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Dokumentenidentifikation DE10152961B4 22.01.2009
Titel Rotorblatt-Dämpfungseinrichtung
Anmelder Eurocopter Deutschland GmbH, 86609 Donauwörth, DE
Erfinder Denecke, Ulrich, 85579 Neubiberg, DE;
Hausmann, Gerhard, 85635 Höhenkirchen-Siegertsbrunn, DE;
Enenkl, Bernhard, 85461 Bockhorn, DE;
Kuntze-Fechner, Gerald, 83666 Waakirchen, DE
DE-Anmeldedatum 26.10.2001
DE-Aktenzeichen 10152961
Offenlegungstag 15.05.2003
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 22.01.2009
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.01.2009
IPC-Hauptklasse B64C 27/51  (2006.01)  A,  F,  I,  20051017,  B,  H,  DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Rotorblatt-Dämpfungseinrichtung, nachfolgend kurz Dämpfungseinrichtung genannt, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einem lagerlosen Rotor eines Hubschraubers besitzt das Rotorblatt eine Dämpfungseinrichtung. Die Dämpfungseinrichtung dämpft die Schwenkbewegung des Rotorblattes während der Rotation.

Ein solches Rotorblatt wird in der Regel aus Faserverbund-Werkstoff hergestellt. Das Rotorblatt eines lagerlosen Rotors besitzt am inneren Ende zum Rotorkopf hin ein biege- und torsionsweiches Strukturelement (vom Fachmann auch Flexbeam genannt), das die Bewegung des Rotorblattes in Schlag- und Schwenkrichtung, sowie die Anstellwinkelsteuerung zulässt. Außerdem überträgt der Flexbeam die Fliehkräfte des mit ihm verbundenen, auftrieberzeugenden Blattes auf den Rotorkopf. Beim rotierenden Rotorblatt kommt es (im Zusammenhang mit einer gesteuerten Winkelauslenkung um die Längsachse des Rotorblatts) zu einer oszillierenden Schwenkbewegung des Blattbereichs innerhalb einer Ebene, der Schwenkebene, die im Wesentlichen mit der Rotationsebene des Rotorblatts identisch ist. (Die Schwenkung des Rotorblatts erfolgt aus der Rotorblattlängsachse heraus.) Um ausreichende Boden- und Luftresonanzstabilität sicher zu stellen, muss die Schwenkbewegung des Rotorblattes gedämpft werden. Für diese Dämpfung des Rotorblattes ist die Dämpfungseinrichtung notwendig. Diese besteht aus einem Dämpfungselement sowie einer dazugehörigen Halte- und Lagerungseinrichtung. Bekannterweise besteht ein Dämpfungselement aus Gründen der Steifigkeit aus einem mehrschichtigen Elastomerverbund. Die notwendige Dämpfung entsteht durch die periodische Schubverzerrung der Elastomerschichten während des Schwenkvorganges. Bei bisher im Einsatz bekannten Hubschraubern ist die Dämpfungseinrichtung zwischen einem Anschluss des Rotorblattes am Rotorkopf (vom Fachmann auch Blattwurzel genannt) und einem schwenkweichem Bereich des Flexbeam angeordnet. Die Bauhöhe des Dämpfungselements und dessen Anordnung oberhalb bzw. unterhalb des Flexbeam entsprechend DE 35 26 470 C1 beeinflussen die Aerodynamik des Rotorblattes nachteilig. Bei außenliegenden Dämpfungselementen (außerhalb der Steuertüte) können zudem Probleme mit der Freigängigkeit von Steuerstangen oder Rotorkopfabdeckungen auftreten. Die nach DE 35 26 470 C1 zu verwendenden, hochbauenden Dämpfungselemente bestehen aus mehreren Elastomerschichten zwischen denen sich steife Schichten (z. B. Metall) befinden, um die Axiallasten besser aufnehmen zu können. Diese Dämpfungselemente zu fertigen ist aufwendig und teuer. Damit solche bekannten Dämpfungselemente geringe Dämpfungsverluste besitzen, muss die Befestigung der Dämpfungselemente und deren Krafteinleitung spielfrei und sehr steif ausgeführt werden. Eine steife Anbindung ist generell für ein effizientes Arbeiten der Dämpfungselemente sinnvoll.

