NO142515B - Helikopter med vibrasjonsdempende kraftoverfoeringsmekanisme - Google Patents

Abstract

Helikopter med vibrasjonsdempende kraftoverf^ringsmekanisme.

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et helikopter, omfattende en hovedløfterotor, en kraftoverføringsmekanisme som understøtter og driver'rotoren til omløp om en rotasjonsakse,

en kropp samt en vibrasjonsdempende understøttelsesmekanisme for rotoren og kraftoverføringsmekanismen på kroppen, hvor understøttelsesmekanismen omfatter et antall understøttelses-legemer som hvert har en selektivt orientert akse og er forbundet med kroppen og understøtter kraftoverføringsmekanismen i avstand fra denne, idet hvert legeme omfatter skiftende lag av elastomer- og metallaminater oppstablet under kompresjon mellom kroppen og kraftoverføringsmekanismen og anbrakt konsentrisk om legemets akse, slik at laminatene er orientert vinkelrett på aksen, og hvor hvert legeme bestemmer en fokuslinje som faller sammen med aksen slik at forskyvningslinjene overfor rulling og stigning for hvert elastomerlaminat står vinkelrett på.fokuslinjen, og hvor hvert legemes fokuslinje skjærer en tilsvarende fokuslinje for andre legemer slik at det bestemmes en systemrulleakse som løper i vertikal avstand fra understøttelseslegemene og på langs av kroppen og for-skjøvet vertikalt til den ene side av legemene, og bestemmer en systemstigningsakse som løper i vertikal avstand fra understøttelseslegemene og på tvers av kroppen.

Kjente vibrasjonsdempende mekanismer av denne type er kompliserte, tunge og kostbare idet de krever ekstra organer for å oppnå den nødvendige dempning og rulningsstivhet og øvrige dynamiske stabilitetsegenskaper.

Formålet med oppfinnelsen er å frembringe et helikopter

med en vibrasjonsdempende mekanisme med en egenfrekvens tilstrekkelig langt under rotorvingenes omløpsfrekvens til å minimisere rotorkroppens reaksjoner overfor de krefter og dreiemomenter som påtrykkes av rotoren.

Dette er oppnådd ved at understøttelseslegemene er anordnet slik at understøttelsesmekanismens stigningsakse, som er bestemt av de skjærende fokuslinjer, er forskjøvet vertikalt til den annen side av understøttelseslegemene fra rulleaksen, og at rulleaksen og stigningsaksen er forskjøvet fra understøttelses-legemene i en valgt avstand hvorved det oppnås vibrasjonsisolasjon gjennom understøttelseslegemene mellom kroppen og kraftoverføringsmekanismen og betydelig giringshindring i systemet.

Oppfinnelsen vil bli nærmere forklart i det etterfølgende under henvisning til de medfølgende tegninger, hvori: Fig. 1 viser et perspektivriss av en vibrasjonsdempende kraftoverføringsmekanisme ifølge oppfinnelsen mellom rotoren og kroppen på et helikopter. Fig. 2 viser et skjematisk riss ovenfra av et første mon-teringsmønster for kraftoverføringsmekanismen ifølge oppfinnelsen. Fig. 3 viser et skjematisk riss ovenfra av et annet mon-teringsmønster for samme mekanisme. Fig. 4 viser et snitt gjennom et elastomerlegeme i kraft-overføringsmekanismen ifølge oppfinnelsen.

Fig. 5 viser et riss av mekanismen under rulling.

Fig. 6 viser et riss av mekanismen under stigning.

Fig. 7 viser et enkelt elastomerlaminat i et av elastomerlegemene for angivelse av orienteringsretningen for oppnåelse av forskjellige rulle- og stigningsstivheter. Fig. 8 viser et diagram over motordrivakselens avvikelse fra stigningsfokusvannlinjen. Fig. 9 viser et diagram over giringsstivhet i forhold til mekanismens rullefokusvannlinje for en utvalgt stigningsfokusvannlinje av mekanismen. Fig. 10 viser et diagram av fjærkraften under rulling som funksjon av kraftoverføringsmekanismens rullefokusvannlinje for en valgt rulleegenfrekvens Wn (rulling).

