DE69112886T2 - Scherenglieder aus Verbundmaterial für eine Taumelscheibe. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Taumelscheibenbaugruppe für einen Hubschrauber und mehr insbesondere auf eine Taumelscheibenbaugruppe mit flexiblen Verbundscheren.
STAND DER TECHNIK
• Die Steuerung eines Hubschraubers erfolgt, indem der Einstellwinkel der Rotorblätter einzeln eingestellt wird, wenn sich der Rotor dreht, und indem der Einstellwinkel von sämtlichen Blättern gemeinsam eingestellt wird. Das wird bekanntlich als periodische bzw. kollektive Blattsteuerung bezeichnet. Die Blatt- Steuerung eines Hubschrauberhauptrotors erfolgt typischerweise durch Verwendung einer Taumelscheibe, welche die Bewegung von nichtrotierenden Steuerteilen auf die rotierenden Teile überträgt. Die Taumelscheibe ist üblicherweise konzentrisch um eine Rotorwelle montiert. Die Taumelscheibe hat zwei konzentrisch orientierte Ringe, die durch eine Serie von Lagern verbunden sind, wobei ein Ring mit der Zelle (stationär) verbunden ist und wobei der andere Ring mit der Rotorwelle oder -nabe (rotierend) verbunden ist. Die kollektive Steuerung erfolgt durch Verschieben der Taumelscheibe in bezug auf die Rotorwelle nach oben und unten, und die periodische Steuerung erfolgt durch Neigen der Taumelscheibe relativ zu der Rotorwelle. Der stationäre Ring ist üblicherweise um die Rotorwelle durch ein sphärisches Kugelgelenk zentriert, welches ein Neigen der Taumelscheibe gestattet, wobei ein Standrohr, welches die Rotorwelle umgibt, eine Verschiebung der Taumelscheibe gestattet. Blattverstellglieder verbinden den rotierenden Ring der Taumelscheibe mit den Blattverstell- oder -steuerungsarmen der Rotorblätter. Der stationäre Ring der Taumelscheibe wird durch Glieder oder Servoeinrichtungen positioniert, die aufgrund von Steuersignaien des Piloten betätigt werden. Wenn der Pilot wünscht, daß die Taumelscheibe angehoben, abgesenkt oder geneigt wird, veranlaßt er daher über die Glieder oder Servoeinrichtungen, daß der stationäre Ring angehoben, abgesenkt oder geneigt und somit jeder Punkt an dem rotierenden Ring der Taumelscheibe auf eine kollektive oder periodische Weise vertikal angehoben oder abgesenkt wird, wenn sich der Rotor dreht. Die Taumelscheibe muß daher in der Lage sein, sich vertikal zu bewegen, d.h. in einer Richtung parallel zu der Rotorwelle, und in der Lage sein, sich in bezug auf die Drehebene zu neigen.
• Es sind verschiedene Methoden bekannt zum Verbinden der Taumelscheibe mit der Rotorwelle. Zum Beispiel können ein oder mehrere Schwenkgliedvorrichtungen benutzt werden, wobei ein Ende jeder Vorrichtung mit einem Ringteil verbunden ist und das andere Ende mit dem Rotor verbindbar ist, wogegen eine weitere oder mehrere weitere Schwenkgliedvorrichtungen mit dem stationären Ring und mit der Zelle verbunden sind. Diese Glieder gestatten, die Taumelscheibe abzuwinkeln, um dem Ring zu gestatten, sich in bezug auf die Rotorwelle zu neigen oder vertikal zu bewegen.
• Verschiedene Prgbleme treten bei den bekannten Gestängen auf. Zum Beispiel, da diese Teile eine beträchtliche Bewegung ausführen, ist schneller Verschleiß üblich und sind diese Teile allgemein solche, die eine umfangreiche Wartung erfordern. Darüber hinaus sind solche Gestänge besonders verletzbar, wenn sie in einem Militärflugzeug benutzt werden, wo ein Geschoßtreffer einen Ausfall des Taumelscheibensteuersystems verursachen kann.
• Der rotierende Ring ist mit der Rotorwelle über die Schwenkgliedvorrichtungen verbunden, die üblicherweise als "Scheren" bezeichnet werden, wogegen der statische Ring auf ähnliche Weise mit der Zelle verbunden ist. Diese Scheren gestatten den Ringen, sich vertikal zu verschieben, d.h. sich parallel zu der Rotorwelle zu bewegen und sich um eine diametrale Achse der Ringe zu neigen, während die azimutale Position der Ringe in bezug auf den Rotor aufrechterhalten wird. Die Scheren weisen jeweils zwei Glieder auf, die durch ein Scharnier miteinander verbunden sind, welches dem Scherenglied gestattet, sich vertikal zu biegen. Üblicherweise ist ein Gliedende an einem sphärischen Lager montiert, welches an dem Ring montiert ist, um eine unabhängige Drehung des Ringes zu verhindern, wobei es ihm aber gestattet, sich zu neigen und vertikal zu verschieben.
