平面柔性梁单元的制作方法
【专利摘要】一种用于直升机的多桨叶主旋翼的平面柔性梁单元(1，40)，以作为旋翼轴(2)和多桨叶旋翼之间的接口。该平面柔性梁单元(1，40)包括多个大致平面扭矩臂(3-7，41-46)，每个扭矩臂(3-7，41-46)具有沿着其径向延伸部的大致凹弧形面(8)并与其相邻的扭矩臂(3-7，41-46)成一整体。每个扭距臂(3-7，41-46)包括两束由硬质合成树脂凝聚并沿其径向延伸部沿大致凹弧形面(8)布置的大致笔直单向纤维束(10-14)。每个所述纤维束穿入两个大致相对的转矩臂(3-7，41-46)而没有显著的方向改变。
【专利说明】平面柔性梁单元
【技术领域】
[0001]本发明涉及具有权利要求1所述特征的平面柔性梁单元。
【背景技术】
[0002]直升机旋翼系统将直升机桨叶固定和支撑到发动机输出轴，并包括(不仅限于此)安装在输出轴上的桨毂和将桨叶附连到桨毂上的一组心轴或轭。旋翼系统必须承受桨叶旋转时施加的巨大离心力同时允许它们挥舞、俯仰和摆振运动。用于此任务的多个不同的系统是基本设计的变型，称为铰接式和无轴承式或者无铰式。铰接系统使用装备有铰链和轴承的刚性心轴以便前述的桨叶运动。无轴承系统包括特殊复合材料心轴，被称为柔性梁，其具有足够挠性从而可扭曲以使桨叶在没有轴承以及附加机构的状态下运动。对于无铰旋翼，离散铰链的功能由在某些区域抗弯曲能力弱但能传递所有负载，例如剪切力、离心力等的结构实现。对于这些无铰旋翼，定义了挥舞铰链的等同补偿。
[0003]对于柔性梁，需要某一最小横截面来支撑离心桨叶负载和静态桨叶下垂负载，同时上述桨叶运动需要柔性染具有相当大的扭转挠性。可是柔性梁在弦向和翼向挠性上不能太柔软，因为特别是低旋转速度情况下的显著的翼向桨叶变形，或纵向弯曲，将在正常操作情况下出现。因而将在离心负荷强度、疲劳强度、扭转挠性、弦向和翼向挠性之间权衡。现有设计局限在减少挥舞铰链偏移，并且目前不可能实现自动制造。柔性梁需要的最小横截面结合用于俯仰控制的套箍作为环绕结构，即内有柔性梁的闭合的套箍，增加了气动阻力。
[0004]文献US5284420A记载了一种用于直升机尾部反耦合螺旋推进器的多桨叶旋翼，具有桨毂主体，其上连接有可扭转的带，各带由两束扁平横截面的、围绕毂径向布置的纤维形成，每束形成不同桨叶的至少两个半部并在接近桨毂主体中心的通道区域扭转和弯曲，从而沿着桨毂主体横截面更大尺寸形成桨毂主体中心圆周的切线。所述的多桨叶旋翼的桨叶数量可为奇数或偶数。所述的多桨叶旋翼的中心区域形成具有体积减小的桨毂，并且桨叶保持强固和可扭转元件设置在桨毂内，从而在所述桨叶保持元件的工作纤维之间最好地分配压力。当形成不同桨叶的至少两个半部的束在邻近桨毂主体中心的区域扭转和弯曲，所述的束具有高的扭转和弯曲转动惯量，导致相应地高的挥舞铰链偏移。所述的扭转和弯曲束的制造较复杂。
[0005]文献US5091029A记载了一种制造用于无铰柔性梁直升机旋翼的多腿柔性梁的方法，其中柔性梁是一体式结构并且仅由复合材料制成，并包括同向高强度纤维的标准长度板层，从第一腿延伸并在穿过柔性梁的桨毂部分时分裂，并延伸至两个大致上直径上相对的腿，并且十字且单向板层间设在标准长度板层之间，实现柔性梁的桨毂和腿的所需斜度和形状，其中最后的板层敷层是在十二面体形状可转动敷层工具上制成。
