NO146460B - Bifilar vibrasjonsdemper for helikopterrotor - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en bifilar yibra-sjonsdemper for helikopterrotor utstyrt med en støtteanordning som er roterbar sammen med rotoren og som er utstyrt med to profilerte hull, en pendelmasse med to profilerte hull som-flukter med hullene i nevnte støtteanordning, rullesplinter som går gjennom de fluktende hull i støtten og massen;

Oppfinnelsen er beregnet for bruk i helikoptre hvor vibrasjoner i rotorplanet skaper vertikale vibrasjoner i skroget og det tas særlig sikte på å frembringe forbedrete bifilare vibrasjonsdempere som kan absorbere slike vibrasjoner.

US-patentskrift 3.540.809 viser bifilare dempere på en helikopterhovedrotor som hovedsakelig består av radiale støtte--■ armer festet til rotornavet. Ved støttearmenes ender bæres pen-deldannende'masser ved hjelp av justerte splinter som løper

gjennom sirkelformete sp'alter i armene og i massene, idet spal-tene er sirkelformete og større i diameter enn splintene,, slik at splintene tillates å rulle fritt over spaltenes bueformete flater når massene reagerer på vibrasjonene i rotorarmene.

Det bifilare system som vist i det nevnte US-patentskrift 3.540.809 har den ulempe at overføringsgraden for den bifilare demper er i sterk avhengighet av den kraft som mottas fra rotoren, og som oppnår maksimum effekt ved bare ett krattnivå. Siden kraften som anvendes på en helikopterrotor er avhengig av fly-forholdene, er det i US-patentskrift 3.540.809 nevnte bifilare system bare effektivt ved ett bestemt flyforhold. Det bifilare systems nevnte karakteristikk skyldes vesentlig amplitydeavhen-gigheten til den bifilare dempers reaksjonskarakteristika.

Hovedformålet ved den foreliggende oppfinnelse er å fremskaffe en forbedret bifilar vibrasjonsdemper til bruk på heli-kopterhovedmotorer. Man tar særlig sikte på å sørge for at bifilarens reaksjon på frekvenser blir lineær og mest mulig effek-tiv over hele det driftsmessige flyområde. Man tar videre sikte på å fremskaffe en bifilar demper som har stort sett konstant naturlig frekvens. Man tar ytterligere sikte på en bifilar demper med avtakende bueradius for demperens tyngdepunkts-bevegelsesbane, og med amplityde som kompenserer for ulineære reaksjons-krefter på amplityden. Det tas sikte på å styre den bifilare demper slik at dens tyngdepunkts-bevegelsesbane, sett i forhold til rotornavet, utgjør en sykloide. Det må også nevnes at man ifølge oppfinnelsen tar sikte på å oppnå toleranse overfor større, pendelsvingninger, reduksjon i systemets vekt, reduksjon i kom-pleksitet med hensyn til optimalisering av bifilaren, eliminering av den ellers vanlige evaluering ved utstrakte prøveflygninger, visshet for maksimal effektivitet av bifilarens drift til enhver tid og eliminering av mulighetene for vibrasjoner som skyldes avvik fra perfekt utforming.

Vibjrasjonsdemperen ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet

ved at profilen i hullene, hvori splintene ruller, gir en avtakende kurveradius for tyngdepunktets bevegelsesbane for.nevnte' masse med amplitydeendringer for massen fra dens nu'11-amplitydestilling.

De viktigste fordeler som oppnås med vibrasjonsdemperen ifølge oppfinnelsen er 1) at den naturlige frekvens hos vibrasjonsdemperen r, forblir relativt k-onstan<t> nar dens amplityde øker,, og 2) at avvikelsen fra opprinnelig (null-amplityde) stilling er slik at-naturlig frekvens øker med amplityden. Herved oppnår man for det første optimal effekt av demperne når den naturlige frekvens hos demperen er lik den eksiterte eller påtvungne frekvens som den er beregnet på å. undertrykke. For det annet vil demperens naturlige frekvens, dersom den faller under den eksiterte frekvens, ikke lenger virke som en vibrasjonsundertrykkel-sesanordning, men vil heller begynne å øke vibrasjonsnivået for systemet i forhold til vibrasjonsnivået for et uisolert system. Konklusjonen er at den sykloidiske bifilare vibrasjonsdemper ifølge oppfinnelsen, som følge av dens naturlige frekvens ligger meget tettere opp til dens opprinnelige frekvens eller null-amplitydens naturlige frekvens, virker mer effektivt enn den vanlige sirkulære bifilare vibrasjonsdemper.

