DE19711846A1

DE19711846A1 - Mechanical vibration damper, e.g. for helicopter engine vibration damping

Info

Publication number: DE19711846A1
Application number: DE19711846A
Authority: DE
Inventors: Werner Dr Seidl
Original assignee: Eurocopter Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Helicopters Deutschland GmbH
Priority date: 1997-03-21
Filing date: 1997-03-21
Publication date: 1998-10-29
Anticipated expiration: 2017-03-22
Also published as: FR2761438A1; DE19711846C2; FR2761438B1

Abstract

The damper consists of a spring (8) between vibrating and supporting structures, a pivoted transmission lever (16), and a weight (18) on the end of the lever. The spring is in the form of an elastic titanium bellows which has a low ratio between its inner and outer diameters. The bellows spring is made from a series of discs (28) welded together by electronic bombardment, and the weight (18) is in the shape of a curved member which partially covers the outer surface of the spring with a distance between the two. The length of the lever between the weight and the articulated joint (24) can be adjusted, e.g. by a motorised drive, and the articulated joint (24) and pivot (20) have bearings of elastomer with low damping properties.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen mechanischen Schwingungstilger nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a mechanical vibration absorber the preamble of claim 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.Hydraulic or mechanical vibration absorbers, such as those used at Hub screwdrivers are used to interact with the rotor gear system keep the dynamic loads away from the helicopter cell, contain a mechanically or hydraulically excited from the vibrating component tes spring mass system, which is tuned so that a Aufhe locally Exercise of the dynamic force components on the support structure takes place so that in Anti-resonance case practically no more vibrations from the component to the Support structure are transferred. For reasons of a high repayment effect with a low pendulum mass such vibration absorbers are required a large gear ratio and a spring arrangement that a ge rings have spring stiffness, but also high vibration must have strength to the static and dynamic load long-lasting parts. In addition, such swin are subject Often, especially in the aviation industry, strictly restricted weight and space restrictions.

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.These requirements are only known by the known vibration dampers limited extent fulfilled: So are from DE 29 51 526 C2 vibration tilger with a hydraulic translation known from different large, communicating with each other, each by a metallic Bellows limited hydraulic subspaces. Because the bellows too in addition to the dynamic and static load components, the hydrau exposed to pressure changes inside, they must be a relative have a large wall thickness and therefore with a correspondingly soft spring characteristic also a large overall length. Another feather becomes Er increase of the static fluid pressure in the hydraulic ratio needed to prevent it during the expansion stroke of the pendulum mass comes to cavitation in the hydraulic sub-rooms. Due to the multiple spring arrangement and the large spring length therefore require such vibration dampers, based on the achievable til effect, a high volume and weight.

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.Furthermore, a mechanical vibration absorber is known from US Pat. No. 3,322,379 known at the outset, known from the one hand on the dynamic excited component and on the other hand articulated to the support structure a gear ratio provided with a pendulum mass at the free end of the lever lever and a screw that acts between the component and the supporting structure spring arrangement exists. This increases the already large space required for with sufficient spring softness and vibration resistance voluminous coil spring arrangement additionally by the installation length of the mechanical lever / pendulum system, so that this vibration tilger requires considerable installation space, which is often not available for ver is standing.

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.The object of the invention is to provide a vibration damper of the type mentioned ten kind so that it has a long life, a high til and a great vibration resistance has a very small installation volume.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den im Patentanspruch 1 ge kennzeichneten Schwingungstilger gelöst.This object is achieved by the ge in claim 1 characterized vibration damper solved.

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.According to the invention, the use of a single, purely mecha nisch loaded and therefore despite high spring softness and vibration Strength of very compact bellows in connection with the ge boxed arrangement of bellows and mechanical lever system Vibration damper created, which, based on the achievable amortization kung and lifespan, has an extremely small volume and even in confined spaces, for example in helicopters between rotor gear and cell structure, can be easily accommodated.

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.In a further advantageous embodiment of the invention, the pendulum mass according to claim 2 in view of a further reduction in installation volume expediently as one-sided open, the bellows on the Outer surface with radial spacing in the longitudinal and circumferential direction partially encompassing annular body.

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.According to claim 3, the bellows preferably has a low inner Outside diameter ratio so as to easily make a large fold to achieve deep and accordingly low spring stiffness.

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.With regard to a favorable elasticity behavior and a high Schwin the bellows according to claim 4 expediently made of titanium, and from the perspective of a large depth of wrinkles it is recommended according to claim 5, the bellows in a simple manner to assemble prefabricated individual blanks, on the inside and outside edge for reasons of high welding quality and durability are beam welded.

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. If the vibration damper, as preferred according to claim 6, in one stroke screwdriver to reduce vibration transmission from the rotor system used on the cell structure, the bellows is expediently with its rotor-side end to the cell structure and its opposite end connected to the rotor system, which ensures will that the bellows during flight under the effect of the Rotor system to the buoyancy forces transmitted to the cell structure under pressure and therefore its functionality even in the event of a fatigue crack or another local breaking point, at least to a limited extent maintains.

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.According to claim 7 there is a further, particularly preferred embodiment the invention in that the effective lever length between the pendulum mass and articulation of the transmission lever and thus the anti-resonance frequency of the vibration damper can be changed by a motor, as before especially in modern helicopters with a variable rotor speed operated, is desired.

