DE2749775A1 - Elastisches kugelgelenk - Google Patents

Description

Elastisches Kugelgelenk

Die Erfindung betrifft ein elastisches Kugelgelenk mit zwei Endteilen, die durch einen Stapel aus sich abwechselnden miteinander verbundenen Schichten aus weichem Material, insbesondere Elastomer, und aus einem widerstandsfähigen Material, insbesondere Metall, verbunden sind.

Die Erfindung findet insbesondere Anwendung bei Gelenken, die ein Rotorblatt eines Hubschraubers mit dem Rotorkopf verbinden.

Das Hauptproblem bei derartiger Gelenken ist ihre Lebensdauer. Diese Gelenke müssen den Blättern eine durch die Auslenkung, den Luftwiderstand und die Trimmlage bedingte Bewegung gestatten und müssen die durch cie Fliehkraft an den Blättern

bedingten Druckkräfte und die durch den Luftwiderstand der Blätter eingeleiteten seitlichen Kräfte aufnehmen.

Hun wird aber ein Elastomer unter der Wirkung der hin- und hergehenden bewegungen der Rotorblätter zerstört.

Ls wurde versucht, die Lebensdauer der Gelenke dadurch zu erhöhen, daß ihnen eine Form und Abmessungen erteilt wurden, die eine optimale Verteilung der Belastungen ermöglichten, denen sie ausgesetzt sind. Diese Lösung hat jedoch eine nur beschränkte Bedeutung in Anbetracht der Anforderungen im Hinblick auf die axiale, radiale und Torsionssteifheit der Gelenke. Ls ist insbesondere erforderlich, eine beschränkte Torsionssteifheit einzuhalten, da sie insbesondere die Kräfte beeinflußt, die das Steuersystem (Ausrichtung der Blätter) liefern muß.

Aufgabe der Lrfindung ist daher die Schaffung eines Kugelgelenks, insbesondere zur Verbindung eines Rotorblatts eines Hubschraubers mit dem Rotorkopf, das gegenüber den vorhandenen Gelenken eine wesentlich erhöhte Lebensdauer hat, ohne daß es einen größeren Plattbedarf benötigt oder die Torsionssteifheit verändert.

Dies wird bei einem Kugelgelenk der eingangs angegebenen Art erreicht durch wenigstens einen Raum, der mit einem inkompressiblen Fluid gefüllt ist und sich zwischen den beiden Endteilen ohne Zwischenschaltung eines Elastomers erstreckt.

Auf diese Weise wird die Drucksteifheit erhöht, während die Torsionssteifheit nicht erhöht wird.

Für den Fall der Anwendung bei einem Rotorblatt eines Hubschraubers hat das Gelenk dann eine erhöhte Lebensdauer, da

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es die durch die Fliehkräfte bedingten Druckkräfte besser aufnehmen kann.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß das inkompressible Fluid in einem zentralen Raum untergebracht ist, der an den Enden durch die Endteile und an den Seiten durch den Stapel begrenzt ist.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der Raum durch Ausnehmungen gebildet wird, die in den Gummischichten eingearbeitet sind und miteinander durch Kanäle in Verbindung stehen, die in den Metallschichten ausgebildet sind.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht der Verbindung zwischen dem Blatt eines Hubschrauberrotors und dem Rotorkopf;

Fig. 2 einen Schnitt eines bekannten Kugelgelenks; Fig. 3 einen Schnitt eines Kugelgelenks nach der Erfindung;

Fig. 4 und 5 Schnitte weiterer AusfUhrungsfonnen des Kugelgelenks nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein Blatt 10 eines Hubschraubers, das mit einem durch seine Ach*· 11 schematiech dargestellten Rotor durch eine Verbindung verbunden ist, die zwei Bügel 12 und 13 aufweist, die in zwei zueinander senkrechten Ebenen gelegen und durch ein Kugelgelenk 14 miteinander verbunden sind. Der Bügel 12 ist an hinteren Ende des Blatts 10 befestigt, während der Bügel 13 am Rotorkopf befestigt 1st.

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Das Kugelgelenk 14 enthält in bekannter Weise zwei Endteile 15 und 16, die durch einen Stapel 17 aus abwechselnden Elastomerschichten 18 und Metallschichten 19, z.B. aus Naturgununi bzw. nichtrostendem Stahl, miteinander verbunden sind, vgl. Fig. 1 und 2. Die Schichten 18 und 19 haben die Form einer Kugelkalotte und schließen ein und denselben festen Winkel ein. Das Kugelgelenk 14 hat eine Symmetrieachse 20, die normalerweise zur Achse des Rotors etwa senkrecht steht.

