DE69019507T2

DE69019507T2 - Redundantes krafthaltesystem eines rotors für einen kurz- und senkrechtstarter.

Info

Publication number: DE69019507T2
Application number: DE69019507T
Authority: DE
Inventors: Martin Lufkin; William Neathery; Madison Robinson
Original assignee: Bell Helicopter Textron Inc
Current assignee: Bell Helicopter Textron Inc
Priority date: 1989-10-13
Filing date: 1990-10-10
Publication date: 1995-10-05
Anticipated expiration: 2010-10-11
Also published as: JP3062700B2; IL95888A0; AU6534390A; EP0448685A4; EP0448685A1; US5059094A; WO1991005702A1; DE69019507D1; EP0448685B1

Description

Technisches Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Systeme zur Befestigung von Hubschrauber-Rotorflügeln an der Nabe eines Hubschraubers und auf das Vorsehen von redundanten Belastungswegen für die Übertragung der Kräfte, die durch das Drehen der Hubschrauberflügel auf die Nabe erzeugt werden.

Hintergrund der Erfindung

Es sind zahlreiche Systeme verwendet worden, um Rotorflügel an der Nabe eines Hubschraubers zu befestigen. Diese Systeme schließen im allgemeinen Klemmeinrichtungen ein. Die Klemmeinrichtungen verbinden den Rotorflügel mit dem Joch. Die Richtungs- und Schubsteuerung der Flügel, wie zum Beispiel die Steuerung der Steigung, erfolgt über die Klemmeinrichtungen. In der Vergangenheit wurden die Klemmeinrichtungen aus Metall hergestellt, wie zum Beispiel aus Stahl und Aluminium. Diese Metalle sind schwer und das Gewicht ist ein Entwurfsparameter, der bei Anwendungen auf Flugzeuge auf einem Minimum gehalten werden muß. Es besteht daher eine Notwendigkeit, eine leichte Klemmeinrichtung aus Verbundmaterial herzustellen.
Bei vielen Anwendungen ist es günstig, daß die Klemmeinrichtungen die Zentrifugalkräfte, die durch die Drehung eines Flügels im Flug ausgeübt werden, auf das Joch übertragen, wobei das Joch unter Zugbeanspruchung gebracht wird und durch die Gestaltung des Joches als ein auf Zug beanspruchter Träger die Biegebeanspruchung verringert wird. Es ist daher günstig, Flügelbefestigungssysteme vorzusehen, die redundante Belastungswege für die Übertragung der Zentrifugalkräfte vom Flügel auf das Joch zur Verfügung stellen, wobei die Schwingungen verringert und die Entwurfskriterien für Festigkeit und Steifigkeit erfüllt werden.
US-A-4,439,106 bezieht sich auf eine Gelenkrotornabe. Darin sind die Lager konzentrisch um eine gemeinsame Spindel angeordnet, an der der Flügel befestigt ist. Ein redundantes System wird durch das Vorsehen eines auf Zug belasteten Bolzens zur Verfügung gestellt, der in der Bohrung der Spindel angeordnet ist, um einen Verlust bei einer Beschädigung der Spindel zu verhindern. Das vorliegende Patent stellt im Grunde genommen eine Doppelspindel dar, d.h. einen Bolzen in einer Hohlspindel, um ein redundantes System zur Verfügung zu stellen. Um eine Beschädigung zu entdecken, sieht das Patent auch eine Sichtkammer vor, um eine visuelle Anzeige der Beschädigung des Primärsystems zu ermöglichen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Haltesystem für die Befestigung eines Hubschrauber- oder Senkrechtstarter-Rotorflügels an einer starren Rotornabe, wie es im beigefügten Patentanspruch 1 definiert ist.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die weiteren Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung, die Patentanprüche und aus den beigefügten Zeichungen deutlicher. Die Zeichungen zeigen in
Fig. 1 eine Explosionszeichnung der Baugruppe der vorliegenden Erfindung und der zugehörigen Nabenbauteile;
Fig. 2 einen Schnitt der erfindungsgemäßen Baugruppe und der zugehörigen Nabenbauteile;
Fig. 3 einen Schnitt des durch die Zentrifugalkräfte belasteten Lagers durch die in Fig. 2 gezeigte Baugruppe;
Fig. 4 eine Ansicht der erfindungsgemäßen Baugruppe und der dazugehörigen Nabenbauteile von oben;
Fig. 5 einen Satz von Schichten der Bänder und des vorgespannten Verbundmaterials;
Fig. 6 einen Schnitt, der die Schicht der Bänder und das Einrichtungs-Material darstellt; und
Fig. 7 eine Auflage der verschiedenen Schichten der Verbundmaterialien auf den Dorn.