• Eine flexible Verbundschere, wie sie in dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 angegeben ist, ist aus der US-A-4 611 971 bekannt. Diese bekannte Scherenbaugruppe eliminiert zwar die Notwendigkeit des Vorsehens von zwei durch ein Scharnier miteinander verbundenen Gliedern, die bekannte Schere ist jedoch mit Hilfe von Scharnierstiften mit der Rotorwelle und mit dem rotierenden Ring der Taumelscheibe verbunden.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
• Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine flexible Verbundschere zu schaffen, die sowohl eine vertikale als auch eine winkelmäßige Verlagerung einer Taumelscheibe relativ zu einer Rotorwelle gestattet, ohne daß Scharniergestänge mit Lagervorrichtungen benutzt werden, um Kosten, Gewicht und Komplexität zu reduzieren.
• Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine flexible Verbundschere zu schaffen, die in der Lage ist, ausreichend Drehmomente zu übertragen, um den rotierenden Taumelscheibenring zu drehen, während sie gleichzeitig ausreichend flexibel ist, um eine Vertikal- und Winkelverlangerung der Taumelscheibe ohne die Verwendung von Scharniergestängen zu gestatten.
• Um das zu erreichen, schafft die Erfindung demgemäß eine biegsame Verbundschere für einen Hubschrauber mit einer Taumelscheibe zum Übertragen von Steuereingangssignalen auf einen Rotor, der durch eine Rotorwelle angetrieben wird; wobei die Schere wenigstens einen biegsamen Bügel zum Befestigen eines rotierenden Ringes der Taumelscheibe an der Rotorwelle aufweist, wobei der Bügel ausreichend dünn ist, um eine Vertikal- und Winkelverlagerung der Taumelscheibe zu gestatten, und ausreichend breit ist, um tangentiale Kräfte zu übertragen und Verdrehknickung zu verhindern, dadurch gekennzeichnet, daß der Bügel einen ersten biegsamen Endteil zum Befestigen des Bügels an dem rotierenden Taumelscheibenring und einem weiteren biegsamen Teil zum Befestigen des Bügels an der Rotorwelle hat, wobei die biegsamen Teile durch einen relativ steiferen Teil getrennt sind.
• Andere vorteilhafte Merkmale der flexiblen Verbundschere sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Bei dem Hubschrauberrotor kann die flexible Verbundschere mit dem rotierenden Ring der Taumelscheibe durch ein sphärisches Lager verbunden sein oder kann an einer Schubstange befestigt sein, die mit dem rotierenden Ring verbunden ist.
• Andere Merkmale und Vorteile der Verbindung werden im Lichte der folqenden Beschreibung deutlich werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Fig. 1 ist eine illustrative Ansicht einer bekannten Scherenbaugruppe.
• Fig. 1a ist eine illustrative Ansicht einer bekannten Scherenbaugruppe, die in verschiedenen Orientierungen gezeigt ist.
• Fig. 2 ist eine Draufsicht auf eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die mehrere vertikal flexible, jedoch verdrehfeste Verbundscherenbügel aufweist.
• Fig. 3 ist Seitenansicht der flexiblen Schere nach Fig. 2.
• Fig. 4 ist eine vergrößerte Ansicht eines einzelnen Bügels nach Fig. 2, der in verschiedenen, durch Beanspruchung hervorgerufenen Orientierungen gezeigt ist.
• Fig. 5 ist eine Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform einer Verbundscherenbaugruppe, bei der ein Doppelbügel benutzt wird.
• Fig. 6a ist eine Seitenansicht der flexiblen Schere nach Fig. 2, von welcher ein unteres Ende an einer Steuerstange befestigt ist.
• Fig. 6b ist eine Draufsicht auf die Verbundschere nach Fig. 6a.
• Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform der Verbundschere, die abwechselnde flexible und starre Teile hat.
• Fig. 8 ist eine Draufsicht auf die flexible Schere nach Fig. 7.
• Fig. 9a ist eine Querschnittseitenansicht der Verbundschere nach Fig. 7; Fig. 9b ist eine Vorderansicht des äußeren Biegeteils.
• Fig. 10 ist eine Draufsicht auf die Verbundschere nach Fig. 7, die montiert an einer Taumelscheibe gezeigt ist.
• Fig. 11 ist ein Diagramm, welches die Abmessungsforderungen für die Verbundschere zeigt, wie sie durch Verdrehbiegeknickung für eine Trägerdicke von 10,16 mm (0.4 Zoll) bestimmt werden.
• Fig. 12 ist ein Diagramm, welches die Abmessungsforderungen für die Verbundschere zeigt, wie sie durch Verdrehbiegeknickung für eine Trägerbreite von 76,2 mm (3.0 Zoll) bestimmt werden.
• Fig. 13 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Bügellänge und der Biegespannung veranschaulicht.
