DE19711846A1 - Mechanischer Schwingungstilger - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen mechanischen Schwingungstilger nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Hydraulische oder mechanische Schwingungstilger, wie sie etwa bei Hub­ schraubern Verwendung finden, um die vom Rotor-Getriebesystem einwir­ kenden dynamischen Belastungen von der Hubschrauberzelle fernzuhalten, enthalten ein vom schwingenden Bauteil mechanisch oder hydraulisch erreg­ tes Feder-Massesystem, welches so abgestimmt ist, daß lokal eine Aufhe­ bung der dynamischen Kraftanteile an der Tragstruktur erfolgt, so daß im Antiresonanzfall praktisch keine Schwingungen mehr vom Bauteil an die Tragstruktur übertragen werden. Aus Gründen einer hohen Tilgungswirkung bei zugleich geringer Pendelmasse benötigen derartige Schwingungstilger ein großes Übersetzungsverhältnis und eine Federanordnung, die eine ge­ ringe Federsteifigkeit besitzen, gleichzeitig aber auch eine hohe Schwing­ festigkeit aufweisen muß, um den statischen und dynamischen Lastan­ teilen langdauernd standzuhalten. Darüber hinaus unterliegen solche Schwin­ gungstilger häufig, vor allem in der Luftfahrt, strikten Gewichts- und Platz­ beschränkungen.

Diese Forderungen werden von den bekannten Schwingungstilgern nur in begrenztem Umfang erfüllt: So sind aus der DE 29 51 526 C2 Schwingungs­ tilger mit einer hydraulischen Übersetzung bekannt, die aus unterschiedlich großen, miteinander kommunizierenden, jeweils durch einen metallischen Federbalg begrenzten Hydraulik-Teilräumen besteht. Da die Federbälge zu­ sätzlich zu den dynamischen und statischen Lastanteilen auch den hydrau­ lischen Druckänderungen im Inneren ausgesetzt sind, müssen sie eine relativ große Wandstärke besitzen und daher bei entsprechend weicher Feder­ charakteristik auch eine große Baulänge. Eine weitere Feder wird zur Er­ höhung des statischen Flüssigkeitsdrucks in der hydraulischen Übersetzung benötigt, um zu verhindern, daß es während des Expansionshubs der Pendel­ masse in den Hydraulik-Teilräumen zu Kavitationserscheinungen kommt. Bedingt durch die Mehrfach-Federanordnung und die große Federlänge er­ fordern derartige Schwingungstilger daher, bezogen auf die erzielbare Til­ gungswirkung, ein hohes Bauvolumen und -gewicht.

Ferner ist aus der US 3 322 379 ein mechanischer Schwingungstilger der eingangs genannten Art bekannt, der aus einem einerseits an dem dynamisch erregten Bauteil und andererseits an der Tragstruktur gelenkig angeschlosse­ nen, am freien Hebelende mit einer Pendelmasse versehenen Übersetzungs­ hebel sowie einer zwischen Bauteil und Tragstruktur wirksamen Schrauben­ federanordnung besteht. Hierbei erhöht sich der ohnehin schon große Platz­ bedarf für die bei ausreichender Federweichheit und Schwingungsfestigkeit voluminöse Schraubenfederanordnung noch zusätzlich um die Einbaulänge des mechanischen Hebel-/Pendelsystems, so daß auch dieser Schwingungs­ tilger einen erheblichen Einbauraum benötigt, welcher häufig nicht zur Ver­ fügung steht.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schwingungstilger der eingangs genann­ ten Art so auszubilden, daß er über eine große Lebensdauer, eine hohe Til­ gungswirkung und eine große Schwingungsfestigkeit verfügt und zugleich ein sehr geringes Einbauvolumen besitzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den im Patentanspruch 1 ge­ kennzeichneten Schwingungstilger gelöst.

Erfindungsgemäß wird durch die Verwendung eines einzelnen, rein mecha­ nisch belasteten und daher trotz hoher Federweichheit und Schwingungs­ festigkeit sehr kompakt ausführbaren Federbalgs in Verbindung mit der ge­ schachtelten Anordnung von Federbalg und mechanischem Hebelsystem ein Schwingungstilger geschaffen, der, bezogen auf die erzielbare Tilgungswir­ kung und Lebensdauer, ein äußerst geringes Bauvolumen besitzt und sich auch unter beengten Platzverhältnissen, also etwa bei Hubschraubern zwi­ schen Rotorgetriebe und Zellstruktur, problemlos unterbringen läßt.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Pendelmasse nach Anspruch 2 im Hinblick auf eine weitere Verringerung des Einbau­ volumens zweckmäßigerweise als einseitig offener, den Federbalg auf der Außenfläche mit radialem Abstand in Längs- und Umfangsrichtung teilweise umgreifender Ringkörper ausgebildet.

