-
Drehflügelkopf mit einem Kugelgelenk Die Erfindung bezieht sich auf
einen Drehflügelkopf für Luftfahrzeuge.
-
Es ist bei einer bekannten Ausführungsform eines Drehflügelkopfes
für Luftfahrzeuge die Konstruktion so getroffen, daß an dem freien Ende einer Antriebswelle
eine Gelenkkugel beispielsweise durch Verschraubung fest angeordnet ist, die ein
innerer Gelenkteil eines Universalgelenkes ist. Das Universalgelenk wird nun dadurch
gebildet, daß auf der Gelenkkugel zwei fest miteinander verbundene äußere Gelenkhälften
verdrehbar angeordnet sind, die vorzugsweise drei sternförmig angeordnete Aufnahmevorrichtungen
für je ein Rotorblatt aufweisen.
-
Die Antriebsübertragung von der Antriebswelle auf das Universalgelenk
bzw. die Rotorblätter erfolgt über einen unterhalb der Gelenkkugel angeordneten
und mit der Antriebswelle verbundenen Übertragungsflansch. Dieser Übertragungsflansch
wirkt dabei mit Übertragungsbolzen zusammen, die in der unteren Gelenkhälfte in
Gummipolstern fest angeordnet sind. Durch die Gummilagerung der Bolzen wird .dabei
eine elastische Antriebsübertragung erreicht.
-
Diese Konstruktion hat den Nachteil, d.aß die Rotorblätter in direkter
Verbindung mit dem Universalgelenk stehen und daß dieses hierdurch die auftretenden
Kräfte aufzunehmen hat. Aus diesem Grunde ist es bei dieser Konstruktion erforderlich:,
ein überaus stabiles und damit in seinen Herstellungskosten sehr teures Gelenk vorzusehen.
Ferner ergibt sich noch ein großer Nachteil dadurch, daß die Verwindungskräfte durch
das Universalgelenk hindurch übertragen werden und daß die Beweglichkeit der Rotorblätter
durch die mangelnde Nachgiebigkeit der Gummipolster begrenzt ist.
-
Diese Nachteile werden bei Drehflügelköpfen mit einem Kugelgelenk
und mit Verbindungsgliedern zwischen der Gelenkkugel und der Kugelschale bzw. der
Drehflügelnabe zur Drehmomentübertragung, wobei die Verbindungsglieder gegenüber
Neigungen der Drehflügelnabe nachgiebig sind, gemäß der Erfindung dadurch vermieden,
daß die Verbindungsglieder zur Drehmomentübertragung aus zwei übereinander angeordneten,
mit konkaven Seiten zueinander gekehrten Platten bestehen, von denen die obere in
der Mitte mit der Gelenkkugel und die untere in der Mitte mit der Flügelnabe
drehfest verbunden ist und die radial nach außen gerichtete Arme tragen, deren Enden
miteinander fest verbunden sind. Durch diese Konstruktion werden nunmehr die Rotorblätter
im wesentlichen von der Antriebswelle mitgetragen, wodurch die auftretenden Verwindungskräfte
nicht mehr durch das Universalgelenk übertragen werden. Dabei sind die nachgiebigen
Glieder derart beschaffen, daß praktisch jede beliebige Nachgiebigkeit und Verschwenkuni
der Rotorblätter erreicht werden kann, ohne daß aus diesem Grunde eine besonders
kräftige Konstruktion des Universalgelenkes erforderlich ist.
-
Außerdem kann nun die äußere Gelenkhälfte bei dieser Konstruktion
im wesentlichen einteilig sein und hierdurch verhältnismäßig einfach hergestellt
werden.