Mit der DE 199 15 085 A1 wurde eine Weiterentwicklung hinsichtlich der Anordnung der Dämpfungseinrichtung und der Gestaltung des Dämpfungselements gemacht. Die DE 199 15 085 A1 lehrt, an einem Rotorblatt für einen lagerlosen Rotor eines Hubschraubers bei den dortigen Dämpfungselementen die Dämpferauslenkung zu verkleifern, um wesentlich flachere Formen von Dämpfungselementen zu realisieren, die einfacher und kostengünstiger zu fertigen sind.

Das Dämpfungselement wird dort in der Schwenkebene liegend am Rotorblatt zwischen dem schwenkweichen Bereich des Flexbeam und einem Übergangsbereich zwischen Flexbeam und auftrieberzeugenden Blatt angeordnet. Durch diese Anordnung wird das Übersetzungsverhältnis von Schwenkbewegung des Rotorblattes zu Dämpferverschiebung verändert. Es wird eine geringere Auslenkung des Dämpfungselements erreicht. Diese Auslenkung wird auch Dämpferverschiebung genannt. Bei der Auslenkung des Dämpfungselements (Dämpferverschiebung) erhält die dämpfende Elastomerschicht eines Dämpfungselements eine zeitweise Schubverzerrung gegenüber ihrer Ausgangslage (Ruhelage) im ungeschwenkten Zustand. Die Schubverzerrung wird definiert als der Quotient aus Verschiebung und Dämpfermaterialhöhe. Eine Projektion der ausgelenkten Position einer Elastomerschicht auf die nicht ausgelenkte Position dieser Elastomerschicht zeigt bei einer Schubverzerrung einen veränderten Überdeckungsgrad beider Positionen der Elastomerschicht.

Bei einer Anordnung eines Dämpfungselements nach der DE 199 15 085 A1 zwischen schwenkweichem Bereich des Flexbeam und dem Übergangsbereich zwischen Flexbeam und auftrieberzeugenden Blatt werden höhere Scherkräfte und geringere Relativwege im Dämpfungselement erzeugt. Es wird damit möglich, die Bauhöhe einer Dämpfungseinrichtung und somit die Anzahl der Dämpfungselemente (Elastomerschichten) deutlich zu reduzieren ohne das Niveau der Schwenkdämpfung zu verringern.

Der nach der DE 199 15 085 A1 mögliche Einsatz von Dämpfungselementen deutlich geringerer Dicke ermöglicht es, in vorteilhafter Weise die Steuertüte des Rotorblattes kompakter und somit aerodynamisch günstiger zu gestalten.

Die DE 199 15 085 A1 lehrt, die Bauhöhe einer Dämpfungseinrichtung um das 3- bis 4-fache gegenüber der Bauhöhe einer konventionellen, diskreten Dämpfungseinrichtung zu reduzieren. Es wird die Möglichkeit beschrieben, das Dämpfungselement mit ausreichend hoher Axialsteifigkeit beispielsweise mit nur noch einer Elastomerschicht ohne Metallzwischenscheiben einzusetzen.

Die DE 199 15 085 A1 ist der Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht.

Wie die DE 199 15 085 A1 in der dortigen 5 zeigt, führt die vorgegebene zulässige Gesamtbreite und erforderliche Größe der Dämpfergrundfläche zu einer länglichen Formgebung der dort positionierten Dämpfungseinrichtungen. Eine dort gezeigte Dämpfungseinrichtung beinhaltet ein Dämpfungselement (eine Elastomerschicht oder -lage) von gleichmäßiger Schichtdicke. Aufgrund der Beanspruchung unterliegt das Dämpfungselement einem Verschleiß. DE 199 15 08 A1 zeigt ein fiktives Schwenkgelenk welches außerhalb der Dämpfungseinrichtung zwischen Flexbeam-Wurzel und Dämpfungseinrichtung liegt.