Ausführliche Beschreibung

Die vorliegende Erfindung ist in einer dreiflügligen Hauptrotor- Naben-Baugruppe 12 für ein Schwenkrotor-Flugzeug verkörpert. Wie in Fig. 1, 2, 3 und 4 zu sehen ist, umfaßt die Nabe 12 das Rotornabenjoch 18 und die anderen am Mast 14 befestigten Drehsteuerungen. Die Antriebsanlage des Flugzeuges treibt den Mast 14, die Nabe 12 und die Flügel 16 an. Im allgemeinen ist das Joch 18 am Mast 14 befestigt. Die Klemmeinrichtung 20 ist an der Nabe 12 und die Flügel 16 an der Klemmeinrichtung 20 befestigt. Das Steigungshorn 22 ist an der Klemmeinrichtung 20 befestigt, um den Steigungswinkel des an der speziellen Klemmeinrichtung 20 befestigten Flügels 16 zu steuern. Die Klemmeinrichtung 20 ist so ausgelegt, daß der gewünschte Belastungsweg erreicht wird, um, bei Erfüllung der gewünschten Festigkeits- und Steifigkeitskriterien, die Zentrifugalkräfte aufzunehmen.
Bei der vorliegenden Erfindung ist der Flügel 16 an einem Gabelkopf 24 der Klemmeinrichtung 20 mittels eines Flügelbolzens 26 befestigt, der sich durch die Flügelbolzenlöcher 25 in den Gabelkopflaschen 28 erstreckt. Wenn die Nabe 12 gedreht wird, übt der Flügel 16 über den Flügelbolzen 26 eine Zentrifugalkraft auf die Gabelkopflaschen 28 aus. Wie bereits vorher bemerkt, ist es günstig, diese Kraft zu der die Belastung tragenden Gabelkopfkehle 30 zu leiten. Wenn sie nicht zur die Gabelkopfkehle 30 geleitet ist, wird die Kraft von selbst entlang der Länge der Klemmeinrichtung geleitet. Bei richtiger Lage des Faserwindungsmaterials in der Klemmeinrichtung, das die richtige Ausrichtung aufweist, kann die Belastung jedoch zur die Gabelkopfkehle 30 geleitet werden. Das erfolgt durch die Bänder 34, die Faserwindungen 36 und die Füllstofflagen 33, die in der Klemmeinrichtung 20 dicht am Gabelkopf 24 angeordnet sind.
Die Bänder 34 und die Faserwindungen 36 bilden das Mittel, durch das die Zentrifugalkraft vom Flügelbolzen 26 auf die Gabelkopfkehle 30 geleitet wird. Die Bänder 34 sind ein Zug von bipolaren Windungen eines Einrichtungs-Kohlenstoffmaterials, das mit Epoxydharz imprägniert ist (hierin nachfolgend mit "Kohlenstoff/Epoxydharz" bezeichnet), wie zum Beispiel E773/IM6 oder E773- 2/IM6. Diese Materialien können in vorimprägnierten Rollen von spezifisch ausgerichtetem Material, in vorimprägnierten Spulen von gewebtem Material oder als breites Webmaterial mit Zwischengewebe erhalten werden. Die Bänder 34 können jedoch aus mit Epoxydharz imprägniertem Glasfasermaterial (hierin nachfolgend mit "Glasfaser/Epoxydharz" bezeichnet) hergestellt sein. Die Faserwindungen 36 sind im allgemeinen Kohlenstoff/Epoxydharz- Webmaterial, das unter einem Winkel von ± 45º auf die Klemmeinrichtung gewickelt ist. Die Ausführung der vorliegenden Erfindung sieht je nach den gewünschten Kennwerten für den Gabelkopfteil 24 sechzehn Schichten von Bändern 34, zwanzig Schichten Faserwindungen 36 und sechzehn Schichten von Füllstofflagen und zahlreiche