Das Kugelgelenk 14 gestattet durch die Auslenkung, den Luftwiderstand und die Trimmlage bedingte Bewegungen des Blatts 10 (Pfeile ^, f₂ bzw. f₃ der Fig. 1) . Dieses Kugelgelenk nimmt die auf das Blatt wirkenden Fliehkräfte F und die durch den Luftwiderstand T des Blatts bedingten seitlichen Kräfte auf.

Zur Optimierung der Verteilung der im Kugelgelenk erzeugten Spannungen ist es bekannt, ihm dadurch eine besondere Form zu erteilen, daß in der gesamten Dicke des Stapels eine konische oder kegelstumpfförmige Ausnehmung 21 ausgebildet wird, die eine Achse 20 als Symmetrieachse hat und deren Durchmesser ausgehend von der äußeren Schicht des Stapels zur inneren Schicht abnimmt, die mit dem Endteil in Form eines Kugelzapfens 15 verbunden ist. Diese Ausnehmung 21 ist mit die Achse 20 aufweisenden Bohrungen 22 und 23 verbunden, die in aen Teilen 15 und 16 ausgebildet sind.

Wie oben angegeben, besteht das durch die Erfindung verfolgte Ziel in der Erhöhung der Lebensdauer eines derartigen elastischen Kugelgelenks.

Fig. 3 zeigt ein elastisches Kugelgelenk 25 nach der Erfindung mit einer wesentlich erhöhten Lebensdauer.

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Dieses Kugelgelenk unterscheidet sich vom Kugelgelenk 14 dadurch, daß die Ausnehmung einen mit einem inkompressiblen Fluid gefüllten Raum 26 bildet.

Der fluidgefüllte Raum 26 ist an seinen Enden durch Stopfen 27 und 28 verschlossen, die in die Bohrungen 22 und 23 eingeschraubt sind. Beim dargestellten Beispiel ist der Raum 21 kegelstumpfförmig und hat einen Durchmesser, der von der äußeren Schicht zur inneren Schicht des Stapels hin abnimmt. Selbstverständlich können für diesen Raum andere als kegelstumpfförmige Formen in Betracht gezogen werden.

Das Fluid 26 ist ein inkompressibles flüssiges oder viskoses Fluid, das sich mit dem den Stapel bildenden Materialien verträgt und z.B. aus einem Glykoläther oder einem Silikonöl besteht.

Ls wurden Versuche mit elastischen Gelenken nach Art von Fig. 3 durchgeführt, wobei das Fluid 26 Silikonöl war.

Die Versuche wurden an einem Gelenk mit einem Stapel aus 17 Guromischichten mit einer Dicke von etwa 1 mm und aus 16 Schichten aus nichtrostendem Stahl mit einer Dicke von 0,8 mm ausgeführt. Der Gummi wird aus Naturgummi hergestellt und hat die Shorehärte 40.

Diese Versuche machten eine wesentliche Zunahme der Lebensdauer (12OO bis 2000 Stunden) offenkundig, und zwar durch einen Vergleich mit den bekannten elastischen Anschlägen der in Fig. 2 schematisch dargestellten Art.

Es wurde ebenfalls festgestellt, daß, wenn die axiale Drucksteifheit erhöht war, die anderen Steifheiten im wesentlichen unverändert -bleiben. Auch bleiben die Im Gelenk erzeugten und durch die Bewegungen, insbesondere in Trimmlage, bedingten dynamischen Kräfte unverändert, was für die Steuerung von Bedeutung ist. Auf diese Weise ist die Lebensdauer des elastischen Gelenks nach der Erfindung erhöht aufgrund der Verminderung der in den Gummiechich-

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ten durch die Fliehkräfte erzeugten Druckspannungen. Dieses Gelenk behält jedoch seine dynamischen Eigenschaften bei und führt keine merkliche Änderung für die Steuerung ein.

Lrfindungsgemäß können Verbesserungen ähnlich den oben angegebenen bei weiteren Arten von Gelenken herbeigeführt werden, die einen Stapel von abwechselnden Schichten aus Gummi und Metall oder sogar aus Gummi und nichtmetallischem widerstandsfähigem Verbundmaterial aufweisen.

Ebenso zeigt Fig. 4 sehr scher.atisch einen elastischen kugelförmigen Anschlag 30 mit einem Stapel aus Gummischichten 31 und metallischen Verstärkungseinlagen 32, wobei diese Gummischichten und Verstärkungseinlagen Teile von kugelförmigen, etwa ringförmigen, einander abwechselnden und aneinandergeklebten Flächen sind. Die Endschichten sind mit Teilen 33, 34 verbunden, wobei der Anschlag eine Symmetrieachse 35 aufweist.