【发明内容】
[0006]因此本发明的目的是提供平面柔性梁单元作为旋翼轴和多桨叶旋翼之间的接口，尤其是用于具有低挥舞铰链偏移的直升机的多桨叶主旋翼。本发明的进一步目的是提供适合自动化制造的平面柔性梁单元。
[0007]本发明提供的方案具有权利要求1所述特征的平面柔性梁单元以作为旋翼轴和多桨叶旋翼，尤其是用于直升机的多桨叶主旋翼之间的接口。本发明的优选实施例以从属权利要求提出。
[0008]根据本发明，平面柔性梁单元作为旋翼轴和多桨叶旋翼，尤其是作为带有低挥舞铰链偏移的直升机的多桨叶主旋翼之间的接口，所述平面柔性梁单元由复合化合材料制成，优选为具有多于4个的大致上平面的扭矩臂组成，每个扭矩臂具有沿着其径向延伸部在各侧边上大致上凹弧形面，并在所述扭矩臂根部区域与其相邻的扭矩臂成一整体，在所述扭距臂的根部具有相对所述扭距臂厚度较大的宽度，从而厚度/宽度的优选比例为小于I: 3，每个所述的扭距臂包括两束由硬质合成树脂凝聚并沿着其径向延伸部沿大致凹弧形面布置的大致笔直单向纤维，每个所述纤维束穿入两个大致相对的扭矩臂而没有显著的方向变化，即所述的方向变化小于35°。
[0009]根据发明柔性梁单元的一个基本特点，作用在一个力臂上的力和力矩，诸如离心力，飞舞超前滞后摆振弯曲力矩直接被两个相对扭矩臂通过所述由大致单向纤维组成的纤维束抵消，因为主旋翼轴运送元件穿过两个大致相对扭距臂，并使部件数量减少。本发明的柔性梁单元允许根部区域具有大宽度，从而导致每个扭矩臂的挥舞铰链偏移较低，所述低挥舞铰链偏移等同于在柔性梁单元内侧的低挥舞刚度。沿着径向延伸部的各侧上的凹弧形面提供抵抗摆振和/或俯仰力矩的减小的扭矩臂刚度。
[0010]由于消除了在本发明柔性梁单元中心的中心负荷，本发明柔性梁单元允许简单的和轻质的设计。而另一个优点是，本发明柔性梁单元可自动和低成本制造。
[0011]根据本发明优选实施例，平面柔性梁单元的中心具有大致圆形开口以减少刚度和作为一个选择用于包围旋翼轴和多桨叶旋翼之间的其它配置，诸如桨毂和阻尼装置。。
[0012]根据本发明另一个优选实施例，每个转矩臂在其根部区域、紧挨其邻近转矩臂处呈大致三角形状。该三角形状在根部区域具有大的宽度，并且在每个转矩臂径向方向的凹弧形面在由旋翼轴传输时特别地适合传递力矩。
[0013]根据本发明再一个优选实施例，根部区域在垂直于大致平面转矩臂的方向上厚度减小。本发明的柔性梁单元允许临近旋翼轴的根部区域具有小的厚度和大的宽度而使每个转矩臂的挥舞铰链偏移较低，所述低挥舞铰链偏移等同于在柔性梁单元内侧的低挥舞刚度。转矩臂的小厚度使气动阻力低以及提高相对阵风敏感度的舒适度。
[0014]根据本发明的进一步优选实施例，根部区域具有至少一个孔穿过大致平坦的扭矩臂以用于进一步改进刚度特性和减少重量。该孔适于容纳用于旋翼桨毂和桨叶运动的减震附加设备并可容纳允许整个旋翼桨毂倾斜的设备。
[0015]根据本发明的另一个优选实施例，可设置5个转矩臂以使直的单向纤维束在根部区域交叉，而在交叉纤维束中承受由其它交叉纤维束中的内弧形所产生的轻微方向变化导致的负荷。
[0016]根据本发明另一个优选实施例，可设置4或6，7，8.....个转矩臂以使直的单向纤维束在根部区域交叉，而在交叉纤维束中承受由其它交叉纤维束中的内弧形所产生的轻微方向变化导致的负荷。