• Fig. 14 ist eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform der Verbundschere unter Verwendung von zwei nichtradialen, langgestreckten Bügeln.
• Fig. 15 veranschaulicht das Verhältnis von verstärkter zu nomineller Dicke und zeigt die Torsionssteifigkeitszunahme als eine Funktion der prozentualen Zunahme der Dicke.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
• Gemäß Fig. 1, auf die nun Bezug genommen wird, hat eine bekannte Taumelscheibe 1 einen inneren Ring 2, der an einem Getriebe 3 durch ein Scherenglied 4 stationär gehalten wird. Die Taumelscheibe hat außerdem einen äußeren Ring 5, der mit einer Rotorwelle 6 durch ein Scherenglied 7 gedreht wird. Lager 8 sind zwischen dem inneren und äußeren Ring angeordnet und gestatten eine Relativdrehung zwischen denselben. Der innere, stationäre Ring 2 ist aufgrund von durch den Piloten gelieferten Steuereingangssignalen oder von automatischen Steuereingangssignalen 9 bewegbar. Der äußere, rotierende Ring 5 ist über ein Gestänge 10 mit einzelnen Blattsteuerungshörnern (nicht gezeigt) verbunden, um die Rotorblätter aufgrund der Steuereingangssignale zu bewegen. Ein starrer Arm 11 ist an seinem äußeren Endumfang an dem inneren Ring 2 befestigt und an seinem inneren Ende an einem Kugelgelenk 12, das sich auf einem Standrohr 13 frei verschieben kann, welches die Rotorwelle 6 umgibt. Das ermöglicht der Taumelscheibe, sich nach oben und unten zu verschieben und sich in bezug auf die Rotorwelle 6 zur kollektiven bzw. zyklischen Blattsteuerung zu neigen, während sie zentriert bleibt. Fig. 1a veranschaulicht die typischen Bewegungen eines bekannten Scherengliedes aufgrund der Bewegung der Taumelscheibe.
• Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf eine Taumelscheibe 20, die mehrere radiale Bügel 21 aufweist, welche an einem ersten Ende 22 durch Schrauben 23 an einer Rotorwelle 24 befestigt sind und an einem zweiten Ende 25 an einem äußeren, rotierenden Ring 26 der Taumelscheibe 20 befestigt sind. In dieser Ausführungsform sind fünf separate Verbundbügel gezeigt, von denen jeder aus einem Verbundmaterial hergestellt ist, das ausreichend biegsam ist, um eine Vertikal- und Winkelverlagerung der Taumelscheibe zu gestatten, während es für ausreichende Verdrehfestigkeit und Steifigkeit zum Übertragen von Drehmoment von der Rotorwelle auf den rotierenden Ring sorgt. Jeder flexible Bügel hat radiale und vertikale Teile, die eine hohe Steifigkeit in der Rotorebene und eine geringe Steifigkeit außerhalb der Rotorebene aufweisen, wobei der radiale Teil ein Ende hat, das an der Rotorwelle starr befestigt ist. Eine solche biegsame Scherenkonstruktion, die aus Verbundmaterial hergestellt ist, reduziert die Notwendigkeit von Lagern und eliminiert die massiven Verbindungsglieder und Scharniere, indem sieh diese durch einstückige, flexible Bügel ersetzt.
• In Fig. 3 ist eine Seitenansicht einer einzelnen biegsamen Bügelschere gezeigt, wobei sich der ebene Verbundbügel von dem Befestigungspunkt an der Rotorwelle aus radial erstreckt. Der Bügel ist ausreichend dünn, um die vertikale Auslenkung der Taumelscheibe einfach durch Biegung zuzulassen. Er ist breit, so daß er die tangentiale oder in Kantenrichtung ausgeübte Scherkraft übertragen kann, welche die azimutale Verstellung der Nabe und der rotierenden Taumelscheibe aufrechterhält. Der Bügel 21 hat einen sich nach unten ertreckenden Teil 27, an welchem der rotierende Ring über ein sphärisches, elastisches Lager 28 befestigt ist. Dieses Lager gestattet die Neigung der Taumelscheibe um eine Achse und hilft bei dem Kompensieren der Verkürzung, wie es strichpunktiert dargestellt ist. "Verkürzung" bezieht sich auf die Änderung der effektiven Länge des Bügels bei unterschiedlicher Taumelscheibenorientierung.
• Gemäß der Darstellung in Fig. 4 ermöglichen die Bügel 21 Gelenkigkeit und Biegung, welche durch Beanspruchung hervorgerufen wird. Der Grad, in dem sie das ermöglichen, ist eine Funktion der gewählten Materialien und des Verfahrens zur Herstellung. Der Bügel kann in Bereichen verstärkt sein, wo eine größere Steifigkeit erwünscht ist, z.B. an einer Ecke 29 und an Befestigungspunkten 30 und 31. Der Teil 32 des Bügels ist verstärkt, um eine Verdrehknickung des Bügels zu minimieren. Der Bügel kann somit eine Bewegung ohne Scharniere oder mehrteilige Gestänge zulassen. Dadurch wird die Anzahl der Lager in der Scherenvorrichtung beträchtlich reduziert, was zu verbesserter Zuverlässigkeit führt, wobei gleichzeitig auch die Zahl der benutzten Teile und das Gewicht der Vorrichtung verringert werden.
