DE3330721A1

DE3330721A1 - Elastische traegerkonstruktion und damit ausgeruesteter hubschrauberrotor

Info

Publication number: DE3330721A1
Application number: DE19833330721
Authority: DE
Inventors: James Peter 06460 Milford Conn. Cycon; Timothy Albert 06790 Horwinton Conn. Krauss; Stephan 06484 Shelton Conn. Roman
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1982-08-30
Filing date: 1983-08-25
Publication date: 1984-03-01
Also published as: AU558442B2; IT1169792B; FR2532274A1; GB2125752B; FR2532274B1; JPS5963297A; GB2125752A; GB8321784D0; US4466774A; AU1809283A; IT8322677A0

Description

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Zugelassen« Vertretni vor dem t uropaischmi Patentamt Professional representatives before the Furopean Patent Officr?

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Patentanwälte Menges & Prahl. Frhardtstr 12. D 8000Munchenf> Dipl Ing Ftolf Mongos

Dipt Chern Dr Horst Prahl

lclijgraiTim BIPAT München

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UnsfrZeichen/Ourref rj 84 8

Datum/Dale 25.08.

United Technologies Corporation Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.

Elastische Trägerkonstruktion und damit ausgerüsteter Hubschrauberrotor

Die Erfindung bezieht sich auf in Verbundbauweise hergestellte elastische Träger für Hubschrauberrotoren und insbesondere auf einen elastischen Flanschverbundträger, dessen Flansche an den beiden Enden des Trägers durchgehend um Paßstücke herumgelegt sind, um mit dem Steg des Trägers gekapselte Endverbindungsstellen zu bilden, die einen integralen Bestandteil der Trägerkonstruktion darstellen.

Eine gängige Methode zum Erzielen der Gelenkigkeit bei bekannten Hubschrauberrotoren ist der gelenklose Blattanschluß, wobei die Rotorblätter an elastischen Verbundträgern befestigt werden, die starr mit der Rotorwelle verbunden sind. Es gibt eine Verbindungsstelle zwischen dem elastischen Träger und der Welle und zwischen dem elastischen Träger und dem Potorblatt. Die elastischen

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Träger werden maßgeschneidert, um die erforderliche Biegesteifigkeit bei einer minimalen Torsionssteifigkeit zu erreichen, und werden allgemein als die bevorzugte Lösung für die nächste Rotorgeneration betrachtet.

Typisch werden die Wurzelendverbindungen von elastischen Verbundträgern hergestellt, indem die Trägerlaminate im Bereich der Verbindungsstelle zu beinahe massiven Querschnitten aufgebaut und durch diese hindurch Schraubverbindungen hergestellt werden. Diese Arten von Verbindungsstellen sind bei großen Rotoren wegen der erforderlichen großen Laminatdicke nicht zufriedenstellend und außerdem schwierig herzustellen, ergeben Gebilde mit hohem Luftwiderstand, und die große Anzahl von Schichtenden verursacht Scherspannungsprobleme.

Die US-PS 4 111 605 zeigt einen Querträgerrotor, dessen Rotorblätter an den äußeren Enden von im Querschnitt C-förmigen Befestigungsbändern mit Durchgangsschrauben befestigt sind. Die US-PS 3 434 372 zeigt ein Hubschrauberrotorsystem, bei dem eine laminierte Kupplung mit Endpaßstücken zwischen einem Rotorblatt und einer Nabe verwendet wird. Die US-PS 4 104 003 zeigt ein Hubschrauberrotorsystem, bei dem ein Träger verwendet wird, der zwei gegenüberliegende Rotorblätter trägt.

Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer elastischen Verbundträgerkonstruktion für Hubschrauberrotoren mit gelenklosem Blattanschluß, die relativ leicht herzustellen ist und leistungsfähige Verbindungsstellen für die daran befestigten Teile ergibt.

Der elastische Verbundträger nach der Erfindung zeichnet sich durch ein Minimum an Dicke in dem Verbindungsstellenbereich aus und erfordert keinen zeitraubenden, schwierig zu inspizierenden und schwierig herzustellenden Laminataufbau.

Bei dem elastischen Verbundträger nach der Erfindung werden durchgehende Windungen benutzt und das Problem der Schichtenden ist minimiert.