Nach Anspruch 8 schließlich bestehen die Gelenkverbindungen im Hinblick auf eine verschleißarme Ausbildung aus dämpfungsarmen Elastomerlagern.Finally, according to claim 8, the articulations exist with regard low-wear training from low-damping elastomer bearings.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbin dung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schematisierter Darstellung:The invention is now based on an embodiment in Verbin dung explained in more detail with the drawings. It show in a highly schematic Presentation:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines mechanischen Schwingungstilgers; und Figure 1 is a partially sectioned side view of a mechanical vibration damper. and

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II der Fig. 1. Fig. 2 shows a section along the line II-II in 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.The vibration damper shown in the figures is between a dynamically excited component 2 and a support structure 4 , e.g. B. the rotor gear system and the cell structure of a helicopter, arranged and serves to transfer the static load components L1, i.e. the buoyancy forces generated during the flight by the rotor system, to the cell structure 4 , the dynamic load components L2, on the other hand, from the cell structure 4 keep away. For this purpose, the vibration damper contains a lever / pendulum system, designated overall by 6, and a spring in the form of a bellows 8 , which is arranged between the rotor gear 2 and the cell structure 4 and which is attached to the cell structure 4 at its end 10 on the transmission side and at its opposite end 12 is connected via a tension strut 14 to the rotor gear 2 , so that it is constantly under pressure during the flight under the effect of the then transmitted from the rotor gear system 2 to the cell structure 4 buoyancy forces.

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.The lever / pendulum system 6 consists of a bellows 8 diametrically overlapping translation lever 16 , which is provided at its free lever end with a pendulum mass 18 , which - as can be seen most clearly from FIG. 2 - engages the bellows 8 in a circular arc at a radial distance. At its other end, the transmission lever 16 is connected via a rotary joint in the form of an elastomer bearing 20 and an intermediate link 22 in the direction of the static and dynamic load components L1, L2 with the cell structure 4 and via another elastomer bearing 24 with the rotor gear 2 in a manner that is difficult to move. In order to keep the distance between the articulated connections 20 , 24 small in view of a large transmission ratio of the lever 16 , the elastomer bearing 24 is located on a support arm in the form of a square hollow tube 26 , which is attached to the tension strut 14 and projects laterally beyond the edge of the bellows 8 . whose inner cross section is sufficiently large for the pendulum movements of the translation lever 16 .

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.The natural frequency of the spring-mass system formed by the lever / pendulum system 6 and the bellows 8 is adjusted so that the pendulum forces generated are the same size as, but opposite to the excitation forces L2 are directed (anti-resonance case). For this purpose, the bellows 8 must have a low spring stiffness, but at the same time have high vibration resistance for reasons of service life and a small installation volume in view of a small space requirement. This is achieved by the fact that the bellows 8 has the greatest possible depth of folds, that is to say a large external to internal diameter ratio, and because of the material properties which are favorable in terms of elastic modulus and vibration resistance, it is made of titanium in such a way that it is composed of annular titanium blanks 28 which individually prefabricated with a large radial width and electron beam welded at their inner and outer edges (at 30 ). To reduce the structural weight, the titanium blanks 28 can be produced with a non-uniform wall thickness corresponding to the bending stress curve.

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.For applications with a variable excitation frequency, for example for rotor systems that are operated with variable rotor speed, there is the option of adjusting the anti-resonance frequency of the vibration damper to the excitation frequency. For this purpose, on the free He belarm of the translation lever 16, an additional mass 32 is arranged, which is displaceable in the longitudinal direction of the lever 34 with the aid of an actuating frequency controlled according to the excitation frequency, so that the effective length of the lever between the articulated connection 24 and the center of gravity of the Pendulum mass 18 and additional mass 32 existing total mass and thereby the natural frequency of the vibration damper can be changed continuously during operation within certain limits.

Claims

1. Mechanical vibration damper, consisting of a spring mass system arranged between a dynamically excited component and a support structure with a load-transmitting spring arrangement acting between the component and the support structure, and a one with the component and the other with the support structure pivotally connected in the direction of component excitation, at the free Lever end provided with a pendulum mass translation lever, characterized in that the spring arrangement consists of a metallic bellows ( 8 ) and the translation lever ( 16 ) overlapping the bellows with the pendulum mass ( 18 ) on one and the articulated connection ( 20 , 24 ) of the translation lever the opposite side of the spring bellows is arranged.

2. Vibration damper according to claim 1, characterized in that the pendulum mass ( 18 ) is designed as an open on one side, the bellows ( 8 ) on the outer surface with a radial distance in the longitudinal and circumferential direction partially encompassing ring body.

3. Vibration damper according to claim 1 or 2, characterized in that the bellows ( 8 ) has a low inner to outer diameter ratio.

4. Vibration damper according to one of the preceding claims, characterized in that the bellows ( 8 ) consists of titanium.

5. Vibration damper according to one of the preceding claims, characterized in that the bellows ( 8 ) is made of electron-beam welded metal blanks ( 28 ).

6. Vibration damper according to one of the preceding claims, for reducing the vibration transmission from the rotor system to the cell structure of a helicopter, characterized in that the bellows ( 8 ) with its rotor-side end ( 10 ) to the cell structure ( 4 ) and with its opposite end ( 12 ) is connected to the rotor system ( 2 ).

7. Vibration damper according to one of the preceding claims, characterized in that the effective lever length between the pendulum mass ( 18 , 32 ) and the articulated connection ( 24 ) of the transmission lever ( 16 ) can be changed by a motor.

8. Vibration damper according to one of the preceding claims, characterized in that the articulated connections ( 20 , 24 ) consist of low-damping elastomer bearings.