-
Dabei ergibt sich eine günstige Konstruktion, wenn die untere Platte
mit einer Tragschulter der Nabe und die obere Platte mit einer z. B. durch Schrauben
an der Antriebswelle befestigten kreisförmigen Platte verbunden ist. Zur Lagerung
der Nabe kann diese mit einer Lagerschale einstückig verbunden sein, die den äußeren
Gelenkteil des Kugelgelenkes bildet. Eine wesentlich vorteilhaftere Konstruktion
ergibt sich jedoch dann, wenn an der Nabe ein Lagerflansch vorgesehen ist, der an
seiner Innenseite die äußere Hälfte des Kugelgelenkes trägt, wobei dann zwischen
dem Lagerflansch und der Nabe die Tragschulter vorgesehen sein kann. Dabei ist es
zur Einstellung der Nabe in die Mittellage zweckmäßig, wenn an der Unterseite der
Tragschulter der Nabe Anschläge angeordnet sind, welche die Nabe mittelbar oder
unmittelbar in die Mittellage zu bewegen versuchen.
-
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Es zeigt
Fig.1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung, Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Teil des elastisch
nachgiebigen Sterns, mit dem.die Rotornabe an der Antriebswelle befestigt ist,,
Fig.3 einen Teilschnitt durch eine Variante der Befestigung der Nabe an der Antriebswelle,
Fig. 4 einen Teilschnitt durch eine Variante der Lagerung der Nabe und der Antriebswelle.
-
Die in der Zeichnung dargestellte Einrichtung weist ein Rotorsystem
10 mit einer Nabe 11 auf, an der eine Vielzahl von zylindrischen Nabenarmen 12,
eine konzentrische Tragschulter 13 und ein Lagerflansch 14 vorgesehen sind, .-der
mit der zuletzt genannten Tragschulter einstöckig sein kann. Ein Nabenlager 16 von
geeignetem Lagermaterial, beispielsweise Bronze od. dgl., ist innerhalb des Lagerflansches
14 starr angeordnet und dort durch einen Lageranschlag 18 festgehalten, der auf
den vorgenannten Flansch aufgeschraubt ist, um so die Wartung des Nabenlagers zu
erleichtern. Das Nabenlager 16 wirkt mit einer Gelenkkugel 20 zusammen, die mit
einem oberen Ansatz 22 einer Hauptantriebswelle 24 einstöckig ist und mit deren
Hilfe eine universelle Bewegung möglich ist.
-
Ein unterer, nachgiebiger Stern 26, der eine Mehrzahl von radialen
Fingern 28 aufweist,-ist konzentrisch auf der Tragschulter 13 der Nabe mittels Schrauben
30 oder anderen, ähnlichen Befestigungsmitteln befestigt. Ein oberer Stern 32, der
in seinem Aufbau und seiner Wirkung mit dem Stern 26 identisch ist, ist mit Hilfe
von Schrauben 34 od. dgl. mit einer kreisförmigen Platte 36 verbunden, die koaxial
auf dem Antriebswellenansatz 22 durch geeignete Befestigungsmittel, wie beispielsweise
Schrauben 38, befestigt ist und sich mit diesem dreht. Die beiden nachgiebigen Sterne
26 und 32 -sind an den Spitzen ihrer radialen Finger 28 mit Hilfe von Schraubverbindungen
40 miteinander verbunden. Eine leichte, mit konstanter Geschwindigkeit laufende
Universalverbindung 42, die ein großes Drehmoment übertragen kann, dient dazu, die
Nabe 11 mit dem Ansatz 22 zu verbinden. Das Gelenk 42 gestattet eine Neigung der
Nabe in der gewünschten Richtung, wenn die Sterne 26 und 32 in der weiter unten
beschriebenen Weise ihre Form ändern. Die Wirkung des Gelenkes 42 ist derart, daß
ein Antrieb mit konstanter Geschwindigkeit ohne Reibung, Gleiten und Verwendung
von sich drehenden Teilen erzielt wird. Außerdem ergibt sich durch die Neigung der
Verbindung 42 ein elastisches Kräftepaar, das die Nabe 11 in ihre normale Gleichgewichtsstellung
zurückzubewegen versucht.
-
Da die Nabe 11 auf der mit dem Antriebswellen.-ansatz 22 einstöckigen
Gelenkkugel 20 angeordnet ist, ist das Schwenkzentrum des Rotorsystems 10 im wesentlichen
in der Ebene angeordnet, die durch die Schwerpunkte der Rotorflügel43 oder des dynamischen
Zentrums des Rotärsystems bestimmt ist. Damit sind die dynamischen Kräftepaare,
die das Rotorsystem 10 aus dem Gleichgewicht zu bringen suchen, wesentlich herabgesetzt.