Schließlich wird durch die Erfindung eine Schraubbefestigung für einen elastischen Verbundträger geschaffen, die Kräfte über ein gekapseltes Paßstück übertragen kann, ohne daß es einen direkten baulichen Kraftweg zwischen den Schrauben und dem Verbundträger gibt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Teilschnittansicht einer Hub

schrauberrotornabe, die Verbindungen mit elastischen Trägern nach der Erfindung zeigt,

Fig. 2 eine vergrößerte Teilschnittan

sicht eines Endes eines elastischen Trägers,

Fig. 3 einen Querschnitt durch ein am

Umfang umwickeltes Ende eines elastischen Trägers,

Fig. 4 ein Kraf tübertragungswegdiagrainin

für axiale (zentrifugale) Belastung,

Fig. 5 ein Kraf tübertragungswegdiagrainin

für eine Schlagmomentbelastung (außerhalb der Rotorebene),

Fig. 6 ein Kraf tübertragungswegdiagrainin

für eine Schlagscherbelastung und

Fig. 7 ein Kraf tübertragungswegdiagrainin

für eine Belastung in der Drehebene (in der Rotordrehebene) , wenn die elastischen Träger mit einer Umfangswicklung versehen sind.

Fig.' 1 zeigt eine Hubschrauberrotorwelle 10, die an eine Nabe 12 angeschlossen ist und diese antreibt, an welcher Paare elastischer Träger in einem Abstand von 90° befestigt sind, wobei ein Paar der elastischen Träger mit den Bezugszahlen 14 und 16 bezeichnet ist. Ein Rotorblatt würde an dem äußeren Ende jedes Paares elastischer Träger befestigt werden, was aber nicht dargestellt ist. Jeder elastische Träger ist an einer Manschette 18 an der Nabe mittels Durchgangsschrauben 20 befestigt.

Die Einzelheiten des elastischen Trägers 16 sind in Fig. 2 dargestellt. Jeder elastische Träger ist im wesentlichen ein C-Profilteil und besteht aus einem Steg, einem oberen Flansch, einem unteren Flansch und einem Paßstück an jedem Ende, das von dem oberen und dem unteren Flansch

sowie dem Steg umschlossen ist. Der Steg 22 ist ein Verbundgebilde, das aus O⁰- und 145°-Schichten aufgebaut ist und Scherkräfte aufnimmt. Der obere Flansch 24 und der untere Flansch 26, die die Hauptbelastungen aufnehme^ sind aus Schichten mit sehr kleinem Wickelwinkel in Richtung ihrer Länge aufgebaut, wobei deren Enden bei 28 miteinander verbunden und durchgehend herumgelegt sind, so daß ein bogenförmiger oder gekrümmter Abschnitt gebildet ist. Ein Paßstück 30, das im wesentlichen ein rechteckiger Block mit einem abgerundeten Ende ist und typisch aus Metall besteht, ist an seiner oberen und seiner unteren Fläche sowie an seinem abgerundeten Ende von dem oberen und dem unteren Flansch, die durchgehend herumgelegt sind, und auf einer Seitenfläche von dem Steg 22 umgeben. Ein weiteres Paßstück 32 ist auf gleiche Weise am anderen Ende des elastischen Trägers angeordnet. Der Steg, die Flansche und die Paßstücke werden zu einem einheitlichen Teil verklebt und ausgehärtet, damit sie als ein vollständiges Gebilde wirken. Löcher 34 werden in jedem Ende des elastischen Trägers zur Aufnahme der Befestigungsschrauben 20 vorgesehen.

Da die Schichten sehr kleinen Wickelwinkels an den Enden des elastischen Trägers um die Paßstücke herum durchgehend sind, ergibt sich ein Grad an Kontinuität und Redundanz in den Endbefestigungsbereichen. Da außerdem keine Schichtenden vorhanden sind, sind zugeordnete Scherspannungen beseitigt. Die Schichten in dem Steg verjüngen sich an jedem Ende des elastischen Trägers längs der Seite des Endpaßstückes, so daß die Scherung über das Endpaßstück allmählich erfolgt.

Um die Paßstücke formschlüssiger in dem elastischen Träger zu halten, vor allem zum Aufnehmen höherer Kräfte in

beiden Richtungen in der Rotordrehebene, kann am Ende des Herstellprozesses eine dünne ümfangshülle um das Paßstück gelegt werden, wie es bei 36 in Fig. 3 gezeigt ist. Hier ist das Paßstück 38 mit einer Kuppe versehen, um einen glatteren Umfang für die ümfangshülle zu erhalten. In manchen Fällen kann es auch erwünscht sein, Schichten vom Steg aus um ein Ende 28 des elastischen Trägers 16 zu legen, wobei diese Schichten mit Flanschschichten durchmischt werden. Diese Schichtintegration um das Paßstück sorgt für eine bessere Lastverteilung.

