３）羽根の錘を変更することであり、Ｐ（ψ） を基準となる羽根の侵入角度を１度変更することにより生じる加速度とし、Ｗ（ ψ）を基準となる羽根の特定場所におけるユニット錘の追加又は除去により生じ る加速度とすると、全ての羽根に対する同様な調整又は錘の追加は次のような組 合わされた影響を生み出す。

ω　及びθ　はｂ番目の羽根の侵入角の変更角度及びｂ番目ｂｂ の羽根に加えられた重量である。Ｐ（ψ）とＷ（ψ）は共に周期間数であり、そ の結果、 Ｐ　及びＷ　はＰ（ψ）及びＷ（ψ）のフーリエ係数であり、ｎ　　　　　　　 ｎ Ｂ　とＣはω　及びθ　の離散フーリエ変換であり、ｎｎｂ　　　　ｂ 新しい総加速度は、調節されていないローター及び全ての調整の影響を含め、 以前と同様、回転数における振動を最小限にする（ＭＩＮＩＭＩＺＥ）ための対 象は ３Ｂの独立変数、α　、θ　、ω　があり、ｂ＝ｏ、　　１．　２゜ｂｂ 、Ｂ−１である。最適条件のローター姿勢セツティングを計算するための信頼で きる数式処理がある。（そのような処理の２つの例として、ブロイデン、フレッ チャー、ゴールドファード、シャノー（ＢＦＧＳ）法及びネルダーとメッドのダ ウンヒル　シンプレックス法がある。ニューメリ力ル　リサイブスプレス、ダブ リュ、エイチ、他著、ケンブリッジ大学出版参照。） 上に説明してきたシステム及び方法の実施によっては単に１つの飛行条件でロー ターを調整したにすぎない。１つのスピードで最適なセツティングだからといっ て他のスピードでもそうであるとは一般には言えないので、許容できる妥協点を 決める妥当な手段が必要とされる０本発明では、数々の飛行や操縦条件（例えば 、ホバリング時や、２〜３の前進スピード）での平均平方加速度の付加重量の平 均が出され、その付加重量の平均を最小限にする羽根調整のセットが決められる 。錘はユーザーによって選ばれ、ユーザーの要求を満たすようにすることができ る（どのようなタイプの飛行を最も頻繁にするかによって選ばれる）。最小限に すべき数値は上記された項と同様な項の１次的な組合せであるので、このような 手順の履行は一直線であり、独立変数の数字や定義は同じである。

加速度計センサー列の性能目標は変換加速度ベクトルａｃｍとヘリコプタ−の重 心（ｃｅｎｔｅｒ　ｍａｓｓ、　ｃｍ）の回転加速度ベクれる変換器又はセンサ ーの１列が示されており、それには６つの加速度計と１つのシャフト位置指示器 が含まれている。多くの場合、加速度計は立方体の中に配置されており、以下に 述べる３つの直交する並進加速度及び３つの直交する回転加速度を直接計算でき るように取付けられている。市販の適当な加速度計の例としては、ビブロ・メー ター（Ｖｉｂｒｏ−Ｍｅｔｅｒ　Ｍｏｄｅｌ）　５０７型又は５０８型がある。

変換器の実際の取付けは、ローター支持構造（ヘリコプタ−）に強固に行われな くてはならず、理想的にはヘリコプタ−の重心近くに取付けるのが良い。各加速 度計（又は立方体）のヘリコプタ−の重心に対するＯｒｔ　　ｙ＋　　Ｚ）位置 を知フておく必要があり、各加速度計の感知方向及び感度についても同様に知っ ておく必要がある。さらに、回転（ｔａｃｈ）　　ｒ光点（ｂｌｉｐ）　Ｊのヘ リコプタ−基準フレーム内の位置（０′″〜３６０’　）、ミリセコンド（ｍｓ ｅｃ）単位での「光点」パルス長、必要とされる「光点」電圧レベルも知ってお かなければならない。