Ytterligere trekk ved oppfinnelsen vil fremgå av den etter-følgende beskrivelse under henvisning til de medfølgende teg-ninger, hvori:

Fig. 1 viser i delriss en typisk fembladet helikopterrotor utstyrt med bifilare dempere. Fig. 2 viser et vertikalt snitt av en bifilar demper ifølge kjent utførelse. Fig. 3 viser et noe forenklet riss av den bifilare demper av kjent utførelse som vist i fig. 2, og viser de sirkulære huller i den'bifilare masse og dens støttearm med justerings-splintene som forbinder disse. Fig. 4.viser et liknende riss til fig. 3, og viser den bifilare demper ifølge oppfinnelsen. Fig. 5 viser et skjematisk riss av et helikOpterrotorhode, og viser seks bifilare dempere ifølge oppfinnelsen. Fig. 6 viser en lineær kurve som illustrerer relativ amplityde og naturlige frekvensområder for den kjente sirkulære bifilar og for den forbedrete bifilar ifølge oppfinnelsen. Fig. 7 viser en tilsvarende lineær kurve sonf illustrerer overføringsgraden sammenliknet med benyttet kraft for sirkulære og sykloide dempere.. •Fig. 8 viser en kurve som angir overføringsgraden i forhold 'til prosentvis manglende justering. Fig. 9 viser en Liknende kurve som viser demperamplityde-i grader i forhold til prosentvis manglende justering. Fig. 10 viser i skjematisk riss tyngdepunktsbanen for justeringssplinten.

I fig. 1, og 3 vises rotorhodet som beskrevet,.! det, forannevnte US-patentskrif t 3-. 540 . 809 .-Fig. 1 viser et delriss

. av en fembladet helikopterhovedrotor, som generelt betegnet

med henvisningstallet 10, som er montert på den øvre ende av en vanlig rotbrdrivaksel (ikke. vist). Den sentrale del av rotoren' 10 dannes av et nav 12 som innbefatter radialt utadrettede armer eller plater 14 som roterer sammen med dette og til hvilke rotorbladene 16 er festet i stiv forbindelse eller leddet via hylse- og spindelanordninger 18. Bladene 16 er fortrinnsvis lagret for bevegelse om fedringsakser 20, som tillater endring av stigningsvinkel, noe som skal kunne utføres både syklisk og kollektivt.

De sammenstilte vibrasjonsdemperdelene monteres på navet

12 for rotasjon sammen med hovedmotoren 10, og innbefatter en stjerneformet støttedel som er sammensatt av en sentralringdel

24 og stjernespissdel 26 som stråler radialt utad fra denne i et plan parallelt med bladrotasjonsplanet, som heri er vist over bladene. Labber 28 rager nedad fra ringdelen 24 og er bol-tet direkte til platedelene 14 i navmontasjen.

En bifilar vibrasjonsdemper 30 er plassert ved enden av hver stjernespissdel 26. Ved ytterenden er delen 26 utstyrt med to runde hull 32 som er plassert ved siden av hverandre (fig. 3) og som er utstyrt med foringer 34 (fig. 2). En pendel-del 36, som har U-formet tverrsnitt, er i sine to sideplater

38 og 40 utstyrt med to runde hull 42 som er plassert ved siden av hverandre og utstyrt med foringer 44 og 46. Delen 36 er for-bundet med armen 26 ved hjelp av to rullesplinter .48 som løper gjennom hullene i armen 26 og sideplatene 38 og 40. Hver rullesplint 48 innbefatter en boltdel 50 som har en mutter 52 for å posisjonere sylindriske avstandsstykker 54, -56 og 58, og ringformete skiver 60 og 62 mellom disse. De ringformete skiver 60 og 62 er tykkest ved navpartiet, og løper konisk utad mot omkretsen for derved å redusere indre'friksjon i den bifilare demper. Konstruksjonen som beskrevet så langt, er vist i det tidligere nevnte US-patentskrift 3.540.809... Under driften av den kjente sirkulære bifilare demper, .bringer delenes 36 pendlende bevegelse, splintene 48 til å rulle over de motstående kanter i de runde.huller i armene 26 og side-armene 38 og 40 på motsatte sider av. splintene, idet bevegelsene er begrenset til'et -relativt lite bueparti.på de. runde huller. Den kjente konstruksjon lykkedes i å redusere i stor utstrekning de vertikale vibrasjoner i skroget forårsaket av plane vibrasjoner. Imidlertid er overføringsevnen til en bifilar demper i sterk grad avhengig av tilført kraft (bladbelastninger) og gir maksimal effekt ved bare ett kraftnivå som følge av ampli-tydeavhengigheten for en bifilar dempers responskarakteristikk. Da kraften som anvendes på et rotorhode er avhengig av faktiske flyforhold, betyr dette at det bifilare system er fullt effektivt ved bare ett bestemt flyforhold. Når amplityden til bifilaren endres, forandres også resonansfrekvensen. Det er således den relative lokalisering av resonansfrekvensen og kraft-tilførselsfrekvensen som definerer bifilarens effektivitet,