Fig. 11 viser et diagram av fjærkraften under stigning

som funksjon av stigningsfokusvannlinjen for en valgt stignings-egenfrekvens Wn (stigning).

Fig. 1 viser et parti av et helikopter 10 med en kropp

12, en hoved-kraftoverføringsmekanisme 14 og en hovedløfterotor 16. Kraftoverføringsmekanismen 14 understøtter og driver heli-kopterrotoren 16 på konvensjonell måte til dreining om en rota-

sjonsakse 18, slik at rotoren 16 med et visst antall vinger kan anvendes for løfting og fremdrift av helikopteret 10. En eller flere rotorhovedvibrasjonsdempere 19, fortrinnsvis av den bifilare type som er kjent fra US-patentskrift 3.181.815, demper rotorvibrasjoner i rotorens plan. En ikke vist, konvensjonell motor driver kraftoverføringsmekanismen 14 for drift av rotoren 16. Kraftoverføringsmekanismen 14 og dermed rotoren 16 under-støttes mot kroppen 12 via et antall elastomerlegemer, nedenfor benevnt elastiske bæreputer, hvorav det er vist to som er angitt med henvisningstall 20 og 22 og som danner hele under-støttelsen for kraftoverføringsmekanismen 14 og rotoren 16 i forhold til kroppen 12. Som vist i fig. 2 og 3 er de elastiske bæreputer anbrakt langs omkretsen om kraftoverføringsmekanismen 14 og kan som vist i fig. 2 være anbrakt i form av et rektangel med fire like bæreputer 20, 22, 24 og 26 i hjørnene av rek-tangelet hvor rotoraksen 18 befinner seg i midten, eller kan som vist i fig. 3 være anbrakt i form av fire bæreputer 20', 22', 24' og 26' i hjørnene av et trapes hvor rotoraksen 18 befinner seg i midten. De elastiske bæreputer 20-26 utgjør et hovedunderstøttelses- og vibrasjonsdempningssystem 27. Det vil forstås at det kan være mer enn fire bæreputer og at rotoraksen 18 ikke behøver å befinne seg i midten. Den rektangulære

..utforming som er vist i fig. 2 er fordelaktig ved at den gir

en jevn fordeling av forskyvnings- og kompresjonskrefter på elastomerlegemene.

Konstruksjonen av den elastiske bærepute 20 er vist i fig. 4. En stabel av skiftende lag av elastomer og metall er anbrakt mellom kraftoverføringsmekanismen og helikopterkroppen, nemlig en slik stabel mellom en flens 28 på kraftoverførings-mekanismen og et platelegeme 30, som understøttes av kroppen 12, og en annen slik stabel anbrakt mellom platelegemet 3 0 og hodet 32 på en bolt 34 som løper gjennom en boring 3 6 i laminatene og i platelegemet 3 0 og står i inngrep med en mutter 38 slik at laminatstabelen kan forspennes tilstrekkelig til å

bli komprimert under alle driftsformer og derved unngå strekk-spenninger. Det kan også anvendes andre former for forspenning. Det er viktig at de skiftende stabler av laminater såsom 40, 54, 42, 44, 60, 48 og metallinnlegg såsom 52, 56, 58 og 62 frembringer en belastningsbane fra kraftoverføringsmekanismen til helikopterkroppen og derved unngår en metall-til-metall-

berøring mellom disse to for å hindre overføring av høyfrekvente vibrasjoner gjennom den elastiske bærepute 20 fra kraftover-føringsmekanismen 14 til kroppen 12 for å redusere den inn-vendige støy i helikopteret. Ved denne oppbygging av den elastiske bærepute 20 danner en akse 50 fokuslinjen for bæreputen slik som beskrevet nedenfor.