第３図に示すセンサー列は、１ｌｉｌずつ取付けられた６つの１自由度加速度計 を用いている。６つの１軸加速度計は強固なフレームの適当な位置に取付けられ 、各加速度計（２つずつのグループ）がその感知軸を基準となる軸のいずれか１ つと平行となるようにしである。各加速度計の位置は次のように特定する。

即ち、 １、強固なフレーム上の任意の適当な場所（例えば、ボルトの頭部）に基準とな る点を取る。もし点がヘリコプタ−の残りの部分との関係での座標を知った上で 選ばれるならば、手Ｉｌｌは簡単になる。より具体的には、基準点と重心の座標 を知っておけば、変換ベクトルｒｒｅｆ／。。が読取り可能に測定できる。

２、この基準点はヘリコプタ−の大域座標系と平行な基準座標系を有することに なり、この基準点から各加速度計の位置のカルテシアン座標（Ｃａｒｔｅｓｉａ ｎ　ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ）が求められる。これらの座標はｒ　　で与え ｂ られ、　ｒｂＪは加速度計の番号をｒｂＪは成分となる軸を表す。

第４図に示されるセンサー列は１つの３軸加速度計（３４）と３つの１自由度加 速度計（３６）を使用している。この配置では３軸加速度計の位置を基準点とし て使っている。３軸加速度計（３４）の出力は基準点の変換加速度ベクトルＡ　 　　を測定するのにｅｆ 十分なものである。

第３図の配置よりも第４図の配置が優れている点は、第４図の配置ではセンサー の位置を少なくてきるという点である。３つの１軸加速度計（３６）の位置も第 ３図に示したセンサー列と同様な方法で決められる。第３図及び第４図に示され る加速度計の配置は単一のフレーム上に位置決めされ、６自由度の加速度計を形 成することになる。このフレームは単−構成要素としてヘリコプタ−に取付けら れている。

いずれのセンサー列を採用したシステムでも、取付けられた加速度計で測定され た加速度ベクトルの大きさは、を表し、Ｋ　は、ｌ＠目の加速度計の修正係数を 表す）で与えｌ られる。基準座標軸は重心座標軸と平行である。基準点から重心までの位置”ク トルは’ｒｅｆ／ｃｍで与えられ、その成分は基準点から重心まで測定されたｘ ｒ　ｅ　ｆ　／　ｃ　ｍ’れたベクトルａ　　　及びΩ　　がｒ　　　　　　と 共に使わｒｅｆ　　　　ｃｍ　　　ｒｅｆ／ｃｍれる。ヘリコプタ−についての 重心座標軸は第５図に示される。

第１図に示すシステムの構成について説明すると、信号調節器（４２）は、加速 度計列の６つの加速度計から信号調節器（４２）に入力されるデータを前置増幅 する６つの前置増幅器（４４）を含んでいる。（もちろん、システムにさらに多 くの加速度計が使用される場合は、同数の前置増幅器が必要である）各前置増幅 器（４４）にそれぞれ接続された６つの低域フィルター（４６）はデータをフィ ルターして４００ヘルツ（Ｈｚ）にする。それぞれが各低域フィルター（４６） に接続された６つのステップゲイン回路がデータをＡ／Ｄ変換器（アナログ／デ ジタル変換器）　（５２）の最適操作点に維持しておく。制御装置（５０）がス テップゲイン回路（４８）の操作を制御するために配設されており、利得（ゲイ ン）は、データ取得中は変化することがない。ステップゲイン回路（４８）に接 続されたアナログ／デジタル変換器（５２）は、信号処理装置（６０）に入力す るために、データを１２ビツトに変換する。

好適な実施例において、フィルタリング　パラメータ及びサンプリング　パラメ ータは、全ての別名（ａｌ　ｉａｓｉｎｇ）成分が４０ｄＢ　（デシベル）より 大きく、かつ域内でのぶれが±１ｄＢであるように設定されている。サンプル及 びホールド用、Ａ／Ｄ変換器（５２）、及びゲイン制御回路（４８）は、量子化 ノイズを少なくともデジタル化したデータより低い６０ｄＢに維持している。