Lrfindungsgemäß ist ein Hohlraum 36, der durch die Teile 33, 34 und durch die Innenränder der Gummischichten 31 und Verstärkungseinlagen 32 begrenzt ist, mit einem Fluid 39 gefüllt, das dem Fluid 29 gleichartige Eigenschaften aufweist. Der Raum 36 weist als Symmetrieachse die Achse 35 auf.

Der Anschlag 30 nach der Erfindung weist eine Seitensteifheit auf, die im wesentlichen durch den aus Gummi und Metall bestehenden Stapel bestimmt wird. Die Drucksteifheit in axialer Richtung ist erhöht, während die Torsionssteifheit dank des VorimdcHseins des Fluids gering bleibt.

Fig; 5 zeigt noch eine weitere Ausführungsform eines Anschlags nach der Erfindung, genauer gesagt eines elastischen Anschlags 40 für eine Schubdüse.

Dieser Anschlag 40 besteht «_Us einem stapel von ringförmigen abwechselnden Schichten aus Gummi 41 und Metall 42, die unte-r-

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einander durch Klebstoff verbunden sind. Die Schichten 41 und 4 sind als Kugelflächen angeordnet.

Jede Schicht 41 enthält eine Ausnehmung 46, die in ihrem zentralen Teil ausgebildet und mit einem Fluid 49 gefüllt ist, dessen Eigenschaften denjenigen des oben genannten Fluids 29 entsprechen. Der ganze Anschlag bildet einen Rotationskörper mit der Achse 45 der Schubdüse. Die Ausnehmungen 46 stehen untereinander durch in den Metallschichten gebildeten Bohrungen 4 7 in Verbindung. Die Ausnehmungen 46 sind mit Fluid gefüllt, und zwar ausgehend von einem Kanal 44a in einem (44) der Endteile 43 und 44, zwischen denen der Stapel befestigt ist. Wie in den vorhergehenden Fällen liegt somit ein inneres Volumen vor, das mit einem inkompressiblen Fluid gefüllt ist und sich zwischen den Endteilen 43 und 44 erstreckt.

Der Anschlag 40 ermöglicht aufgrund der Einführung des Fluids 49 in die Ausnehmungen 46 eine merkliche Verminderung des für das Auslenken erforderlichen tetätigungsmoments unter Beibehaltung praktisch derselben axialen Steifheit, verglichen mit einem Anschlag mit einem einfachen Stapel aus sich abwechselnden massiven Schichten aus Gummi und Metall. Das Bezugszeichen 48 bezeichnet einen Betätigung-szylinder der Schubdüse 50.

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Claims (5)

1. WPL ING. R. BEETZ SEN. ■ DIPL-IIIe. K. UWPIKHT
   OR.-ING. R. BEETZ JR. · RA DIPL-PHVl U. HEIDIIICH DR.-ING. W. TIMPE - DIPL-MIG. λ SKCFIKO M * MM Mtmtm U

   96-27.508·?(27.5o9H) 7. Nov. 1977

   30CIETE EUROPEENNE DE PROPULSION, 92800 Puteaux

   Frankreich

   Ansprüche

   Elastisches Kugelgelenk mit zwei Endteilen, die durch einen Stapel aus sich abwechselnden miteinander verbundenen Schichten aus weichem Material, insbesondere Elastomer, und aus einem widerstandsfähigen Material, insbesondere Metall, miteinander verbunden sind,

   gekennzeichnet

   durch wenigstens einen Raum (21; 36; 46), der mit einem inkompressiblen Fluid (26; 36; 49) gefüllt ist und sich zwischen den beiden Endteilen (16, 22; 33, 34; 43, 44) ohne Zwischenschaltung eines Elastomers erstreckt.
2. 2. Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   daß das inkompressible Fluid (26; 36; 49) in einem zentralen Raum (21; 36; 46) untergebracht ist, der an den

   96-(H 11.685 Cas 99)

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   ORIGINAL INSPECTED

   Enden durch die Endteile (16, 22; 33, 34; 43, 44) und an den Seiten durch den Stapel (17) begrenzt ist.
3. 3. Kugelgelenk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

   daß der Raum (21; 36; 46) durch eine in der Mitte des Gelenks gelegene kegelstumpfförmige Ausnehmung gebildet wird,
4. 4. Kugelgelenk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

   daß der Raum (21; 36; 46) durch Ausnehmungen gebildet wird, die in den Schichten aus weichem Material eingearbeitet sind und miteinander durch Kanäle in Verbindung stehen, die in den Metallschichten ausgebildet sind.
5. 5. Anwendung des Gelenks nach einem der Ansprüche 1 bis 4 als Verbindung zwischen einer Rotorschaufel (10) eines Hubschraubers und einem Rotor (11).