Der beschriebene elastische Träger ist zwar im wesentlichen als ein C-Profilteil dargestellt, es ist jedoch auch möglich, zwei elastische Träger zu einem I-Träger Steg an Steg zusammenzusetzen, wobei Steg- und Flanschschichten bis zu einem gewissen Grad miteinander gemischt werden, um eine einheitliche Struktur zu erhalten. Beispielsweise könnten die elastischen Träger 14 und 16 aneinander bewegt werden, um den gezeigten Abstand zu eliminieren, und die Schichthülle gemischt werden, um ein einheitliches Teil zu erhalten.

Die Konstruktion des elastischen Trägers ist so, daß die Übertragung von Biegemomenten, Axialkräften und Scherbelastungen ohne einen direkten baulichen Kraftweg zwischen dem elastischen Verbundträger und den Klemmschrauben erfolgt. Der elastische Träger wird hauptsächlich auf Druck belastet, was ein Hauptvorteil der Verbindungsstelle ist, denn die Verbundteile besitzen eine relativ gute Druckfestigkeit. Typisch wird bei Verbindungsstellen die Reaktionskraft hauptsächlich als Scherkraft übertragen, was eine ungenügende Lösung bei Verbundmaterialien ist.

Folgende Kräfte wirken auf den elastischen Verbundträger eines gelenklosen Rotors ein: Axialkräfte (Zentrifugalkräfte) , Biegungs- und Scherkräfte in und außerhalb der Rotorebene plus.Torsionskräfte. Wirkt Axialkraft (Zentrifugalkraft) auf das an der Rotornabe gelegene Ende eines elastischen Trägers ein (dargestellt in Fig. 4), wird der am Träger wirkenden Kraft A bei B durch das abgerundete Ende des Paßstückes 3 0 entgegengewirkt, der Paßstückkraft wird bei C durch die Schraube(n) 20 entgegengewirkt, und der Schraubenkraft wird bei D durch die Nabenmanschette 18 entgegengewirkt. So gibt es keine direkte Kraftübertragung zwischen der Verbundstruktur des elastischen Trägers und der Schraube. Auf ähnliche Art und Weise wird Schlagmoment-, Schlagscher- (Auftrieb) und Belastungen in der Drehebene (in der Rotordrehebene) ohne direkte Reaktion zwischen dem elastischen Träger und der Schraube entgegengewirkt. Dies ist in den Fig. 5, 6 und 7 dargestellt.

Die Fig. 5 und 6 zeigen die Kraftübertragung von dem elastischen Verbundträger A auf das Paßstück B, in die Schrauben C und dann die Gegenwirkung bei D durch die Nabenmanschette für Schlagmoment- und Schlagscher (Auftrieb) -Belastung. Im Falle der Schlagscherbelastung erfolgt die Kraftübertragung im wesentlichen in die obere Manschette, wobei ein Teil der Scherkraft über den Steg des elastischen Trägers übertragen wird. Fig. 7 zeigt die Reaktion bei Scherbelastung in der Rotordrehebene bei einem Paar elastischer Träger 14, 16, deren Paßstücke mit einer ümfangshülle versehen sind. Wenn die Scherkraft nach rechts wirkt, überträgt der rechte elastische Träger 16 die Kraft B direkt auf das Paßstück 30, das seinerseits die Kraft C auf die Schrauben 20 überträgt, wobei

dieser Kraft bei D durch die Nabenmanschetten entgegengewirkt wird. In dem linken elastischen Träger 14 wird
die Kraft Ä aus dem Träger bei E in die Umfangswicklung 40 und über die Umfangswicklung bei F in das Paßstück
42 übertragen, wobei der Belastung dann durch die Schrauben 20 bei C und schließlich durch die Nabenmanschetten bei D entgegengewirkt wird.