加速度計列の代わりにひずみゲージその他の運動変換器が用いられている場合に は、必要とされるセンサー信号の前置変換によフてこれらのセンサーが使用でき るように信号変換を変更することも可能である。

回転計（複数でも良い）からの信号はパルス形成フィルター（５４）に送られ、 これによって回転計からの信号はバッファされると共に低域フィルターされる。

ステップゲイン回路（５６りはパルス形成フィルター（５４）からの信号を受取 り、制御装置（５０）と共に信号のステップゲインを制御すると共に、信号は回 転信号の強度及び波形の変化に関係なくサンプルされる。Ａ／Ｄ変換器（５８） はデータを変換して信号処理装置（６０）に入力するのに適した形にする。

好適な実施例では、信号処理装置（６０）はデジタルフィルター（６２）を含ん でおり、入ってくるデータを全てフィルターする。

デジタルフィルターの他にも、信号処理装置（６０）は汎用マイクロプロセッサ （６４）、浮動小数点処理装置（６６）、メモｌバ６８）、種々のインターフェ イスを含んでいる。好適な実施例においては汎用マイクロプロセッサとして、信 号変換器の制御、ホストコンピュータやラップトツブコンピュータへの接続、高 級言語の使用が可能なモトローラ６８０１０、及び関連の６８８８１浮動小数点 処理装置を用いている。操作ソフトウェア−は、イーピーロム（ＥＰＲＯＭ）に 常駐である。メモリ（６８）は１００回転までのデータの周期をバッファし、処 理し、出力するのに十分な容量があることが望ましい。さらに、処理ソフトウェ ア−のデータ、中間データ、バッファされたデータを保持する必要がある。制御 装置は入力信号変換インターフェイス、出力変換インターフェイス、及びポスト プロセッサーインターフェイスを含んでいる。信号処理はアレイ処理装置で行う こともてきる。

ポストプロセッサー（８０）は、ヘリコプタ−内に持ち込めるラップトツブのコ ンピューターシステム（例えば、ガリトライト（商標）システム）が望ましいく しかし、単一の処理装置と完全に一体になったものでも構わない）。このポスト プロセッサーには、最低限、１）メモ’）、ＣＰＵ及びサポート　ハードウェア ー、２）ディスプレイ（表示器）、３）キーボード、４）フロッピー　ディスク 駆動装置、５）信号処理装置インターフェイス、６）１ｓ続した日時、７）プリ ンタインターフェイスが必要である。ポストプロセッサーは、電池で作動しデー タ収集のための飛行中に充電の必要のないものでなければならない。

このシステムにおける信号処理装置（６０）とポストプロセッサー（８０）との 間の様々な機能は第６図に示されている。信号処理装置の主要な機能は、１）デ ータ取得及び信号処理、２）修正（ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ）　、３）自己テス ト、４）データ分析である。

ポストプロセッサーの主要な機能は１）データ管理、２）最適条件ローター調整 を決定するアルゴリズムの実行、３）操作者とのインターフェイス及びコミュニ ケーションである。

信号処理装置（６０）によって行われるデータ分析と信号処理の主要な機能は、 上記したように、ヘリコプタ−のローターの選択された回転の数におけるフーリ エ係数を得ることである。フーリエ係数は基本となる１／ＲＥＶの選択された数 のハーモニクスでも算出することができる。これらの係数（大きさと位相）はそ の後、選択した周期において任意に平均値を出し、保存のためポストプロセッサ ーへ送られる。

上記した運動変換器（センサー列）からのデータの処理に加えて、信号処理装置 はシャフト位置指示器からの信号も処理しなければならない。もし、回転計がシ ャフト位置指示器として使われているならば、シャフト位置を測定するために以 下のような方法を用いることができる。いったんデータが得られたら、回転計の 処理によって最初のＮ回転パルスの正確な発生時が測定される。この処理は以下 の方法で行われる。ここで、ｔ　をサンプル回転信号とし、ｎは順次加算されて 行くものとする。