Som vist i fig. 1 er bæreputene 20, 22, 24 og 26 fokusert slik at fokuslinjen 50 for bæreputen 20 og fokuslinjen 64 for bæreputen 24 skjærer hverandre i et punkt 65, mens fokuslinjen 66 for bæreputen 22 og fokuslinjen 68 for bæreputen 26 skjærer hverandre i et punkt 70, hvorved det dannes en systemrulleakse

72 som løper langs helikopteret 10 og ligger over kraftover-føringsmekanismen 14 eller i det minste over dennes sokkel og over bæreputene 20-26. Det fremgår også at fokuslinjene 50 og 66 for bæreputene 20 og 22, som ligger på venstre eller babord side av kraftoverføringsmekanismen 14, skjærer hverandre i et punkt 74, mens fokuslinjene 64 og 68 for bæreputene 24 og 26, som ligger på den høyre eller styrbords side av kraftover-føringsmekanismen 14, skjærer hverandre i et ikke vist annet punkt, som samvirker med skjæringspunktet 74 til dannelse av en systemstigningsakse 7 6 som løper på tvers av helikopteret 10 og er forskjøvet i vertikal retning i forhold til rulleaksen 72 og ligger under kraftoverføringsmekanismens sokkel og under bæreputene 2 0-2 6. Ved denne fokusering av bæreputene 2 0-2 6 og beliggenheten for rulleaksen 72 og stigningsaksen 76 reduseres giringen av kraftoverføringssystemet 27 uten behov for noen ekstra giringsreduksjonsmekanisme. Det vil være klart for fag-folk på området at stigningsaksen 76 også kan legges over kraft-overføringsmekanismen 14 og rulleaksen 72 under denne om ønskelig.

Fokuseringsprinsippet er ytterligere vist i fig. 5 og 6. Når det gjelder fig. 5 som viser kraftoverføringsmekanismen 14 sett bakfra under rulling, skjærer fokuslinjene 50 og 64 for bæreputene 2 0 og 24 hverandre på rulleaksen 72, hvorom systemets rullebevegelser vil foregå, og danner derved en rulleforskyv-ningslinje 78 som står vinkelrett på bæreputens 20 fokuslinje 50. På grunn av de elastiske bæreputers høye motstandsevne overfor forskyvninger, vil elastomer- og metallaminatene i den i fig. 4 viste bærepute 2 0 deformeres stort sett parallelt med rulleforskyvningslinjen 78.

Fig. 6 viser kraftoverføringsmekanismen 14 under stigning, og det bemerkes at fokuslinjene 50 og 66 for bæreputene 20 og 22 skjærer hverandre i stigningsaksen 76, slik at alle stig-ningsbevegelser av understøttelsessystemet 2 7 må foregå om aksen 76 og derved opprette en stigningsforskyvningslinje 80 for bæreputen 20 vinkelrett på fokuslinjen 50, og alle elastomer- og metallaminatene i bæreputen 2 0 må deformeres stort sett parallelt med stigningsforskyvningslinjen 80. Det bemerkes at både under stigning og rulling og for alle kombinasjoner av disse virker de elastiske bæreputer 2 0-26 som sperrelegemer for bevegelser mellom kraftoverføringsmekanismen og helikopterkroppen, idet den tverrgående bevegelse av laminatene bevirker en tverrgående forskyvning av bolten 34 inntil denne danner anlegg mot platelegemet 3 0 og stanses av dette.

Det fremgår også at lokaliseringsplanet for elastomer-

og metallaminatene i bæreputen 2 0 skal være parallelt med både rulleforskyvningslinjen 78 og stigningsforskyvningslinjen 80 for å frembringe en riktig orientering av laminatene. Laminatene i de andre bæreputer 22, 24 og 2 6 er orientert på liknende, måte i forhold til de respektive rulleforskyvningslinjer og stig-ningsforskyvningslin jer ved rulling og stigning av kraftover-føringsmekanismen 14 om rulle- og stigningsaksene henholdsvis 72 og 76.