Einrichtungs-Füllstoffe 41 vor. Fig. 4, 5 und 6 zeigen Bänder 34 und Einrichtungs-Füllstoffe 41, die aus Kohlenstoff/Epoxydharz hergestellt sind und die aus Glasfaser/Epoxydharz hergestellt werden können. Fig. 5 zeigt eine repräsentative Schicht des für den Aufbau der Klemmeinrichtung 20 verwendeten Materials. Die Bolzenlöcher 25 sind im größeren Ende des Hohlraumes 35 durch die Füllstofflagen 33 während der Endbearbeitung der Aufbauschichten ausgebildet.
Wie in Fig. 2, 4 , 5 und 6 gezeigt, bilden die Bänder 34 im allgemeinen eine Bahn und sind in der Klemmeinrichtung geschichtet, um die Gabelkopflaschen 28 zu bilden. Die Bänder 34 sind durchsetzt mit um ±45º geneigten Faserwindungen 36. Die Füllstofflagen 33 des Kohlenstoff/Epoxydharz-Materials, geneigt um ± 45,º sind an der Innenseite des Bandes 34 im Hohlraum 35 angeordnet und sie verhindern, daß sich das Band 34 unter Belastung verformt. Einrichtungs-Füllstoffe 41 bilden den größten Teil der Klemmeinrichtung 20 mit dazwischen angeordneten Faserwindungen 36. Die Kraft tritt in die Gabelkopflasche 28 als Zugkraft ein und wird als solche über die Bänder 34 übertragen. Die Kraft wird darauf durch die Faserwindungen 36 über die Harzbindungen zwischen den Schichten übertragen. Mit einer Schräge von ± 45º richten die Faserwindungen 36 die Kraft auf den Ansatz der Klemmeinrichtung 31 und schließlich auf die Gabelkopfkehle 30. Die Faserwindungen 36 mit der richtigen Ausrichtung leiten dadurch die Kraft nach außen über den Ansatz 31 in die Gabelkopfkehle 30, und nicht entlang der Länge der Klemmeinrichtung 20. Die Ausrichtung der Faserwindungen kann reguliert werden, um die gewünschte Festigkeit und Steifigkeit zu erhalten.
Wir beziehen uns nun auf Fig. 7. Ein Innendorn 32 wird verwendet, um die Schichten aufzubauen, aus denen die Klemmeinrichtung 20 besteht. Die Klemmeinrichtung 20 ist aus den Einrichtungs- Bändern 41, den Bändern 34, den Faserwindungen 36 und den Füllstofflagen 33 aufgebaut, wobei die Hülse 78 aus den Einrichtungs-Bändern 41 und den Faserwindungen 36 besteht (siehe Fig. 1 und 5). Um die Faserwindungen 36 auszurichten, wird der Dorn 32 gedreht, während die Spulen der Kohlenstoff/Epoxydharz-Gewebegänge entlang der Achse 37 bewegt werden, wobei das Material auf die Schichten aufgetragen wird, die sich auf dem Dorn 32 befinden. Die Faserwindungen 36 werden unter einem Winkel von ± 45º auf die Klemmeinrichtung aufgetragen. Die ± 45º-Ausrichtung wird in Bezug auf die Achse 37 des Dorns 32 eingehalten. Es ist natürlich klar, daß sich bei einer Veränderung des Querschnitts der Klemmeinrichtung von einem zum anderen Ende, die Ausrichtung der Faserwindungen 36 ebenfalls verändern wird. Weiterhin ist es vorteilhaft, die Schichten zusammenzupressen, wenn die Schichten aufgebaut werden. Das kann durch Umschließen des Dorn 32 mit Plaste und Aufbringen eines zeitweiligen Vakuums je nach der Anzahl der Schichten und dem gewünschten