Bei einer Dämpfungseinrichtung für ein Rotorblatt eines lagerlosen Rotors eines Hubschraubers, dessen Dämpfungseinrichtung im Bereich zwischen fiktivem Schwenkgelenk des Flexbeam und dessen Übergang zum auftrieberzeugenden Blatt angeordnet ist, ist es Aufgabe der Erfindung, bei Gewährleistung einer gleichbleibend hohen Torsinns- und Axialsteifigkeit (hohen Dauersteifigkeit) des Dämpfungselements eine deutlich höhere Lebensdauer des Dämpfungselements zu erreichen.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine erfindungsgemäße Rotorblatt-Dämpfungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Dämpfungseinrichtung weist mindestens zwei beidseitig neben dem Flexbeam angeordnete Dämpungselemente auf Das Dämpfungselement der Dämpfungseinrichtung hat eine längliche Form. Erfindungsgemäß wurde die Schichtdicke des Dämpfungselements über ihrer Grundfläche unterschiedlich stark ausgeprägt. Das Dämpfungselement ist beispielsweise eine Elastomerschicht. Dabei ist die Schichtdicke der Elastomerschicht kontinuierlich variiert. Die Schichtdicke ist unterschiedlich in Abhängigkeit des radialen Abstandes gegenüber dem fiktiven Drehpol der Dämpfungseinrichtung beim Schwenken des Rotorblattes. Dieser fiktive Drehpol ist mittig zwischen den Dämpfungselementen angeordnet. Bei wachsendem radialen Abstand vom Drehpol wächst auch die Schichtdicke der Elastomerschicht. Eine solche Formgebung des Dämpfungselements, d. h. der Elastomerschicht, ist vorteilhaft durch die Erreichung von konstanten Schubspannungen und -verzerrungen im Elastomerbereich. Diese Formgebung trägt den unterschiedlich starken Verschiebungen zwischen den radial inneren und äußeren Bereichen eines Dämpfungselements bei einer Schwenkbewegung um den fiktiven Drehpol Rechnung.

Entsprechend dem Gradienten der Beanspruchung während eines Schwenkvorganges des Rotorblattes geht die Erfindung davon aus, die Dicke (Stärke bzw. Höhe) des Dämpfungselements (Elastomermaterials) über der Fläche des Dämpfungselements (Elastomermaterials) zu variieren, d. h. die Stärke des Elastomermaterials ist über der Bodenfläche des Elastomermaterials betrachtet unterschiedlich ausgeprägt. Die Bodenfläche des Elastomermaterials liegt auf der Grundplatte der Dämpfungseinrichtung. Bereiche des Dämpfungselements mit großen Verschiebungen werden in der Stärke erhöht und Bereiche mit geringeren Verschiebungen erhalten eine geringere Dicke. Die Übergänge sind kontinuierlich. Die Beanspruchungen (Spannungen) des Materials sind aufgrund der Anpassung der Dicke an die auftretenden Verschiebungen überall gleich.

Die Erfindung erbringt den Vorteil einer optimalen Ausnutzung des vorhandenen Dämpfungselements, so dass bei geförderter, hoher Dämpfersteifigkeit alle Bereiche des Dämpfungselements gleichmäßig verschoben (verzerrt) und beansprucht werden. Konstante Spannungen und Verzerrungen im Elastomer bedeuten optimale Nutzung des Dämpfungspotentials bei optimaler Lebensdauer.