-
Die Rotorflüge143 weisen je einen Schaft auf, an dem ein mit diesem
einstöckig verbundener Umfangsflansch 45 vorgesehen ist, und ferner einen Schaftansatz
46, der diametral gegenüberliegende Öffnungen 48 besitzt. Eine drehbare Spindel
50 besitzt einen Umfangsflansch 51 und ist in dem betreffenden Nabenarm 12 mit Hilfe
von Rollenlagern 52 gelagert, die relativ zueinander durch ein zylindrisches Abstandsstück
54 in radialem Abstand gehalten sind. Der Schaftansatz 46 paßt genau in die Spindel
50, so daß die Umfangsflansche 45 und 51 nebeneinander angeordnet sind und durch
eine Flügelfestspannvorrichtung 56 fest miteinander verbunden sind. Die Spindel
50 ist mit diametral gegenüberliegenden Öffnungen 57 .versehen, die mit den Öffnungen
48 derart fluchten, daß durch die Öffnungen ein konischer Flügelbolzen 58 eingesetzt
werden kann, auf dessen Zweck weiter unten eingegangen wird. Ein federnder, mit
der Spindel 50 fest verbundener Dichtring 60 ist koaxial zwischen der vorgenannten
Spindel und dem Hubarm 12 so angeordnet, daß das Hubarmende gegen Eindringen von
schädlichem Material abgedichtet ist.
-
Das Ende 62 der innerhalb der Nabe 11 angeordneten Spindel 50 ist
mit äußeren Keilnuten versehen, in die ein mit inneren Keilnuten versehener, zur
Steuerung des Anstellwinkels dienender Verstellring 64 eingreift, der mit einem
nicht dargestellten Hebel einstöckig ist, mit dessen Hilfe es möglich ist, den bekannten
aerodynamischen Nachlauf oder Steuerungsnachlauf auszugleichen. Der Verstellring
64 ist gegen eine an die Rollenlager 52 anstoßende Dichtung 68 mit Hilfe einer auf
dem Spindelende 62 aufgeschraubten Festspannmutter 70 angepreßt. Ein Schmiernippel
72 von handelsüblicher Bauart ist für das periodische Schmieren der Rollenlager
52 vorgesehen.
-
Der Flügelbolzen 58 dient als eine äußere Verankerung für eine Mehrzahl
von parallelen, aus rostfreiem Stahl bestehenden Torsionsspannbügeln 74, die an
ihrem inneren Ende mit Hilfe eines konischen Spannbolzens 76 mit einer Ecke einer
quadratischen Spannplatte 78 fest verbunden sind, die koaxial um den. Antriebswellenansatz
22 und innerhalb der Nabe 11 angeordnet ist. Damit ist die Befestigung der Rotorflügel
43 mit der Nabe 11 durch die Verwendung der Torsionsspannbügel 74 bewirkt, die auch
die Form von Drähten, Stangen od. dgl. haben können und die die großen, während
des Betriebes durch die einzelnen Flügel erzeugten Zentrifugalkräfte an die Spannplatte
78 oder direkt an die Nabe 11 weitergeben, sofern nämlich die Torsions.spannbügel
mit ihren inneren Enden an. dieser befestigt sind. Damit werden die großen zentrifugalen
Kräfte durch eine starre Konstruktion so aufgenommen, daß sie nicht auf die Nabe
oder die Lager 52 wirken, mit deren Hilfe die Flügel in der Nabe gelagert sind.
-
Ferner ist ein oberer Anschlag 80 vorgesehen, der mit der unteren
Fläche der Tragschulter 13 an um 90° versetzten Stellen verbunden ist, um die Spannplatte
78 in ihre Lage zu bringen, wenn die Flügel voreingestellt werden. Ferner ist die
selbstzentrierende Wirkung der Universalverbindung 42 durch einen federnden Anschlagteil
82 aus Gummi od. dgl. erhöht, der den Antriebswellenansatz 22 umgibt und mit diesem
mit Hilfe eines ringförmigen Bügels 84 fest verbunden ist, wodurch der Nabenneigung
beim Bewegen der Nabe durch die Spannplatte ein elastischer Widerstand entgegengesetzt
wird.