Kompaktheitsgrad erfolgen. Das wird, wiederum in Abhängigkeit von den gewünschten Eigenschaften, im allgemeinen regelmäßig durchgeführt, wenn die Schichten aufgebaut werden. Nachdem alle Schichten gebildet sind, wird der Innendorn vor dem Aushärten entfernt. Die Klemmeinrichtung wird in einer Gußform angeordnet und anstelle des Dornes 32 wird eine aufblasbare Tasche eingesetzt, um die Form des Teils zu erhalten, indem die unausgehärtete Klemmeinrichtung gegen die Umrisse der Gußform gedrückt wird. Die Klemmeinrichtung wird dann in einer geeigneten Zeit unter passenden Bedingungen, je nach den verwendeten Materialien ausgehärtet, wobei die Bedingungen und die Zeit von der geforderten Steifigkeit und Festigkeit sowie von der Größe des Teils abhängen. Nachdem die Klemmeinrichtung ausgehärtet ist, kann die Endbearbeitung des Teils durchgeführt werden.
Mit der spezifisch so aufgebauten Klemmeinrichtung 20, daß die Zentrifugalkräfte zur Gabelkopfkehle 30 geleitet werden, muß die Last von der Gabelkopfkehle 30 zum Joch 18 übertragen werden. Die auf die Gabelkopfkehle 30 wirkende Kraft wird über die Zentrifugalkraftübertragungsbaugruppe 38 und die Zentrifugalkraftaufnahmebaugruppe 48, die an der am Ausleger 65 des Jochs 18 befestigten Außen-Steigungsveränderungs-Lagerbaugruppe 56 angebracht sind, übertragen und dadurch das Joch 18 unter Zugbeanspruchung gehalten. Spezifisch ist die Zentrifugalkraftübertragungsbaugruppe 38 ein Hohlzylinder 40 mit gekrümmten Anbauteilen 44 (von denen nur eines gezeigt ist), die sich von den gegenüberliegenden Seiten des Zylinders 40 senkrecht zur Achse des Zylinders 40 erstrecken. Im Zylinder befinden sich die Ansätze 54 und 76. Die Zentrifugalkraftübertragungsbaugruppe 38 ist in der Gabelkopfkehle 30 angeordnet, so daß sich die Anbauteile 44 auf den Radius 46 der Gabelkopfkehle 30 stützen. Die Anbauteile 44 weisen eine solche Größe auf, daß sie zum Radius 46 passen. Sie bilden einen Sitz, durch den die Zentrifugalkräfte durch die Gabelkopfkehle 30 zur Zentrifugalkraftaufnahmebaugruppe 48 geleitet werden. Die Zentrifugalkraftaufnahmebaugruppe ist in Fig. 2 und 3 dargestellt. Die Zentrifugalkraftaufnahmebaugruppe besteht im allgemeinen aus einem Gehäuse 50, das ein elastomeres Lager 52 mit einer Bohrung darin umschließt. Das elastomere Lager 52 kann gemäß der Steifigkeit, Festigkeit und der Torsionsbewegung (Steigung), die je nach den durch die rotierenden Flügel erzeugten Zentrifugalkräfte gefordert werden, dimensioniert werden. Die Zentrifugalkraftaufnahmebaugruppe hat ihren Sitz gegen den Ansatz 54 der Zentrifugalkraftübertragungsbaugruppe 38. Die Zentrifugalkräfte werden durch die Zentrifugalkraftübertragungsbaugruppe 38 über die Schulter 54 zur Zentrifugalkraftaufnahmebaugruppe 48 übertragen. Die Außen-Steigungsveränderungs-Lagerbaugruppe 56 weist eine Spindel 58 auf, die sich durch den Zylinder 40 und die Bohrung 53 erstreckt und an der Zentrifugalkraftaufnahmebaugruppe 