及び と表され、２には回転パルスと一致するように選択される。さらに しきい値を超えたとき、回転パルスの中心はなり、パルスを離れて行くときには ０より大きくなる。パルス中心でＯを通過する。最も近い回転パルス表示（ｎ　 　）がパルス位置として定義される。この処理は選択した回転の数だけ繰り返さ れる。加速度計のデータはこうしてこれらの位置と一致させて処理される。

もし、Ｎ、、　　ｉ＝１．　　Ｎ　　　　がこれらの位置であるならば、ｌ　　 　　　　ＲＥＶ で求められる。ただし、 ｆｓ　　　　　＝回転計のサンプリング率ａｃｈ ［］ｍ＝　　最も近い整数　−ｍ− 回転計処理では、この後ｎ　に対応するアドレスから始めて順次加速度データを 計算する。

長さを計算する。加速度計処理はその後、各記録長さについて、関連した基本周 波数を計算する。それはで与えられる０ｍはハーモニクスの数を表す入力バラメ ーターであり、ｉは回転表示である。

そして、各回転ごとに処理装置は ｗ＋＝ｏ、１＋、−−＋Ｍ φは位相不均衡であり、 ＥはｌＥｉ≦１／ｆｓ　　　　となる時間オフセットである。

　ＣＣ ｊ＝ＦＴ ｉは時間記録、 ｋはチャンネル表示である。

この方程式は と書き換えることができる。

（３１）の数列を計算すると ｊφ となり、（Ａｅ）　　　は、望ましい出力であり、ｆとＥは回転（ｔａｃｈ）か ら知ることができる。

この処理は次のＮＡ、加速度サンプルでも繰り返される。

（ｆｍ）、の値は異なるＮ、の（ｌ！　（回転周期）によって記録毎に異なるこ とに注意しなければならない。

各回転周期の最後にはフーリエ回数は周波数ごとに独自のものが加えられる。

［ＩＶ　　］、　　ｍ＝ＩＹ　　］　　　　　＋［Ｙ　　］。

軸＋ｋ　　　　ｆ＋ａ　　（ｉ−１）ｋ　　　　　ｆｍ　＋ｋ　　　　　　（３ ２）ただし、ｉ＝回転の数、ｍ＝周波数５、ＩＹ＝総合出力である。

選択されたコヒーラント平均時間の最後には、係数の大きさ及び位相が ｋ　　　　　　　　　ｉｋ で計算される。

これらの成分はその後イ１正され、次に選択されたデータからの係数と独自に平 均される。各周波数（ｆｍ）で、加速度計チャンネルは加算、区別、倍化によフ てローター支持構造の運動を６つの成分に形成する。これが終わると、修正され た平均フーリエ係数はポストプロセッサーに送られて保存される。先に説明した ように、これらの係数は与えられたローター調整による加速度の測定に使われ、 そのような係数の完全なセットはローター支持構造の振動を最小限に抑えるため に最も適当なローター調整の組合せを決定するために使われる。

本発明はその好適な実施例に基づいて説明してきたので、当業者にとっては、こ の他の様々な変更・修正を思い付くであろう。又、上記の説明では、主にヘリコ プタ−の主ローターについて説明してきたが、このシステム及び方法は複数の主 ロータ−、機尾ローター、又は他のタイプの航空機のプロペラ、船舶のプロペラ 、他のタイプの機械装置に使われるファン等にも利用することができる。又、こ のシステムは６つの加速度計又はそのほかの運動センサーを含むものとして説明 してきたが、ローター支持構造の１つ以上の自由度の運動が、ローターの調節に よって影響を受けない、又は、ユーザーの関心とするところではない場合には数 を減らしても構わない。さらに２つ以上のローターを本発明のシステム及び方法 によフて調整したい場合、あるいは、複数のローターが機械的に接続されている 場合は、影響を考慮して、センサーの数及び処理チャンネルを増やしても構わな い、このシステム及び方法は支持構造の弾性変形を考慮して変更しても構わない 。これら全ての変更・修正は添付した特許請求の範囲に含まれるものである。

国際調査報告

Claims (22)