Dersom det er nødvendig kan den ene bæreputes forskyv-ningsstivhet være større enn de andre bæreputers forskyvnings-stivhet for å imøtekomme systemets egenfrekvenser. Rulleforskyvningslinjen 78 og stigningsforskyvningslinjen 80 står om-trent vinkelrett på hverandre, slik at man kan anvende en elastisk bærepute med forskjellige forskyvningsstivheter i to innbyrdes vinkelrette retninger og passende orientert om mon-teringslinjene 50, 64, 66 og 68, slik at den. ene av de to forskyvningsstivheter bortimot faller sammen med stigningsforskyvningslinjen 80 og den annen av de to forskyvningsstivheter med rulleforskyvningslinjen 78. Dette er vist i fig. 7, som viser et elastomerlaminat, såsom laminatet 40 i en vilkårlig av bæreputene 20, 22, 24 og 26, orientert slik at rulleforskyvningslinjen 78 løper gjennom det og utøver en ren belastning på det, og at stigningsforskyvningslinjen 80 løper gjennom det slik at det utøves en kombinert forskyvnings-og kompresjonskraft på det slik at laminatet 4 0 og dettes bærepute blir stivere overfor stigning enn overfor rulling.

Kraftoverføringsmekanismens 14 egenfrekvens er bestemt av beliggenhetene for rulle- og stigningsaksene 72 og 76 og av rulle- og stigningsstivheten for de elastiske bæreputer 20-26. Dempningen av understøttelsessystemets 27 dreiemoment er bestemt av beliggenhetene for rulle- og stigningsaksene 72 og 7 6 og av kompresjonsstivheten hos de elastiske bæreputer 20-26.

Det er viktig ifølge oppfinnelsen at opphengssystemets rulle- og stigningsakser og stivheten for de elastiske bæreputer velges slik at kraftoverføringsmekanismens 14 egenfrekvens ligger godt under rotorvingeomløpsfrekvensen (rotoromløp ganger antall vinger, dvs. 4 x omløpstallet for en firevinget rotor), slik at helikopterkroppen er vibrasjonsdempet i forhold til vingeomløpsfrekvensens krefter og dreiemomenter i rotorplanet, som utøves av rotoren mot kraftoverføringsmekanismen. Dessuten bestemmer hardhetsgraden for den anvendte elastomer i elastomerlaminatene forskyvningsstivheten for de elastiske bæreputer, liksom hardhetsgraden til elastomeren pluss laminatoppbygningen, nemlig tykkelsen av elastomerene og tykkelsen av metallinn-leggene, bestemmer kompresjonsstivheten for den elastiske bærepute.

For å oppnå de fordelaktigste resultater av understøttel-sessystemet 27 må det inngås kompromisser. Først velges egen-frekvensen for understøttelsessystemet 27 slik at den for-stemmer rotorens svingningspåvirkninger av helikopterkroppen. Dette kan foregå ved å velge denne egenfrekvens W som et multiplum av hovedrotoromløpshastigheten.

For rulling og/eller stigning har vi da formelen:

hvor Wn er systemets egenfrekvens ved rulling eller stigning og KQ er den roterende fjærkraft om rullingens eller stig-ningens fokuspunkt. Ligning (1) kan omskrives på følgende måte:

hvor N er antallet elastiske bæreputer, Kf forskyvningskraften, L avstanden fra den elastiske elastomer til vedkommende fokuspunkt, I treghetsmomentet for kraftoverføringsmekanismen om dennes tyngdepunkt, M massen for kraftoverføringsmekanismen og rotoren og D avstanden fra fokuspunktet til kraftoverførings-mekanismens tyngdepunkt. I ligning (2) er Wn, I og M kon-stanter, mens L og D varierer med variasjonen av systemets fokusakser.

For løsning av K^ i ligning (2) oppstilles ligningen:

Ligning (3) kan derved dannes både for rulling og K f stigning.

Betegnelsene stigningsfokusvannlinje og rullefokusvannlinje benyttes nedenfor i forbindelse med denne beskrivelse, hvor det ved rullefokusvannlinjen forstås det sted hvor rulleaksen for understøttelsessystemet går gjennom rotorakselen, og ved stigningsfokusvannlinjen forstås det sted hvor stigningsaksen for understøttelsessystemet går gjennom den forlengete rotoraksel. Det fremgår av ligning (3) at for en vilkårlig gitt fokusvann-linje kan L og D anordnes slik at K f kan løses ved hjelp av ligning (3).