Nach einer weiteren Ausgestaltung ist es möglich, am Umfang eines Dämpfungselements lokal gezielt die Verzerrung geringfügig zu erhöhen. Das ist durch eine lokale Verringerung der Schichtdicke im Umfangsbereich möglich. Ein solcher ausgewählter Umfangsbereich sollte einer Sichtinspektion leicht zugänglich sein. Im Ergebnis werden in diesem ausgewählten Umfangsbereich ungleichmäßig erhöhte Verzerrungen stattfinden. Damit wird es möglich, an einer solch optisch gut inspizierbaren Stelle im Umfangsbereich des Dämpfungselements lokale Schädigungen als Indikator für Beginn des Versagens des Dämpfungselements zu gestalten (Sollermüdungsstelle). Mit einer solchen lokalen Verringerung der Schichtdicke im Umfangsbereich ist auf einfache Art und Weise ein Diagnosemittel geschaffen, welches eine Inspektion des Dämpfungsmittels und eine Abschätzung der Lebensdauer des Dämpfungselements besser ermöglicht.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines ausführlichen Beispiels und dazugehöriger Zeichnungen erläutert. Es zeigt

1 einen Beschlag für einen Flexbeam-Kopf mit einer erfindungsgemäßen Dämpfungseinrichtung,

2 einen schematischen Querschnitt durch die Dämpfungseinrichtung mit einem Flexbeam und einer Steuertüte,

3 eine perspektivische Darstellung eines Dämpfungselements auf seiner Grundplatte.

1 zeigt einen Beschlag 7 mit einzelnen Dämpfungseinrichtungen 10, 11, 12, 13. Der Beschlag 7 hat zwei Beschlagschenkel 70, 71 ausgebildet. Im Scheitel bilden die beiden Beschlagschenkel 70, 71 eine Aussparung 9. Die Aussparung 9 endet in einem spaltförmigen freien Raum 90, der durch zwei Wandungen 91, 92 begrenzt ist. Die Wandungen 91 und 92 werden von je einer Bohrung 80, 81 durchstoßen.

Dieser Beschlag 7 nimmt den Flexbeam-Kopf und die Befestigungsmittel des auftrieberzeugenden Blattes auf. Der Flexbeam-Kopf wird in den Spalt zwischen den beiden Beschlagschenkeln 70, 71 und in die Aussparung 9 geführt und dort befestigt. Die Befestigung ist nicht dargestellt. Als Befestigung sind beispielsweise vorteilhaft das Kleben oder das Verschrauben u. a. zu nennen. Diese Befestigung erfolgt im Bereich der Wandung 91 und 92. Der Flexbeam-Kopf liegt somit zwischen den beiden Bohrungen 80, 81. Die Befestigungsmittel des auftrieberzeugenden Blattes, beispielsweise zwei Schenkel des Blattes, werden zwischen die beiden Wandungen 91, 92 geführt und deren Bohrung deckungsgleich zu den Bohrungen 80, 81 angeordnet. Beispielsweise mittels Schraubmitteln werden die Schenkel des auftrieberzeugenden Blattes über die Bohrung 80, 81 mit dem Beschlag fest verschraubt, d. h. fest verbunden. Die Bohrungen 80, 81 mit den zugehörigen Schraubmitteln stellen eine Trennstelle zwischen Flexbeam und auftrieberzeugenden Blatt dar. Der Flexbeam mit Flexbeam-Kopf und das auftrieberzeugende Blatt liegen in Richtung der Längsachse AL. Beidseitig neben dem Flexbeam liegen die beiden Beschlagschenkel 70, 71. Jeder der Beschlagschenkel trägt auf seiner Ober- und Unterseite je eine Dämpfungseinrichtung. Jede Dämpfungseinrichtung 10, 11, 12 13 besitzt eine Grundplatte 2, ein Dämpfungselement 4 und eine Deckplatte 3.

Die Dämpfungseinrichtungen 10, 11 sind beispielsweise mittels einem Befestigungsmittel 50, 51 am Beschlagschenkel 70 befestigt. Analoges gilt für die Dämpfungseinrichtung 12, 13 am Beschlagschenkel 71.