【特許請求の範囲】
1. １．回転羽根が取付けられたローターを含む機械装置における振動及び応力を最 小限にするシステムであって、ローターによって生じるローターの支持構造への 力及びモーメントに対する機械的なユニット調節の影響を計算する手段と、 ローターによって生じる力及びモーメントのそれぞれの３つの成分を測定する手 段と、 前記ローターのシャフトの角度位置を検出する手段と、前記力及びモーメントの フーリエ係数を求めるために、力及びモーメントの成分を測定する前記測定手段 及びシャフトの角度位置を検出する前記検出手段によって設けられた信号を処理 する手段と、 ローターの支持構造における振動を最小限にする最適条件の機械的調節を決定す る手段と、 前記最適条件の機械的調節に基づいて羽根の調節を指令する手段とからなるシス テム。
2. ２．力とモーメントの成分を測定する前記測定手段は適当な位置に配設された６ つまでの加速度計からなり、ローター支持構造の運動を６自由度まで分解する請 求項１記載の機械装置における振動及び応力を最小限にするシステム。
3. ３．力とモーメントを測定する前記測定手段は大体においてローター支持構造の 重心に位置する請求項１記載の機械装置における振動及び応力を最小限にするシ ステム。
4. ４．指令される羽根のセッティング調節は、前記羽根の侵入角度を変えるために 前記羽根のピッチリンクの長さを変更する手段からなる請求項１記載の機械装置 における振動及び応力を最小限にするシステム。
5. ５．指令される羽根のセッティング調節は、前記羽根の後縁のタブ又はある部分 を上下に折曲げる手段からなる請求項１記載の機械装置における振動及び応力を 最小限にするシステム。
6. ６．指令される羽根のセッティング調節は、羽根又はハブの特定の場所に錘を追 加・除去する手段からなる請求項１記載の機械装置における振動及び応力を最小 限にするシステム。
7. ７．機械的なユニット調節の影響を計算する前記計算手段は、調節されていない ローターによって支持構造に生じる力やモーメント及び各タイプの調節の結果と しての力やモーメントを含むローターハブヘの全ての力及びモーメントの測定を 得るための手段からなる請求項１記載の機械装置における振動及び応力を最小限 にするシステム。
8. ８．全ての力及びモーメントの測定を得るための前記手段は▲数式、化学式、表 等があります▼ を計算する手段からなり、 ａｊ＝ある羽根に対してｊ番目になされた調節ユニット値に基づく力／モーメン ト、 Ｎ＝ある羽根に対してなされた調節の数である請求項７記載の機械装置における 振動及び応力を最小限にするシステム。
9. ９．最適条件の機械的調節を決定する前記手段は▲数式、化学式、表等がありま す▼ を最小限にする手段からなり、 ａｎ＝ローターの回転のｎ番目のハーモニクスにおける力／モーメントのフーリ エ係数、 Ａｎｊ＝許可されたローター羽根の調節（ｊ＝ｉ，・・・，Ｎ）のｊ番目のセッ トの離散フーリエ級数のｎ番目の項、 Ｆｎｊ＝タイプｊのユニット調節によりローターに生じた力／モーメントのｎ番 目のハーモニクスである請求項８記載の機械装置における振動及び応力を最小限 にするシステム。
10. １０．請求項１記載のローターを含む機械装置における振動及び応力を最小限に するシステムであって、さらに複数の飛行条件又は操縦条件における力とモーメ ントの平均平方要素の重量付加平均を計算する手段と、前記重量付加平均を最小 限にする最適条件の羽根調節セットを決定する手段とからなるシステム。
11. １１．最適条件の機械的調節を決定する前記決定手段は、▲数式、化学式、表等 があります▼ を計算する手段からなり、 αｂｊ＝指令されたユニット羽根の実際の最適量、Ａｎｊ＝許可されたローター 羽根の調節（ｊ＝１，・・・，Ｎ）のｊ番目のセットの離散フーリエ級数のｎ番 目の項 である請求項１記載のローターを含む機械装置における振動及び応力を最小限に するシステム。