Fig. 8 viser avhengigheten mellom avvikelsen og stigningsfokusvannlinjen. Man velger en gitt stigningsfokus som vil gi den ønskete avvikelse. De neste faktorer som skal velges er giringsstivhet og rullefokus. Idet det er ønskelig at under-støttelsessystemet skal ha en maksimal giringsstivhet, må man inngå et kompromiss ved valget av giringsstivhet og rullefokus av praktiske hensyn, såsom størrelsen av de elastiske bæreputer, frigangen mellom disse og kraftoverføringsmekanismen og skroget, bæreputenes festemåte til kraftoverføringsmekanis-men, samt systemets vertikale fleksibilitet.

I fig. 9 anvendes den valgte stigningsfokusvannlinje for bestemmelse av giringsstivheten, som primært er en funksjon av den elastiske bæreputes kompresjonsstivhet overfor forskjellige antatte rullevannlinjer, slik at man kan tegne den i fig.

9 viste foretrukne kurve. Det bemerkes at den ønskete giringsstivhet oppnås med en gitt stigningsfokusvannlinje ved to forskjellige rullefokusvannlinjer. Man velger den rullefokusvann-lin je som er forenelig med de ovennevnte praktiske hensyn.

Man tar den riktige rullefokusvannlinje fra fig. 9 og går over til fig. 10, som viser K_ rulling som funksjon av rullefokusvannlinjen for den ønskete Wn, og man bestemmer den nød-vendige rullestivhet. Deretter går man over til fig. 11, som viser K, stigning som funksjon av stigningsfokusvannlinjen for den valgte W stigning, og trekker opp den valgte stigningsfokusvannlinje som vist og bestemmer den nødvendige stigningsforskyvning.

Med disse data kan man da velge den rullefokusvannlinje og stigningsfokusvannlinje som totalt sett er best egnet for understøttelsessystemet 27, og derved fastlegge stigningsaksen 76 og rulleaksen 72 ved å betrakte disse data og velge den foretrukne stigningsfokusvannlinje og rullefokusvannlinje for å frembringe den ønskete giringsstivhet og den optimale rulling og K, stigning for det aktuelle understøttelsessystem og under hensyntagen til de ovennevnte kompromisser.

Et annet trekk ved understøttelsessystemet i helikopteret ifølge oppfinnelsen er at det gjør det mulig å velge stigningsaksen slik at det dannes en liten reaksjon overfor skroget og en maksimal langsgående reaksjon av rotorhodet overfor rotorens vibrasjonskrefter. Dette oppnås ved å holde stigningsaksens beliggenhet så langt under rotorhodet som mulig og derved for-sterke den lille resterende stigningsreaksjon av helikopterkroppen til en nødvendig stor reaksjon i rotorhodets plan for en effektiv funksjon av dempeorganer for svingninger i rotorplanet. Ved å legge stigningsaksen et godt stykke under kraft-overføringsmekanismen og rotoren vil rotorbevegelser om disse ligge stort sett i rotorplanet og derved øke effektiviteten av vibrasjonsdempeorganer i rotorplanet. En slik effektiv vibrasjonsdempning i rotorplanet reduserer amplityden for de vibrasjoner som overføres fra rotoren til kroppen gjennom de elastiske bæreputer 20-26.

Claims (7)