• Jeder Bügel wird aus einer Laminatkombination hergestellt, die vorzugsweise aus Verstärkungsfasern mit null Grad Lagenorientierung in der Mitte besteht, welche durch Querlagen bedeckt sind, bei welchen es sich vorzugsweise um Lagen handelt, die unter + und -45º auf den äußeren Oberflächen plaziert sind. Die mittleren 0º-Lagen vergrößern den Modul des Laminats und reduzieren das Aufwickeln unter Belastung. Die Lagen von + und -45º ergeben die besten Torsionseigenschaften, während sie die verstärkte Verlagerung der Taumelscheibe zulassen. Die Verstärkungsfaser kann Graphit, Polyaramid, Glas oder irgendeine andere Faser sein, vorzugsweise handelt es sich aber um Graphitfaser. Die Matrix ist vorzugsweise Urethan, könnte aber irgendein Material mit niedrigem Schermodul sein. Der niedrige Modul gestattet Biegen und sollte kleiner als 4140 N/mm² (600000 psi) sein und vorzugsweise zwischen etwa 103,5 - 276 N/mm² (15-40000 psi) liegen. Zum Beispiel hat Urethan einen Modul von etwa 138 N/mm² (20000 psi). Das elastomere Lager, das an der Taumelscheibe vorgesehen ist, hilft bei dem Beseitigen von lateraler periodischer Neigung und ermöglicht bis zu einem begrenzten Ausmaß longitudinale periodische Neigung, wodurch Biege- und Verkürzungsbeanspruchungen des Bügels reduziert werden.
• Eine weitere Ausführungsform der Verbundschere ist in Fig. 5 gezeigt, bei der ein Paar Bügel 33 und 34 benutzt werden, die um eine feste Distanz versetzt sind, einer ist über dem anderen angeordnet. Beide Bügel sind radial ausgerichtet, erstrecken sich von der Rotorwelle aus und endigen in einem Lager 35 an dem rotierenden Ring. Die Distanz zwischen dem oberen und unteren Bügel sollte wenigstens 6,35 mm (ein Viertel Zoll) betragen, kann aber in Abhängigkeit von einem besonderen Einsatzfall variieren. Durch die Verwendung von einem Paar Bügeln in einer oberen und unteren Orientierung wird die Schere versteift, um das Aufwickeln weiter zu reduzieren, wenn Seitenbelastungen hoch sind, während die Flexibilität für Vertikal- und Winkelverlagerung der Taumelscheibe aufrechterhalten wird.
• Fig. 6a zeigt eine zusätzliche Modifikation der in Fig. 2 gezeigten flexiblen Verbundschere, welche die Notwendigkeit eliminiert, daß ein sphärisches Lager zur Befestigung jedes biegsamen Verbundbügels an dem rotierenden Ring vorgesehen wird. In dieser Ausführungsform ist ein Ende 36 eines Bügels 37 an einer Schubstange 38 befestigt, die an dem rotierenden Ring befestigt ist und Steuersignale auf die Rotorblätter überträgt. Durch Befestigen des unteren Bügelendes 36 an dem unteren Schubstangenende wird das Aufwickeln der biegsamen Schere auf eine Komponente der lateralen Bewegung der Schubstange begrenzt. Zweitens, die Befestigung an der Schubstange gestattet dem existierenden unteren Schubstangenlager, auch als das biegsame Scherenlager zu dienen, wodurch die Notwendigkeit von separaten Biegescherenlagern eliminiert wird. Fig. 6b zeigt eine Draufsicht auf diese Ausführungsform.
• In Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Verbundschere gezeigt. Die flexible Verbundschere 40 hat einen inneren Biegeabschnitt 41, der über elastomere Halter 42 mit einem starren Mittelabschnitt 43 in Verbindung steht, welcher seinerseits an einem äußeren biegsamen Abschnitt 44 über ähnliche elastomere Halter 45 befestigt ist, wobei der äußere Biegeabschnitt 44 dann einen oberen Biegeabschnitt 46 hat, ein vertikales Übergangsgebiet 47 und einen unteren Verdrehabschnitt 48, welcher an dem rotierenden Ring 49 befestigt ist. Der Verdrehabschnitt wird vorzugsweise unter Verwendung von 0º-Graphitfasern und einer Urethanmatrix hergestellt, wobei der Verdrehabschnitt in der Ebene einer Stellantriebs- oder Schubstangenbefestigung liegt. Der Verdrehabschnitt ist biegemäßig steifer als der übrige Teil des Gebildes, aber torsionsmäßig weicher. Der Verdrehabschnitt geht somit in das gesamte + oder -45º-Laminat in dem Übergangsgebiet 47 über, das benutzt wird, um bis oberhalb der Taumelscheibenbaugruppe zu reichen.