Nach Anspruch 3 besitzt der Federbalg vorzugsweise ein geringes Innen- zu Außendurchmesserverhältnis, um so auf einfache Weise eine große Falten­ tiefe und dementsprechend geringe Federsteifigkeit zu erzielen.

Im Hinblick auf ein günstiges Elastizitätsverhalten und eine hohe Schwin­ gungsfestigkeit besteht der Federbalg nach Anspruch 4 zweckmäßigerweise aus Titan, und unter dem Aspekt einer großen Faltentiefe empfiehlt es sich nach Anspruch 5, den Federbalg in herstellungsmäßig einfacher Weise aus vorgefertigten Einzelronden zusammenzusetzen, die am Innen- und Außen­ rand aus Gründen einer hohen Schweißgüte und -haltbarkeit elektronen­ strahlverschweißt sind.

Wird der Schwingungstilger, wie nach Anspruch 6 bevorzugt, in einem Hub­ schrauber zum Reduzieren der Schwingungsübertragung vom Rotorsystem an die Zellstruktur verwendet, so ist der Federbalg zweckmäßigerweise mit seinem rotorseitigen Ende an die Zellstruktur und seinem gegenüberflie­ genden Ende an das Rotorsystem angeschlossen, wodurch sichergestellt wird, daß der Federbalg während des Flugs unter der Wirkung der vom Rotorsystem an die Zellstruktur übertragenen Auftriebskräfte druckbelastet ist und daher seine Funktionsfähigkeit selbst bei einem Ermüdungsriß oder einer anderen örtlichen Bruchstelle zumindest noch in beschränktem Umfang beibehält.

Nach Anspruch 7 besteht eine weitere, besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung darin, daß die wirksame Hebellänge zwischen Pendelmasse und Gelenkverbindung des Übersetzungshebels und somit die Antiresonanz­ frequenz des Schwingungstilger motorisch veränderbar ist, wie dies vor allem bei modernen Hubschraubern, die mit einer variablen Rotordrehzahl betrieben werden, erwünscht ist.

Nach Anspruch 8 schließlich bestehen die Gelenkverbindungen im Hinblick auf eine verschleißarme Ausbildung aus dämpfungsarmen Elastomerlagern.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbin­ dung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schematisierter Darstellung:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines mechanischen Schwingungstilgers; und

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II der Fig. 1.

Der in den Fig. gezeigte Schwingungstilger ist zwischen einem dynamisch erregten Bauteil 2 und einer Tragstruktur 4, z. B. dem Rotor-Getriebesystem und der Zellstruktur eines Hubschraubers, angeordnet und dient dazu, die statischen Lastanteile L1, also die während des Flugs vom Rotorsystem er­ zeugten Auftriebskräfte, an die Zellstruktur 4 zu übertragen, die dyna­ mischen Lastanteile L2 hingegen von der Zellstruktur 4 fernzuhalten. Zu diesem Zweck enthält der Schwingungstilger ein insgesamt mit 6 bezeichne­ tes Hebel-/Pendelsystem sowie eine lastübertragend zwischen Rotorgetriebe 2 und Zellstruktur 4 angeordnete Feder in Form eines Federbalgs 8, der an seinem getriebeseitigen Ende 10 an der Zellstruktur 4 befestigt und an seinem gegenüberliegenden Ende 12 über eine Zugstrebe 14 an das Rotor­ getriebe 2 angeschlossen ist, so daß er während des Flugs unter der Wirkung der dann vom Rotor-Getriebesystem 2 an die Zellstruktur 4 übertragenen Auftriebskräfte ständig druckbelastet ist.

Das Hebel-/Pendelsystem 6 besteht aus einem den Federbalg 8 diametral übergreifenden Übersetzungshebel 16, der an seinem freien Hebelende mit einer Pendelmasse 18 versehen ist, welche - wie am deutlichsten aus Fig. 2 ersichtlich - den Federbalg 8 mit radialem Abstand kreisbogenförmig um­ greift. An seinem anderen Ende ist der Übersetzungshebel 16 über ein Dreh­ gelenk in Form eines Elastomerlagers 20 und einen Zwischenlenker 22 in Richtung der statischen und dynamischen Lastanteile L1, L2 mit der Zell­ struktur 4 und über ein weiteres Elastomerlager 24 mit dem Rotorgetriebe 2 schwerikbeweglich verbunden. Um den Abstand der Gelenkverbindungen 20, 24 im Hinblick auf ein großes Übersetzungsverhältnis des Hebels 16 kleinzuhalten, befindet sich das Elastomerlager 24 an einem an der Zugstrebe 14 befestigten, seitlich bis über den Rand des Federbalgs 8 auskragenden Tragarm in Form eines Vierkant-Hohlrohres 26, dessen Innen­ querschnitt ausreichend groß für die Pendelbewegungen des Übersetzungs­ hebels 16 bemessen ist.