1. Helikopter, omfattende en hovedløfterotor (16), en kraft-overføringsmekanisme (14) som understøtter og driver rotoren til. omløp om en rotasjonsakse (18), en kropp (12) samt en vibrasjonsdempende understøttelsesmekanisme (27) for rotoren og kraftoverføringsmekanismen på kroppen, hvor understøttelses-mekanismen (27) omfatter et antall understøttelseslégemer (20,22,24,26) som hvert har en selektivt orientert akse (50, 64,66,68) og er forbundet med kroppen og understøtter kraft-overføringsmekanismen i avstand fra denne, idet hvert legeme omfatter skiftende lag (40,42,44,48,52,54,56,58,60,62) av elastomer- og metallaminater oppstablet under kompresjon mellom kroppen (12) og kraftoverføringsmekanismen (14) og anbrakt konsentrisk om legemets akse (50,64,66,68), slik at laminatene er orientert vinkelrett på aksen, og hvor hvert legeme bestemmer en fokuslinje som faller sammen med aksen slik at forskyvningslinjene (78,80) overfor rulling og stigning for hvert elastomerlaminat står vinkelrett på fokuslinjen, og hvor hvert legemes fokuslinje skjærer en tilsvarende fokuslinje for andre legemer slik at det bestemmes en systemrulleakse (72) som løper i vertikal avstand fra understøttelses-legemene og på langs av kroppen og forskjøvet vertikalt til den ene side av legemene, og bestemmer en systemstigningsakse (76) som løper i vertikal avstand fra understøttelses-legemene og på tvers av kroppen, karakterisert ved at understøttelseslegemene (20,22,24,26) er anordnet slik at understøttelsesmekanismens (27) stigningsakse (76), som er bestemt av de skjærende fokuslinjer, er forskjøvet vertikalt til den annen side av understøttelseslegemene fra rulleaksen (72), og at rulleaksen (72) og stigningsaksen (76) er forskjøvet fra understøttelseslegemene i en valgt avstand hvorved det oppnås vibrasjonsisolasjon gjennom understøttelses-legemene mellom kroppen (12) og kraftoverføringsmekanismen (14) og betydelig giringshindring i systemet.

2. Helikopter i samsvar med krav 1, karakterisert ved at elastomerlaminatene (40,42,44,48,52,54, 56,58,60,62) har en valgt forskyvnings- og kompresjonsstivhet til dannelse av en egenfrekvens for kraftoverføringsmekanismen (14) som er tilstrekkelig "under rotorvingenes omløpsfrekvens, slik at kroppen (12) isoleres fra vingefrekvenskrefter.

3. Helikopter i samsvar med krav 1, karakterisert ved at rulleaksen (72) ligger over legemene (20,22,24,26) og stigningsaksen (76) ligger under legemene for frembringelse av giringshindring i kraftoverføringen.

4. Helikopter i samsvar med krav 3, karakterisert ved at det omfatter minst ett absorpsjonsorgan (19) som er innrettet til å oppta vibrasjoner i rotorplanet og som er forbundet med rotoren (16) på slik måte at rotor-bevegelsen om stigningsaksen (76) ligger stort sett i rotorplanet for maksimering av absorpsjonsorganets (19) effek-tivitet.

5. Helikopter i samsvar med et av de foregående krav, utstyrt med fire understøttelseslegemer (20,22,24,26), karakterisert ved at to legemer (20,24) er montert foran rotorens (16) rotasjonsakse (18) og på hver side av denne og de to andre legemer (22,26) er montert bak rotorens rotasjonsakse og på hver side av denne.

6. Helikopter i samsvar med krav 5, karakterisert ved at understøttelseslegemene (22 ,26;221,261) som er montert bak rotorens (16) rotasjonsakse (18) er orientert slik at deres fokuslinjer (66,68) skjærer hverandre på rulleaksen (72), at fokuslinjene (50,64) til legemene (20,24;

20',24') som er montert foran rotorens rotasjonsakse skjærer hverandre på rulleaksen (72), at fokuslinjene (50,66) for de to legemer (20,22;20',22') som er montert på den ene side av kraftoverføringsmekanismen (14) skjærer hverandre på stigningsaksen (76), og at fokuslinjene for de to legemer (24, 26;24',26') på den motstående side av kraftoverføringsmekanis-men skjærer hverandre på stigningsaksen (76) slik at det frembringes en forskyvning av rulle- og stigningsaksene henholdsvis over og under kraftoverføringsmekanismen (14) for frembringelse av en giringshindring i kraftoverføringsmekanis-men som oppnås ved å anbringe legemenes elastomerlag under kompresjon i de således orienterte legemer.

7. Helikopter i samsvar med krav 1, karakterisert ved at rulleaksen (72) ligger under kraftover-føringsmekanismens (14) sokkel, og at stigningsaksen (76) ligger over kraftoverføringsmekanismens sokkel slik at det frembringes en giringshindring i kraftoverføringsmekanismen.