og maksimum effektivitet oppnås bare når bifilarens naturlige frekvens er lik krafttilførselsfrekvensen. Følgelig må bifilaren drives ved en bestemt amplityde i avhengighet av rotor-krefter som ikke er kjent i nøyaktig grad. Den riktige utforming

av den kjente sirkulære bifilar er således basert på et komplekst problem, og krever vanligvis utstrakte prøveflygninger for for-skjellige bifilare utforminger for hvert helikopter for fast-settelse av endelig utforming.

Den forbedrete bifilare demper ifølge oppfinnelsen som vist skjematisk i fig. 4, avviker fra den sirkulære bifilar i fig. 3 når det gjelder hullene 70 i støttearmen 26 og hullene 72 i pendelmassen 36. Disse huller er, istedenfor å være sirkulære, formet slik at pendelmassens tyngdepunktsbane er en sykloide istedenfor en sirkelbue. Dette oppnås ved maskinering, av hullene 70 og 72 i bifilarens støttearm og massen 36, slik at rullesplintenés 48 midtlinje beveges i en sykloidisk bane som vist skjematisk med prikkete linjer i fig. 4. Maskineringen av hullene 70 og 72 for å frembringe en sykloidisk bane for splintenes 48 midtlinje, og derved også sykloidisk bane for massens" 36 tyngdepunktsbane-, kan utføres som angitt i det etter-følgende under henvisning til fig. 10.

Profil B Foringenes kurve

X = a ( - sin - t) - d/2 cos <f/2

Y =.a ( 1 - cos <t> ) + d/2 sin <t>/2

Profil A Rullesplintens bévegelsesbane

X = a ( - sin <t> ' -tt )

Y = å ( 1 - cos t )

■ Hvori: a ønsket størrelse for sykloide-bevegelseskurven for'

.rullesplintens lengdeakse

rullevinkel for sirkelen som angir sykloideformen d rullesplint-diameter.

En sykloide defineres som banen til et punkt X på sirkelens y omkrets når sirkelen rulles langs en plan flate z. Sykloidekurven som benyttes til å illustrere den foreliggende oppfinnelse for å frembringe en avtakende kurveradius for bevegelses-banen til demperens tyngdepunkt, for å kompensere for effekter 'av ulineære amplitydereaksjonskrefter. En vilkårlig profil som gir en reduksjon i kurveradius, vil gi samme effekt, selv om den spesifikke naturlige frekvens ved en gitt amplityde kan være forskjellig fra en sykloide, og følgelig er oppfinnelsen i sin fulle bredde ikke begrenset til den nøyaktige sykloideprofil.

Man vil se at hvert hull 70 består av to motstående sykloidekurver 70a og 70b, og at hvert hull 72 består av to like motstående sykloidekurver 72a og 72b. Bare de kurver 70b og 72b som splintene 48 beveger seg over ved pendlende bevegelser av massen 36, brukes under driften av demperen. Ved det viste arrangement vil massens 36 tyngdepunkt bevege seg langs en syk-loidekurve 74, som har en radius som vist i fig. 4 i massens D - d luftamplitydestilling. Sykloidekurven 74 vil selvsagt

være dobbel så stor som de kurver som splintene 48 ruller over.

De vesentlige fordeler ved sykloidisk eller konstant fre-• kvensbasert rotorhodedemper, skyldes det faktum at demperens naturlige frekvens holdes relativt konstant når dens amplityde økes, og at avviket fra utgangs- (null-amp.lityde) stilling er slik at den. naturlige frekvens øker med amplityden. Disse karakteristika er fordelaktige på grunn av dempernes to fundamentale karakteristika: 1).Optimal effektivitet oppnås .når demperens naturlige frekvens er lik den eksiterte eller påtvungne frekvens som»den er ment å undertrykke og 2) at når en dempers naturlige

■ .frekvens faller under den eksiterte frekvens ér den ikke lenger. en vibrasjonsdempende innretning, men begynner derimot å øke systemets vibrasjonsnivå til over nivået for et uisoler.t system.: Idet den naturlige frekvens holdes mye nærmere dens opprinnelige eller null-amplitydiske, naturlige frekvens, har deri sykloide eller kqnst.ant. frekvensbaserte bifilar eh mer effek-tiv drift enn en -s<*>tandard sirkulær bifilar, fordi dens naturlige frekvens ligger" meget nærmere opp til ekssitasjonsfrekvensen.