48 befestigt ist. Die Befestigung erfolgt durch Verschrauben der Halterungen 60 mit dem Ende der Zentrifugalkraftaufnahmebaugruppe 48 mittels der Schrauben 62. Zwischen der Zentrifugalkraftaufnahmebaugruppe 48 und der Halterung 60 ist der geteilte Konussatz 61 angeordnet. Die Spindel 58 erstreckt sich nach hinten zum Joch 18 und ist am Joch 18 durch Verschrauben des Gabelkopfes 64 mit dem Ausleger 65 des Jochs 18 mittels der Schrauben 66, 68, 70 und 72 befestigt. Entlang der Spindel 58 ist ein elastomeres Lager 74 angeordnet. Nach der Montage des Systems befindet sich das Lager 74 im Zylinder 40 der Zentrifugalkraftübertragungsbaugruppe 38 und sitzt am Ansatz 76 der Zentrifugalkraftübertragungsbaugruppe auf. Dieses System bildet den Primärlastweg und hält das Joch 18 unter Zugbeanspruchung. Die Last tritt am Gabelkopf 24 in die Klemmeinrichtung 20 ein und wird über die Zentrifugalkraftübertragungsbaugruppe 38, die Zentrifugalkraftaufnahmebaugruppe 48 und die Außen-Steigungsveränderungs-Lagerbaugruppe 56 zur Gabelkopfkehle 30 geleitet, wodurch eine Zugkraft auf den Ausleger 65 des Jochs aufgebracht wird. Durch diesen Belastungsweg wirkt die Nabe 12 eher der Zentrifugalkraft entgegen, als der Klemmeinrichtung.
Die Buchse 78 der Klemmeinrichtung 20 stellt einen sekundären Lastweg für die Zentrifugalkraft und das redundante Merkmal gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung zur Verfügung. Wenn eine Komponente des primären Lastweges funktionsuntüchtig wird, überträgt die Klemmeinrichtung 20 selbst die Belastung vom Gabelkopf 24 über die Buchse 78 und die Innen- Steigungsveränderungs-Lagerbaugruppe 80 auf das Joch 18. Wie leicht aus Fig. 2 zu ersehen ist, wird die Last auf den Gabelkopf 24 der Klemmeinrichtung 20 aufgebracht. Der primäre Lastweg zum Joch 18 über die Zentrifugalkraftübertragungsbaugruppe 38, die Zentrifugalkraftaufnahmebaugruppe 48 und die Außen-Steigungsveränderungs-Lagerbaugruppe 56 steht nicht zur Verfügung. Daher wird die Last entlang der Klemmbuchse 78 über die Anschlußpunkte 82 und 84, an denen die Klemmeinrichtung durch die Befestigungselemente 81 oder durch andere geeignete Mittel an der Innen-Steigungsveränderungs-Lagerbaugruppe 80 befestigt ist, auf die Innen-Steigungsveränderungs-Lagerbaugruppe 80 übertragen. Die Innen-Steigungsveränderungs-Lagerbaugruppe 80 ist durch den Hohlraum 86 durch die Halterungen 88 und 90 am Joch befestigt. Die Belastung wird über die Anschlußpunkte 82, 84 und die Schäfte 92, 94 der Innen-Steigungsveränderungs-Lagerbaugruppe 80 übertragen. Zwischen den Schäften 92 und 94 und dem Lagergehäuse 98 ist ein Spalt 96 vorhanden. Nachdem die Last durch die Innen- Steigungsveränderungs-Lagerbauruppe 80 übertragen ist, wird der Spalt zum Lagergehäuse 98 hin geschlossen, wodurch das Joch 18 mit der Zentrifugalkraft belastet wird, die vom Flügel 16 erzeugt wird. Dieser sekundäre Lastweg stellt das redundante Merkmal des Haltesystems dar.