• Der starre Mittelabschnitt 43 ist vorzugsweise ein starrer Drehmomentkasten, der über die elastomeren Halter mit dem inneren und äußeren biegsamen Abschnitt in Verbindung steht. Dieses kombinierte Gebilde gestattet der Schere, sich mit der Taumelscheibe zu bewegen, während es Belastungen in der Rotorebene aufnimmt. Die Verwendung eines Drehmomentkastens als Mittelabschnitt minimiert Verdrehung, da die Form des Drehmomentkastens für Steifigkeit sorgt. Der Drehmomentkasten kann ein Verbundteil sein, das aus Querlagenfasern und einer Matrix mit hohem Modul wie Epoxy hergestellt ist. Ein solches Material kann benutzt werden, da die Biegeabschnitte die Vertikal- und Neigungsverlagerung der Ringe zulassen. Die elastomeren Halter erlauben, daß die radiale Länge der Verbundschere mit dem verlangten Bewegungsgrad kompatibel ist.
• In Fig. 8 ist eine Draufsicht auf die flexible Verbundschere nach Fig. 7 gezeigt. Eine Rotorwelle 51 hat einen Flanschanschluß 52, an welchen zwei innere Biegeabschnitte 53 und 54 durch Schrauben 55 angeschlossen sind. Elastomere Halter 56 verbinden die inneren biegsamen Streifen mit einem Paar starrer Drehmomentrohre 57 und 58. Zwei Paare elastomere Halter 59 sind außerdem vorgesehen, um die starren Drehmomentrohre an äußeren flexiblen Abschnitten 60, 61 zu befestigen.
• In Fig. 9a ist ein Teil der in Fig. 8 gezeigten biegsamen Schere im Querschnitt gezeigt. Der innere flexible Abschnitt 54 ist verschraubt mit dem Flanschanschluß 52 gezeigt, und das Drehmomentrohr 57 ist mit den elastomeren Haltern 56 und 59 gezeigt, über die der innere und äußere Biegeabschnitt daran befestigt sind. Der äußere Biegeteil 60 hat einen vertikalen Übergangsteil 62 und einen Verdrehabschnitt 63, der durch Schrauben mit einem äußeren, rotierenden Ring 64 einer Taumelscheibe verbunden ist. Fig. 9b zeigt den äußeren Biegeteil in einer Vorderansicht.
• Fig. 10 zeigt die Biegeverbundschere nach Fig. 8, die an einer Taumelscheibe befestigt ist, und zeigt außerdem das Vorsehen von vier Steuerstangen zum Übertragen von Steuersignaien von einem Piloten aus auf den Rotor.
• Vorzugsweise wird bei der flexiblen Verbundschere dieser Ausführungsform ein innerer und äußerer Biegeabschnitt benutzt, die eine ±45º-Graphitfaserverstärkung in einer Urethanmatrix haben. Die Absicht ist es, zu biegen und zu verdrehen, um die Bewegung zu ermöglichen. Während die Scheren verstärkter Beanspruchung ausgesetzt werden, müssen sie auch die Belastungen in der Rotorebene übertragen, welche den rotierenden Ring mit der Rotorwelle drehen. Unter diesen Bedingungen sind die begrenzenden Parameter die Biegebeanspruchung und die Knickstabilität.
• Der Mechanismus zum Knicken wird durch eine Kopplung von außerhalb der Rotorebene gelegener Deformation und von Torsionsdeformation mit Belastungen in der Rotorebene gebildet. Wenn sich ein Träger aus der Rotorebene verdreht und biegt, verliert der Träger Steifigkeit. Schließlich ist der Träger nicht mehr in der Lage, irgendeine Belastungszunahme aufzunehmen. Der mathematische Ausdruck, der benutzt wird, um das kritische Knickmoment zu berechnen, lautet:
• Kritisches Moment in Kantenrichtung = [(Steifigkeit in der Ebene) * (Torsionssteifigkeit) * 4 ]0,5 * (Trägerlänge)
• Dieser Ausdruck wird von einem gleichförmigen Träger mit fixierten Endbedingungen abgeleitet, der einem Moment in Kantenrichtung ausgesetzt ist. Im- allgemeinen haben die Breite und die Länge eines Trägers im Vergleich zur Dicke einen sehr geringen Einfluß auf das kritische Knickmoment. Weiter wirken der Biegemodul und der Schermodul des Materials entgegengesetzt. Zum Erzielen des maximalen Schermoduls wird eine Querlagenfaserorientierung bevorzugt. Das verringert den Biegemodul, welcher das maximale Moment verringert, das durch den Träger aufgenommen werden kann. Die Fig. 11 und 12 veranschaulichen die Abmessungsforderungen für eine Verbundschere, wie sie durch Verdrehbiegeknickung bestimmt werden, und zwar für eine Trägerdicke und -breite von 10,16 bzw. 76,2 mm (0.4 und 3 Zoll).