Die Eigenfrequenz des durch das Hebel-/Pendelsystem 6 und den Federbalg 8 gebildeten Feder-Massesystems ist so abgestimmt, daß die dabei erzeug­ ten Pendelkräfte gleich groß wie, aber entgegengesetzt zu den Erreger­ kräften L2 gerichtet sind (Antiresonanzfall). Hierfür muß der Federbalg 8 eine geringe Federsteifigkeit, zugleich aber aus Lebensdauergründen eine hohe Schwingungsfestigkeit und im Hinblick auf einen niedrigen Platzbedarf ein kleines Einbauvolumen besitzen. Dies wird dadurch er­ reicht, daß der Federbalg 8 eine möglichst große Faltentiefe, d. h. ein großes Außen- zu Innendurchmesserverhältnis aufweist und wegen der hinsichtlich Elastizitätsmodul und Schwingungsfestigkeit günstigen Werkstoffeigenschaften aus Titan in der Weise hergestellt ist, daß er aus ringförmigen Titanronden 28 zusammengesetzt ist, die jeweils einzeln mit großer radialer Breite maschinell vorgefertigt und an ihren Innen- und Außenrändern (bei 30) elektronenstrahlverschweißt werden. Zur Verringerung des Baugewichts können die Titanronden 28 mit einer dem Biegespannungsverlauf entsprechend ungleichförmigen Wandstär­ ke hergestellt werden.

Für Anwendungsfälle mit variabler Erregerfrequenz, also etwa für Ro­ torsysteme, die mit veränderlicher Rotordrehzahl betrieben werden be­ steht die Möglichkeit, die Antiresonanzfrequenz des Schwingungstilgers der Erregerfrequenz nachzusteuern. Zu diesem Zweck ist am freien He­ belarm des Übersetzungshebels 16 eine Zusatzmasse 32 angeordnet, die mit Hilfe eines entsprechend der Erregerfrequenz gesteuerten Stell­ motors 34 in Hebel-Längsrichtung verschieblich ist, so daß die wirksa­ me Hebellänge zwischen der Gelenkverbindung 24 und dem Schwer­ punkt der aus Pendelmasse 18 und Zusatzmasse 32 bestehenden Ge­ samtmasse und dadurch die Eigenfrequenz des Schwingungstilgers während des Betriebs in bestimmten Grenzen kontinuierlich veränder­ bar ist.

Claims (8)

1. Mechanischer Schwingungstilger, bestehend aus einem zwischen einem dynamisch erregten Bauteil und einer Tragstruktur angeord­ neten Feder-Massesystem mit einer lastübertragend zwischen Bauteil und Tragstruktur wirkenden Federanordnung sowie einem einerseits mit dem Bauteil und andererseits mit der Tragstruktur in Richtung der Bauteilerregung drehgelenkig verbundenen, am freien Hebelende mit einer Pendelmasse versehenen Übersetzungshebel, dadurch gekennzeichnet, daß die Federanordnung aus einem metallischen Federbalg (8) besteht und der Übersetzungshebel (16) den Federbalg übergreifend mit der Pendelmasse (18) auf der einen und der Gelenkverbindung (20, 24) des Übersetzungshebels auf der gegenüberliegenden Seite des Feder­ balgs angeordnet ist.

2. Schwingungstilger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pendelmasse (18) als einseitig offener, den Federbalg (8) auf der Außenfläche mit radialem Abstand in Längs- und Umfangsrichtung teilweise umgreifender Ringkörper ausgebildet ist.

3. Schwingungstilger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Federbalg (8) ein geringes Innen- zu Außendurchmesserverhältnis besitzt.

4. Schwingungstilger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Federbalg (8) aus Titan besteht.

5. Schwingungstilger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Federbalg (8) aus miteinander elektronenstrahlverschweißten Metallronden (28) hergestellt ist.

6. Schwingungstilger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zum Reduzieren der Schwingungsübertragung vom Rotorsystem an die Zellstruktur eines Hubschraubers, dadurch gekennzeichnet, daß der Federbalg (8) mit seinem rotorseitigen Ende (10) an die Zellstruk­ tur (4) und mit seinem gegenüberliegenden Ende (12) an das Rotor­ system (2) angeschlossen ist.

7. Schwingungstilger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame Hebellänge zwischen Pendelmasse (18, 32) und Gelenk­ verbindung (24) des Übersetzungshebels (16) motorisch veränderbar ist.

8. Schwingungstilger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gelenkverbindungen (20, 24) aus dämpfungsarmen Elastomer­ lagern bestehen.