-/13- Leerseite

Claims

Patentansprüche :

1. Elastische Trägerkonstruktion für einen Hubschrauberrotor, dadurch gekennzeichnet, daß der elastische Träger (14, 16) insgesamt ein C-Profilteil ist und einen Steg (22) sowie einen oberen und einen unteren Flansch (24, 26) hat, wobei der obere und der untere Flansch an wenigstens einem Ende des elastischen Trägers durch einen bogenförmigen Abschnitt (28) miteinander verbunden sind, wobei ein Paßstück (30, 38, 42) an diesem Ende von dem Steg, dem oberen und dem unteren Flansch sowie dem bogenförmigem Abschnitt umschlossen ist und wobei sich wenigstens ein Befestigungsloch (34) durch die Flansche und das Paßstück erstreckt.

2. Trägerkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Paßstück (30, 38, 42) aus Metall besteht.

3. Trägerkonstruktion nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Enden des elastischen Trägers (14, 16) durch bogenförmige Abschnitte (28) vorbtinden

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sind und Paßstücke (30, 32, 38, 42) umschließen.

4. Hubschrauberrotor mit einem elastischen Träger (14, 16) zum Verbinden der Rotorblätter mit einer Rotornabe (12), dadurch gekennzeichnet, daß der elastische Träger aus Verbundmaterial besteht und einen aus in mehreren Richtungen angeordneten Schichten aufgebauten Steg (22) sowie einen oberen und einen unteren Flansch (24, 26) hat, die aus Schichten sehr kleinen Wickelwinkels aufgebaut sind, wobei die Enden des oberen und des unteren Flansches jeweils durch ein Bogenstück (28) verbunden sind, so daß die Schichten sehr kleinen Wickelwinkels durchgehend sind, daß ein Paßstück (30, 38, 42) an wenigstens einem Ende des elastischen Trägers vorgesehen und zum Teil von dem Steg und den Flanschen umgeben ist und daß sich Befestigungslöcher (34) durch die Flansche und das Paßstück erstrecken.

5. Hubschrauberrotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Paßstück (30, 38, 42) aus Metall besteht.

6. Hubschrauberrotor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Paßstück (30, 38, 42) eine obere und eine untere Fläche sowie ein abgerundetes Ende hat und durch die Schichten sehr kleinen Wickelwinkels der Flansche (24, 26) des elastischen Trägers umschlossen ist.

7. Hubschrauberrotor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Schichten um das Paßstück (30, 38, 42) herumgelegt sind, um eine Umfangshülle (36) zu bilden.

8. Hubschrauberrotor nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Paßstück eine Stirnfläche hat, die von den Schichten des Steges (22) des elastischen Trägers umschlossen ist.

9. Hubschrauberrotor nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paßstück (30, 32, 38, 42) an jedem Ende des elastischen Trägers (14, 16) vorgesehen ist.

10. Hubschrauberrotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Paßstück (30, 38, 42) eine zu der durch den Steg bedeckten Stirnfläche entgegengesetzte Fläche hat, die als Kuppe ausgebildet ist.

11. Hubschrauberrotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die kuppenförmige Stirnfläche des Paßstückes (30, 38, 42) mit Schichten umwickelt ist, die eine Umfangshülle (36, 40) um das Paßstück bilden.

12. Hubschrauberrotor mit einer Rotornabe (12) und einer Vorrichtung zum Verbinden eines Rotorblattes mit der Nabe, gekennzeichnet durch einen Verbundträger (14, 16) und Befestigungsmittel, durch eine Einrichtung, die einen Kraftweg zwischen dem Verbundträger und der Nabe ergibt, wodurch Axial-, Momenten- und Scherbelastungen auf die Nabe übertragen werden können, ohne daß ein direkter Kraftweg zwischen dem Träger und den Befestigungsmitteln benutzt wird, der Paßstücke (30, 42) umfaßt, die in ein Ende des Trägers (14, 16) eingeschlossen sind, und die Befestigungsmittel, die durch den Verbundträger, die Paßstücke und die Nabe hindurchführen, wobei die Paßstücke Trägerkräfte aufnehmen, die Befestigungsmittel

Paßstückkräfte aufnehmen und die Nabe Befestigungsmittelkräfte aufnimmt.

13. Hubschrauberrotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Paßstücke (30, 42) aus metallischem Werkstoff bestehen.

14 . Hubschrauberrotor nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundträger (14, 16) einen oberen und einen unteren Flansch (24, 26) hat, die aus Schichten sehr kleinen Wickelwinkels aufgebaut sind.

15. Hubschrauberrotor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerflansche (24, 26) wenigstens an einem Ende durch einen bogenförmigen Abschnitt (28) von Schichten verbunden sind.