• Eine Schwierigkeit bei der Benutzung von biegsamen Verbundscheren zur Befestigung an dem rotierenden Taumelscheibenring besteht darin, daß dort, wo die Scherenteile ebene Bügel sind und elastomere Lager oben auf dem rotierenden Teil befestigt sind, um für das verlangte radiale Spiel zu sorgen und die Differenz zwischen der starren Körperbewegung der Taumelscheibe und der elastischen Bewegung der Schere zuzulassen, der radiale Bügel oberhalb der Ebene der Stellantriebsverbindungsglied- und Schubstangenbefestigung plaziert ist. Die in der Rotorebene erfolgende Biegung des Arms, welche aus dieser Versetzung resultiert, wenn der Arm längs der Neigungsachse orientiert ist, ergibt große Beanspruchungen, wenn der Träger ausreichend breit ist, um steif genug zu sein und die Taumelscheibe wirksam zu positionieren. Zum Aufrechterhalten einer festen Beanspruchung für eine bestimmte Biegung in der Rotorebene nimmt die Länge des Trägers als eine Funktion der Breite zu.
• Eine Alternative besteht darin, die Biegeteile in die Ebene der Verdrehung zu legen. Um das zu erreichen, muß sich der Träger über das obere Ende der stationären Taumelscheibe erstrecken, bevor er nach unten abgestuft wird. In diesem Fall kann die Konstruktion durch die zulässige Länge für den Entwurfsraum stark begrenzt werden. Außerhalb der Rotorebene erfolgende Biegungen verlangen einen sehr dünnen Bügel, um akzeptable Spannungswerte aufrechtzuerhalten, wie es in Fig. 13 gezeigt ist. Außerdem gibt die verlangte Breite des Trägers hohe Beanspruchungen, wenn er Verdrehung ausgesetzt wird.
• Zum Vergrößern der verfügbaren Biegelänge für die Bügel wird eine nichtradiale Konstruktion bevorzugt. In Fig. 14 ist eine Verbundscherenbaugruppe 70 mit einem Paar Armen 71, die in einer nichtradialen Beziehung angeordnet sind, gezeigt. Jeder Arm hat einen inneren Biegeabschnitt 72, der mit einem verdickten Teil 73 in Verbindung steht, welcher für erhöhte Steifigkeit sorgt, ohne daß ein Drehmomentrohr benutzt wird, und dann auf einen äußeren Biegeabschnitt 74 übergeht, welcher sich über einen flexiblen Übergangsteil 75 zu einem unteren orthogonalen Biegeteil 76 zur Befestigung an einem äußeren, rotierenden Ring 77 erstreckt.
• Da diese Bügel in einer nichtradialen Beziehung sind, haben sie eine größere Länge und können die vertikale Bewegung der Taumelscheibe ohne Biegung des verdickten Abschnitts zulassen, der so angeordnet ist, daß seine Auswirkung auf die Biegebeanspruchung bei maximaler Verlagerung minimiert wird. Durch Vorsehen von zwei orthogonalen Biegeabschnitten kann sich die Schere mit 2 Freiheitsgraden verformen, was ausreichend ist, um die verstärkten Steuerverlagerungen gänzlich durch Biegung aufzunehmen, wodurch die Notwendigkeit von sphärischen Lagern eliminiert wird. Daher kann das Ende mit dem rotierenden Ring durch Schrauben verbunden werden. Die elastische Verformung der Biegeteile führt zu einer relativen radialen Verlagerung zwischen dem Ende des Trägers und der Taumelscheibe. Das wird durch Biegung in dem Verbindungsabschnitt zugelassen, welcher den oberen und unteren Biegeabschnitt verbindet. Weil die Versetzung zu einer Verformung in der Rotorebene an der Taumelscheibe als ein Resultat der Torsionsbelastung führt, sorgt der obere Abschnitt für eine maximale Torsibnssteifigkeit. Gemäß der Darstellung in Fig. 15 ist die erzielbare maximale Steifigkeit eine Funktion der prozentualen versteiften Länge und der minimalen Steifigkeit.
• Verschiedene Maßnahmen können benutzt werden, um die Bügel an der Nabe und dem Taumelscheibenring zu befestigen, wie Festklemmen der Bügel an der Taumelscheibe statt Bohren von Löchern und Einsatz von Schrauben. Gemäß Fig. 14 sind die Arme 71 durch eine Platte 78 und Schrauben 79 an der Rotornabe 80 festgeklemmt. Jeder Arm ist an entgegengesetzten Enden an dem Taumelscheibenring befestigt, wobei ein Mittelabschnitt 81 an der Nabe festgeklemmt ist. Zum Anschließen der Taumelscheibe kann es vorzuziehen sein, eine Gleitbüchse zu verwenden, um die Klemmkraft an dem Bügel zu erzeugen, der geklebte Verstärkungen hat. Eine Vorbelastung in den Durchgangsschrauben reagiert somit gegen die Gleitbüchse, um lokales Knicken der Fasern in der Matrix zu verhindern.
• Durch das Vorsehen von Biegeverbundscherenbaugruppen zum Einbau bei einem Drehflügelflugzeug können verschiedene Lager- und Stiftverbindungsgestänge eliminiert werden, wodurch die Zuverlässigkeit des Flugzeuges erhöht und gleichzeitig dessen Gewicht minimiert wird. Darüber hinaus wird angenommen, daß solche Baugruppen Stöße eher zulassen und daher die Überlebens fähigkeit des Flugzeuges steigern.