In 1 ist ein Schnitt A-A geführt. Dieser Schnitt ist dargestellt in 2. Ergänzend sind in 2 der Flexbeam 14 und die Steuertüte 15 dargestellt. Beide waren in der 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. Beidseitig neben dem Flexbeam 14 liegend sind die beiden Beschlagschenkel 70, 71 zu erkennen. Die Beschlagschenkel haben aus Gewichtsgründen Hohlkammern 701, 702; 710, 711 ausgebildet.

Beispielsweise sind oberhalb und unterhalb des Beschlagsschenkels 70 die Dämpfungseinrichtungen 10 und 11 angeordnet. Die Dämpfungseinrichtung 10 lässt die Deckplatte 3, des Dämpfungselements 4 und die Grundplatte 2 erkennen. Analog sind die anderen Dämpfungseinrichtungen 11, 12, 13 aufgebaut. Am Querschnitt der Dämpfungseinrichtung 10 (ebenso wie bei den anderen Dämpfungseinrichtungen) ist zu erkennen, dass das Dämpfungselement 4 und die Deckplatte 3 über den Querschnitt eine unterschiedliche Stärke besitzen.

2 lässt weiterhin deutlich erkennen, dass die Dämpfungseinrichtung 10, 11, 12, 13 einerseits mit einem Beschlagschenkel 70, 71 und somit mit dem Flexbeam fest verbunden ist und andererseits mittels der Befestigungsmittel 16, 17 mit der Steuertüte 15 fest verbunden ist. Das Befestigungsmittel 16, 17 kann beispielsweise durch eine Verschraubung 160, 170 mit zugehörigen Distanzmittel 161, 171 und Deck- und Dichtmittel 162, 172 gebildet werden.

Die Schwankung in der Schichtdichte des Dämpfungselements 4 zeigt sich in Richtung entlang der Deckplatte 3. Die Deckplatte 3 muss deshalb so gestaltet sein, dass sie formschlüssig auf das Dämpfungselement 4 auflegbar ist.

Wie 2 im weiteren zeigt, sind die Dämpfungseinrichtungen 10, 11, 12, 13 im Wesentlichen in der Schwenkebene E des Rotorblattes angeordnet.

3 zeigt die Bauform eines Dämpfungselements 4 auf der Grundplatte 2 einer Dämpfungseinrichtung 10. Charakteristisch ist, dass die Dicke (Stärke) des Dämpfungselements über dessen der Grundplatte 2 zugewandten Bodenfläche unterschiedlich ist. Das Dämpfungselement 4 besteht in der Regel aus einer einzelnen Elastomerschicht. Die Schichtdicke des Dämpfungselementes 4 bzw. der Elastomerschicht variiert kontinuierlich.

Es wurde herausgefunden, dass die längliche Bauform einer Dämpfungseinrichtung 10, 11, 12, 13 zu stark unterschiedlichen radialen Abständen der inneren sowie äußeren Bereiche des Dämpfungselements von einem fiktiven Drehpol D (vgl. 1) der gesamten Dämpferanordnung des Rotorblattes führt. Die Anordnung der vier Dämpfungseinrichtungen eines Rotorblattes nach 1 werden ähnlich einem Torsionsdrehdämpfer beansprucht. Die auftretenden Verschiebungen der einzelnen Dämpfungselemente nehmen (abhängig vom jeweiligen radialen Abstand gegenüber dem fiktiven Drehpol D) von innen nach außen zu. Der fiktive Drehpol D liegt dabei auf der Längsachse AL. Die Dicke des Dämpfungselementes 4, d. h. die Dicke der Elastomerschicht, wird an die in jedem Flächenelement der Bodenfläche der Elastomerschicht vorliegende Verschiebung angepasst. Somit liegt für jedes Flächenelement der Bodenfläche der Elastomerschicht eine eigene Schichtdicke vor. Folglich besitzt die Elastomerschicht im Ergebnis unterschiedliche Schichtdicken. Diese unterschiedlichen Dicken der Elastomerschicht garantieren eine konstante Schubverzerrung und Schubspannung der Elastomerschicht auf der gesamten Bodenfläche der Elastomerschicht, d. h. des Dämpfungselements. Die Dickenunterschiede der Elastomerschicht zwischen inneren und äußeren Dämpferbereichen der Elastomerschicht sind im Verhältnis zu der mittleren Schichtdicke bei der vorliegenden Anordnung des Dämpfungselements relativ groß. Eine solche Variation der Elastomerschichtdicke, d. h. der Dicke des Dämpfungselementes, ist bei einer Anordnung der Dämpfungseinrichtungen, die zwischen Schwenkgelenk des Flexbeam und Trennstelle zum auftrieberzeugenden Blatt liegen, sehr wirkungsvoll und wirtschaftlich betrachtet sinnvoll.