-
Das federnde Anschlagteil 82 ist ein wichtiges Hemmglied, wenn
das Luftfahrzeug im Flug ist, und außerdem bei Auftreten von starken Winden, wenn
das Luftfahrzeug auf dem Boden oder an Deck eines Schiffes auf See steht. Der Rotor
braucht nämlich nun nicht mehr festgebunden zu werden, wie dies zur Zeit der Fall
ist, um eine Beschädigung der Flügel zu vermeiden, und es ist lediglich das übliche
Abbremsen der Antriebswelle 24 erforderlich, um die Rotoren an der Drehung zu hindern.
In der bevorzugten
Ausführungsform des Rotorsystems 10 hat das
Anschlagteil 82 eine Federung von im wesentlichen 3° bei Anliegen der Spannplatte
78, die ihrerseits ungefähr ein Spiel von ±7° aufweist, bevor sie mit dem Anschlag
in Berührung kommt.
-
Die Änderung des Flügelanstellwinkels geschieht durch Betätigung einer
als Ganzes mit 86 bezeichneten Taumelscheibenbaueinheit, die auf dem unteren Antriebswellenansatz
88 angeordnet ist, der in üblicher Weise mit der Hauptantriebswelle 24 in Keilverbindung
steht und sich mit dieser dreht.
-
Verstellaschen 108 der Taumelscheibenvorrichtung 86 erstrecken sich
durch die Hauptantriebswelle 24 hindurch bis zur Innenseite der Nabe 11 und sind
mit je einem der nicht näher bezeichneten Hebel der Verstellringe 64 derart gelenkig
verbunden, daß mit ihrer Hilfe die Spindel 50 gedreht und damit der Ansteilwinkel
der Rotorflüge143 wie gewünscht geändert werden kann. Die Betätigung der Taumelscheibenbaueinheit
86 wird durch Verstellstangen 110 bewirkt, die gelenkig mit den üblichen, nicht
dargestellten Steuerkanzelverstelleinrichtungen verbunden sind. Die Taumelscheibe
86 wird relativ zur Antriebswelle durch eine geeignete Betätigung der Verstellstangen
110 durch die Bedienung der vorerwähnten Steuerkanzelverstelleinrichtungen geneigt.
-
In Fig.3 ist eine Variante der Konstruktion mit den oberen und unteren
nachgiebigen Sternen 32 und 26 dargestellt. Hier sind die Sterne durch einen zylindrischen
metallischen Balg 112 ersetzt, der eine im wesentlichen der Sternkonstruktion 32
entsprechende Federcharakteristik aufweist. Der Balg ist mit der oberen Platte 36
und mit der Tragschulter 13 durch geeignete Befestigungsmittel, beispielsweise Schrauben
34a und 30a, verbunden.
-
In Fig. 4 ist eine Variante der Lagerung für das Nabenlager dargestellt,
und die mit 114 bezeichnete Lagerkonstruktion weist eine Mehrzahl von Kugellagern
116 zwischen dem Flansch 14 der Nabe 11 und der Gelenkkugel 20 auf. Diese einfache
Lagerkonstruktion kann wegen der nicht kritischen Lagerbelastung verwendet werden,
da die Nabe 11 nur die Hubbelastung des Rotors an die Gelenkkugel 20 weitergibt.
Außerdem kann die einstückig mit dein Antriebswellenansatz 22 ausgebildete Lagerkugel
von einfacher Bauart sein, so daß sie aus den oben angegebenen Gründen mit niedrigen
Kosten hergestellt werden kann. Das Innere der Gelenkkugel 20 dient als Schmiermittelvorratsraum
für die Nabenlager 16 oder 116, wobei eine Anzahl Auslässe 118 bzw. 115 vorgesehen
sind und eine Platte 120 (s. Fig. 1) die Schmiermitteloberfläche aufrechterhält.