Claims (18)

1. Biegsame Verbundschere für einen Hubschrauber mit einer Taumelscheibe (20) zum Übertragen von Steuereingangssignalen auf einen Rotor, der durch eine Rotorwelle (24; 51) angetrieben wird; wobei die Schere (40; 70) wenigstens einen biegsamen Bügel (21; 37) zum Befestigen eines rotierenden Ringes (26; 49; 64; 77) der Taumelscheibe (20) an der Rotorwelle (24; 51) aufweist, wobei der Bügel (21; 37) ausreichend dünn ist, um eine Vertikal- und winkelverlagerung der Taumelscheibe (20) zu gestatten, und ausreichend breit ist, um tangentiale Kräfte zu übertragen und Verdrehknickung zu verhindern, dadurch gekennzeichnet, daß der Bügel (21; 37) einen ersten biegsamen Endteil (44; 60, 61; 74) zum Befestigen des Bügels (21; 37) an dem rotierenden Taumelscheibenring (26; 49; 64; 77) und einem weiteren biegsamen Teil (41; 53; 54; 72) zum Befestigen des Bügels (21; 37) an der Rotorwelle (24; 51) hat, wobei die biegsamen Teile durch einen relativ steiferen Teil (32; 43; 57; 73) getrennt sind.

2. Verbundschere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, die Schere ein Paar Bügel (33, 34) in einer oberen und unteren Orientierung aufweist.