Claims

1. Haltesystem für die Befestigung eines Rotorflügels eines Hubschraubers oder Senkrechtstarters an einer starren Rotornabe, wobei das System einen Primärweg für die Zentrifugalbelastung aufweist, bestehend aus:

einem Rotornabenjoch (18);

einer Klemmeinrichtung (20) aus Verbundmaterial mit einem Gabelkopf (24), der Gabelkopflaschen (28) aufweist, einer Buchse (78), die mit dem Gabelkopf verbunden ist, Bolzenlöchern (25) für die Befestigung des Flügels am Gabelkopf über die Gabelkopflaschen (28), einer Gabelkopfkehle (30) neben den Gabelkopflaschen, und Bändern und Faserwindungen (34, 36) aus Verbundmaterial für das Leiten der durch die Flügeldrehung erzeugten Zentrifugalkraft von den Gabelkopflaschen (28) zur Gabelkopfkehle (30);

einer Hohlzylinderbaugruppe (40) mit einer Bohrung dadurch für das Übertragen der Zentrifugalkräfte mit einer ersten und einer zweiten sich radial nach außen erstreckenden Verlängerung (42, 44) für das Einpassen mit der Gabelkopfkehle (30), einem ersten und zweiten Ansatz (54, 76), angeordnet in der Bohrung der Hohlzylinderbaugruppe;

einem elastomeren Lager (52) mit einer Bohrung dadurch, um eine Spindel aufzunehmen;

einem elastomeren Steigungsveränderungslager (48) mit einer Spindel (58) und einem Bolzen-Gabelkopf (64) für die Übertragung der Zentrifugalkräfte;

einem Mittel für die Befestigung der Spindel am elastomeren Lager (48);

Mitteln für die Befestigung des Bolzen-Gabelkopfes (64) am Joch (18);

wobei die Baugruppe (40) in der Gabelkopfkehle (30) angeordnet ist, in die die erste und zweite Verlängerung passen, das elastomere Lager (52) sich in der Hohlzylinderbaugruppe (40) befindet und gegen deren ersten Ansatz stößt, die Spindel (58) des Steigungsveränderungslagers (48) sich durch die Bohrung der Baugruppe (40) und die Bohrung im elastomeren Lager (52) erstreckt und am elastomeren Lager so befestigt ist, daß das Steigungsveränderungslager gegen den zweiten Ansatz (76) der Hohlzylinderbaugruppe (40) stößt; und

eine Zentrigugalkraft über den Flügel auf die Klemmeinrichtung (20) ausgeübt wird, wobei die Kraft durch die Bänder (34) und die Faserwindungen (36) über die Baugruppe (40), das elastomere Lager (52) und das Steigungsveränderungslager (48) zur Gabelkopfkehle (30) geleitet wird und dadurch das Joch (18) auf Zug beansprucht.

2. System nach Anspruch 1 mit einem zweiten Lastwegsystem, weiterhin bestehend aus

einem elastomeren Innen-Steigungsveränderungslager (80) mit einem Gehäuse (98), das gegen das Joch (18) stößt, Mitteln für die Befestigung der Klemmeinrichtung (20) am elastomeren Innen-Steigungsveränderungslager (80) und am Joch (18), einer Paßfläche (86) am Joch (18) neben dem Gehäuse (98), einem Spalt zwischen der Paßfläche (86) und dem Gehäuse (98); und

sich der Spalt (96) schließt und das Gehäuse (98) des Innen-Steigungsveränderungslagers (80) mit dem Joch (18) zusammenpaßt, wenn die Zentrifugalkraft auf das Innen-Steigungsveränderungslager (80) aufgebracht wird und dadurch die Zentrifugalkraftbelastung auf das Joch (18) übertragen wird.