Bei bekannten Dämpfungseinrichtungen im Stand der Technik, wo die Dämpfungseinrichtung zwischen Flexbeamwurzel und Schwenkgelenk des Flexbeam angeordnet ist, ist eine Variation der Elastomerschicht wenig wirkungsvoll und außerdem wirtschaftlich betrachtet nicht sinnvoll. Bei dieser bekannten Dämpfungseinrichtung im Stand der Technik sind die Dickenunterschiede eines an die auftretenden Verschiebungen bezüglich Verzerrung angepassten Dämpfungselements sehr klein im Verhältnis zur mittleren Schichtdicke.


Anspruch[de]
Rotorblatt-Dämpfungseinrichtung für ein Rotorblatt eines lagerlosen Rotors eines Hubschraubers, wobei die Rotorblatt-Dämpfungseinrichtung (10, 11, 12, 13) zwischen Schwenkgelenk eines Flexbeam (14) und dessen Übergang zum auftrieberzeugenden Blatt angeordnet ist und die Rotorblatt-Dämpfungseinrichtung (10, 11, 12, 13) sowohl mit dem Flexbeam (14) als auch mit der Steuertüte (15) verbunden ist, bestehend aus einer Grundplatte (2) und Deckplatte (3) zwischen der ein längliches, plattenförmiges Dämpfungselement (4) angeordnet ist, wobei eine Bodenfläche des Dämpfungselement (4) auf der Grundplatte (2) aufliegt, wobei mindestens zwei Dämpfungselemente (4) beidseitig neben dem Flexbeam (14) angeordnet sind,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Schichtdicken der länglichen, plattenförmigen Dämpfungselemente (4) über deren Bodenflächen unterschiedlich sind und

die Schichtdicken in Abhängigkeit ihres radialen Abstandes gegenüber einem mittig zwischen den Dämpfungselementen (4) angeordneten fiktiven Drehpol (D) der Dämpfungseinrichtung (10, 11, 12, 13) variieren.
Rotorblatt-Dämpfungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicken kontinuierlich variieren. Rotorblatt-Dämpfungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei wachsendem radialen Abstand eines Ortes im Dämpfungselement (4) gegenüber dem Drehpol (D) die Schichtdicke anwächst. Rotorblatt-Dämpfungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke des länglichen, plattenförmigen Dämpfungselements (4) und die Dicke der Deckplatte (3) in Querrichtung dieser beiden Teile variiert. Rotorblatt-Dämpfungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke des länglichen, plattenförmigen Dämpfungselements (4) und die Dicke der Deckplatte (3) in Längsrichtung dieser beiden Teile variiert. Rotorblatt-Dämpfungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungseinrichtung (10, 11, 12, 13) in einer Schwenkebene (E) des Rotorblattes anzuordnen ist. Rotorblatt-Dämpfungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (4) aus einer einzelnen Elastomerschicht besteht.






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