12. １２．複数の羽根が取付けられたローターを含む機械装置における振動及び応力 を最小限にする方法であって、ローターによって生じるローターの支持構造への 力及びモーメントに対する機械的なユニット調節の影響を計算するステップと、 ローターによって生じる力及びモーメントのそれぞれの３つの成分を測定するス テップと、 前記ローターのシャフトの角度位置を検出するステップと、 前記力及びモーメントのフーリエ係数を求めるために、力及びモーメントの成分 を示す信号と前記シャフトの角度位置を示す信号を処理するステップと、ロータ ーの支持構造における振動を最小限にする最適条件の機械的調節を決定するステ ップであって、前記最適条件調節は得られた前記運動のフーリエ係数及び計算さ れた羽根のユニット機械調節の結果から引出されるものであるステップと、 前記最適条件の機械的調節に基づいて羽根の調節を指令するステップとからなる 方法。
13. １３．力及びモーメントの成分を測定する前記ステップは、ローターの支持構造 の運動自由度を６つまでに分解するために、６つまでの加速度計を適当な位置に 配設することからなる請求項１２記載の機械装置における振動及び応力を最小限 にする方法。
14. １４．ローターによって生じる力とモーメントを測定する装置を大体においてロ ーター支持構造の重心に位置されるステップからなる請求項１２記載の機械装置 における振動及び応力を最小限にする方法。
15. １５．指令される羽根のセッティング調節は、前記羽根の侵入角度を変えるため に前記羽根のピッチリンクの長さを変更することからなる請求項１２記載の機械 装置における振動及び応力を最小限にする方法。
16. １６．指令される羽根のセッティング調節は、前記羽根の後縁のタブ又はある部 分を上下方向に折曲げることからなる請求項１２記載の機械装置における振動及 び応力を最小限にする方法。
17. １７．指令される羽根のセッティング調節は、羽根又はハブの特定の場所に錘を 追加又は除去することからなる請求項１２記載の機械装置における振動及び応力 を最小限にする方法。
18. １８．ローターの羽根の機械的なユニット調節の影響を計算する前記ステップは 、調節されていないローターによってローター支持構造に生じる力やモーメント 及び各タイプの調節の結果としての力やモーメントを含むローターへの全ての力 とモーメントの測定を得るためのステップからなる請求項１２記載の機械装置に おける振動及び応力を最小限にする方法。
19. １９．全ての力とモーメントの測定を得るための前記ステップは ▲数式、化学式、表等があります▼ を計算する手段からなり、 ａｊ＝ある羽根に対してｊ番目になされた調節のユニット値に基づく力／モーメ ント、 Ｎ＝ある羽根に対してなされた調節の数である請求項１８記載の機械装置におけ る振動及び応力を最小限にする方法。
20. ２０．羽根の最適条件の機械的調節を決定する前記ステップは ▲数式、化学式、表等があります▼ を最小限にするステップからなり、 ａｎ＝ローターの回転のｎ番目のハーモニクスにおける力／モーメントのフーリ エ係数、 Ａｎｊ＝許可されたローター羽根の調節（ｊ＝ｉ，Ｎ）のｊ番目のセットの離散 フーリエ級数のｎ番目の項、 Ｆｎｊ＝タイブｊのユニット調節によりローターに生じた力／モーメントのｎ番 目のハーモニクスである請求項１９記載の機械装置における振動及び応力を最小 限にする方法。
21. ２１．請求項２０記載のローターを含む機械装置における振動及び応力を最小限 にする方法であって、さらに、複数の飛行条件又は操縦条件における力／モーメ ントの平均平方要素の重量付加平均を計算するステップと、前記重量付加平均を 最小限にする最適条件の羽根調節セットを決定するステップとを含む方法。
22. ２２．最適条件の機械的調節を決定する前記ステップは▲数式、化学式、表等が あります▼ を計算するステップからなり、 αｂｊ＝指令されたユニット羽根の実際の最適量、Ａｎｊ＝許可されたローター 羽根の調節（ｊ＝１，Ｎ）のｊ番目のセットの離散フーリエ級数のｎ番目の項 である請求項１２記載の機械装置における振動及び応力を最小限にする方法。