3. Verbundschere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, der Bügel (21; 37) aus einem faserverstärkten Laminat hergestellt ist.

4. Verbundschere nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Laminat 0º-Kernfaserlagen hat, welche durch Faserlagen von + und -45º bedeckt sind.

5. Verbundschere nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das faserverstärkte Laminat Graphitfasern hat, die in einer Urethanmatrix angeordnet sind.

6. Verbundschere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, der steifere Teil ein starres Drehmomentrohr (43; 57) aufweist.

7. Verbundschere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der steifere Teil einen verdickten Abschnitt (32; 73) aufweist, der zusätzliche faserverstärkte Lagen hat.

8. Verbundschere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die biegsamen Teile ein innerer Rotorwellenanschlußteil (41; 58; 54; 72) und ein äußerer Taumelscheibenringanschlußteil (44; 60; 61; 74) sind.

9. Verbundschere nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Anschlußteil (44) einen oberen Biegeabschnitt (46), einen vertikalen Übergangsabschnitt (47) und einen unteren Verdrehabschnitt (48) hat.

10. Verbundschere nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Verdrehabschnitt (48) aus 0º-Fasern in einer Urethanmatrix aufgebaut ist.

11. Verbundschere nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, die Fasern aus der Gruppe sind, die im wesentlichen aus Graphit- , Glas- und Polyaramidfasern besteht.

12. Verbundschere nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, der Verdrehabschnitt (48) biegemäßig steifer und torsionsmäßig weicher als die anderen biegsamen Bügelteile ist.

13. Verbundschere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Bügel in einer nicht radialen Orientierung angeordnet ist.

14. Verbundschere nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Bügel zwei Endteile (74) zur Befestigung an dem rotierenden Taumelscheibenring (77) und einen Mittelteil (81), der an der Rotorwelle befestigt ist, hat.

15. Verbundschere nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, jeder Endteil (74) einen oberen Biegeabschnitt, einen vertikalen Übergangsabschnitt (75) und einen orthogonalen unteren Biegeabschnitt (76) hat.

16. Hubschrauberrotorbaugruppe mit einer Taumelscheibe (20), die einen stationären Ring und einen rotierenden Ring (26; 49; 64; 77) aufweist, welche um eine Rotorwelle (24; 51) angeordnet sind, wobei die Rotorbaugruppe weiter eine flexible Verbundschere nach Anspruch 1 aufweist.

17. Rotorbaugruppe nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Bügel (21) an dem rotierenden Ring (26) über ein sphärisches Lager (28) befestigt ist.

18. Rotorbaugruppe nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, der Bügel (37) an einem unteren Ende einer Schubstange (38) befestigt ist, die mit dem rotierenden Ring verbunden ist.