Ein Zahnrad 122 ist mit der Hauptantriebswelle 24 verbunden, um den Anschluß einer
angetriebenen, nicht dargestellten Getriebeeinheit mit dem Rotorsystein 10 anzudeuten.
-
Im Betrieb wird das Rotorsystem 10 über das Zahnrad 122 von einer
geeigneten Kraftquelle aus angetrieben. Die Steuerung des Anstellwinkels der Rotorflüge144
wird durch die Betätigung der Taumelscheibenbaueinheit 86 durch die Bewegung einer
üblichen Luftfahrzeugsteuersäule plus der Bewegung der Anstellwinkelstenerung in
der Kanzel bewirkt, so daß der Steigungswinkel mit der Steuerung der Kraftanlage
erhöht oder vermindert werden kann. Die gemeinsame Anstellwinkelsteuerung des Rotors
wird durch die Bewegung der Taumelscheibe entlang der Achse des unteren Antriebswellenansatzes
88 der Hauptantriebswelle 24 in üblicher Weise mechanisch bewirkt. Die zyklische
Anstellwinkelsteuerung wird durch Neigen der Taumelscheibenbaueinheit 86 mit Hilfe
der Verstellstangen 110 erzielt, wodurch die Richtung des Hubvektors des gesamten
Rotorsystems 10 entsprechend geändert wird.
-
Die Neigung der Rotornabe 11 um die Gelenkkugel 20 wird durch Änderung
des Anstellwinkels der Flügel 44 bewirkt, die ihrerseits durch die vorerwähnte Neigung
der Taumelscheibe und durch die äußeren aerodynamischen und dynamischen Kräfte hervorgerufen
sind, die auf die Flügel durch deren unterschiedliche Geschwindigkeit beim Vorwärtsflug
während ihrer Drehung ausgeübt werden. Die Hubneigung ist durch die dämpfende Wirkung
der zusammenwirkenden nachgiebigen Sterne 26 und 32 und den federnden Anschlagteil
82 begrenzt, so daß die Flügel und das ganze Rotorsystem 10 in ihre neutrale
Stellung zurückkehren, wenn das Rotorsystem unbelastet ist, wie dies beispielsweise
bei einer besonderen Flugart oder beim Parken im Wind eintritt. Durch geeignete
Wahl der federnden Eigenschaften der nachgiebigen Sterne kann ferner die Stabilität
des ganzen Luftfahrzeuges erhöht oder herabgesetzt werden. Da ferner die Schwenkachse
und der dynamische Schwerpunkt des Rotorsystems 10 zusammenfallen, sind die in der
Neigungsebene wirkenden Coriolis-Kräfte so herabgesetzt, daß die Beanspruchung und
die Schwingungen der Flügel und der Nabe erheblich reduziert sind.
-
Die Erfindung, wie sie in bevorzugter Ausführungsform nach Fig. 1
und 2 dargestellt ist, zeigt ein Rotorsystem mit einer neigbaren Rotornabe, in der
die Rotorflügel drehbar gelagert sind und durch ein flexibles Spannungssystem verbunden
sind, das sich unter der Wirkung von Steuermitteln einschließlich federnder Anschläge
zur Begrenzung der Neigungsbewegung neigt. Damit ist ein Rotorsystem offenbart,
das einfach ist, einen kräftigen Aufbau aufweist und mit niedrigeren Kosten gegenüber
den bekannten Rotorsystemen hergestellt werden kann. Dabei ist ein eine lange Lebensdauer
aufweisender Universalgelenkantrieb für das Rotorsystem und die Übertragung großer
Drehmomente vorgesehen. Ferner gestattet die Erfindung eine Konstruktion, die frei
von Coriolis-Kräften ist, da das System Rotorflügel von hoher Steifigkeit aufweist,
die auf einer neigbareil Nabe angeordnet sind und miteinander durch eine unter Spannung
und Torsion stehende Einrichtung verbunden sind, die ein leichtes Gewicht aufweist
und daher ohne Schwierigkeit im Gleichgewicht gehalten werden kann.