Av fig. 9 fremgår at en sirkulær bifilar, for å ha en korrekt drift"ved en praktisk amplityde, først må'.innstilles på en høyere frekvens enn ekssitasjonsfrekvensen. Ved lave amplityder er derfor.en standard bifilar ikke tilsvarende effek-tiv som en korrekt innstilt sykloidisk bifilar. Ved amplityder med høy reaksjon, holdes den sykloidiske bifilars naturlige frekvens over ekssitasjonsfrekvensen, og fortsetter derved å

gi isolasjon, mens derimot en standard bifilars naturlige frekvens har falt under ekssitasjonsfrekvensen, .slik at den derfor ikke lenger tjener som en demper.

Den sykloide demper virker følgelig som et mer effektivt vibrasjonsdempende middel med lavere flyvibrasjonsnivåer i hele demperens driftsområde, og forårsaker aldri flyvibrasjoner som øker utover tilsvarende uisolerte nivåer.

Fra kurvene kan man se at for å la en vanlig eller sirkulær demper, hvis naturlige frekvens faller med amplityde, drives ved en begrenset amplityde under toppbelastning, må

denne overjusteres ved lav amplityde, noe som minsker dens effektivitet ved lave belastningsnivåer. Den sykloide bifilar trenger ikke en slik overjustering, og derfor virker den med maksimal effektivitet ved lave amplityder.

Ved høye amplityder, forårsaker den vanlige demperens amplityde at dens naturlige frekvens faller under ekssitasjonsfrekvensen, og derved oppstår ikke bare manglende isolasjon,

men også forsterkning av vibrasjonene. Den sykloide bifilar på den annen side minsker ikke sin naturlige frekvens, og fortsetter derved å isolere selv ved høye belastningsnivåer. Hvis den sykloide bifilar ikke kom ut av sin stilling i det hele tatt, ville den kunne virke med optimal effektivitet til enhver tid. Imidlertid kommer den noe ut av stilling, men fremdeles virker den med tilnærmet maksimal effektivitet.

I illustrasjonsøyemed er den foretrukne sykloideprofil beskrevet i detalj, men denne ønskes ikke begrenset til den viste profil alene, idet denne bare er en matematisk kurve som gir en avtakende kurveradius.for banen til demperens tyngdepunkt ved forandringer av amplityde fra dens opprinnelige eller null-amplitydestilling. Enhver profil som gir en minskning i kurveradius, vil gi samme type effekt, selv om den' særlige naturlige frekvens ved en' gitt amplityde kan være forskjellig fra den som frembringes av en sykloide. Generelt vedrører denne oppfinnelse bruken av enhver profil som gir minskning i kurveradius for tyngdepunktets bevegelsesbane for å kompensere for fallet i reaksjonskraft med amplityde for at demperens naturlige frekvens skal bli nær dens naturlige frekvens ved null-amplityde.

Mens oppfinnelsen heri er beskrevet i sammenheng med en helikopterrotor, vil det fremgå at den kan anvendes på bifilare dempere brukt på motoraksler i helikoptre og fly eller ellers hvor bifilare dempere er ønskelige.

Claims (1)

1. Bifilar vibrasjonsdemper for helikopterrotor (10) utstyrt med en støtteanordning (24,26) som er roterbar sammen med rotoren (10) og som er utstyrt med to profilerte hull (32), en pendelmasse (36) med to profilerte hull (42) som flukter med hullene (32) i nevnte støtteanordning (24,26), rullesplinter (48) som går gjennom de fluktende hull (32,42) i støtten (24,26) og massen (36), karakterisert ved at profilen i hullene (32,42), hvori splintene (42) ruller, gir en avtakende ■ kurveradius for tyngdepunktets bevegelsesbane for nevnte masse (36) med amplitydeendringer for massen (36) fra dens null-amplitydestillin.g.

2. Vibrasjonsdemper i samsvar med krav 1, karakterisert ved at hullenes (32,42) kanter i støtte-anordningen (24,26) og pendelmassen (36) er profilert for å gi gradvis avtakende kurveradius for bevegelsesradius til massens (36) tyngdepunkt, idet dette svinger i den ene eller annen retning bort fra dens null-amplitydestilling.

3. Vibrasjonsdemper i samsvar med krav 1, karakterisert ved at hullenes (32,42) kant i støtten (24,26) Og pendelmassen" (36•')'■har- stort sett sykloidisk profil.

4. Vibrasjonsdemper i samsvar med krav 1, karakterisert ved at hullene i støtteanordningen (24,

26) og i pendelmassen (36) utgjør en sykloidisk bevegelsesbane for rullesplintenes (42) langsgående senterlinje når nevnte masse (36) svinger i den ene eller annen retning fra dens null-amplitydestilling .