[0017]根据本发明另一个优选实施例，具有动力传递元件以用于将动力从所述旋翼轴传递到所述多桨叶旋翼，所述动力传输元件绕任何与旋翼轴垂直的轴线具有挠曲度，用于进一步减少O至100%之间的挥舞刚度。所述动力传输元件可避免对旋翼轴的直接固定，并使夹持减少而提高本发明平面柔性梁单元的挠曲度以允许整个旋翼桨毂倾斜。
[0018]根据本发明的另一个优选实施例，所述动力传输单元具有杆，所述杆分别以第一端与所述旋翼轴的圆周铰接，并且以第二端与在所述多桨叶旋翼的两个所述转矩臂之间的外圆周铰接。
[0019]根据本发明的另一个优选实施例，所述动力传输单元具有杆，所述杆分别以第一端与所述旋翼轴的圆周铰接，并且以第二端与在所述转矩臂之间或与所述转矩臂对准的平面柔性梁单元的中心铰接。
[0020]根据本发明的另一个优选实施例，所述杆布置成与所述旋翼轴的所述圆周呈径向或切向。
[0021]根据本发明的另一个优选实施例，该中心具有集成到旋翼轴的集成连接装置以作为动力传输元件。
[0022]根据本发明的另一个优选实施例，动力传输装置包括定中心布置的摆振阻尼装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]本发明的优选实施例将参考下列描述和附图予以说明。
[0024]图1示出了具有本发明平面柔性梁单元的旋翼轴的立体图，
[0025]图2示出了本发明平面柔性梁单元的俯视图，
[0026]图3示出了根据本发明平面柔性梁单元较佳实施例的俯视图，
[0027]图4a示出了旋翼轴连接到本发明平面柔性梁单元的俯视图，
[0028]图4b示出了另一个旋翼轴连接到本发明平面柔性梁单元的俯视图，
[0029]图5示出了具有本发明平面柔性梁单元较佳实施例的旋翼轴的立体图，
[0030]图6示出了贯穿图5的旋翼轴连接的局部剖视图，以及
[0031]图7示出本发明平面柔性梁单元另一个较佳实施例的俯视图。
【具体实施方式】
[0032]根据图1，平面柔性梁单元I是以作为直升机的多桨叶主旋翼(未显示)的旋翼轴2为中心的。平面柔性梁单元I包括同心桨毂(未显示)和大致平面的5个转矩臂3-7，该转矩臂从该中心径向伸出并具有大致圆形开口。该5个转矩臂3-7是等角度隔开的。平面柔性梁单元I由复合化合物制成。
[0033]每个转矩臂3-7在其径向延伸部的每一边具有大致内弧面8，在所述扭矩臂3-7的根部区域9与其相邻的扭矩臂3-7成一整体，且具有相对较大的宽度，从而使得厚度/宽度的比例为小于1:3。该厚度被限定为与平面柔性梁单元I垂直并且该宽度对应于转矩臂3-7在它们的弦方向的各自延伸部。
[0034]如图2所示,相应特征用图1的相同附图标记表示。每个所述扭距臂3-7包括两束大致笔直单向纤维10-14，由硬质合成树脂凝聚并沿着大致凹弧形面8布置在径向上，每个所述纤维束10-14穿入两个大致相对的扭矩臂3-7而曲率不变且没有显著的方向变化，即沿着任何所述纤维束10-14的整个长度，所述的方向变化小于35°。纤维束10-14被布置为承受在穿过接近各自根部区域9的中心的任何纤维束10-14中的任何负荷，该负荷由在任何纤维束10-14方向上的轻微变化所产生。
[0035]如图3所示，相应特征由图1，2中相同的附图标记表示。所述的平面柔性梁单元I的每个转矩臂3-7包括孔15，呈伸过各自根部区域9的大致大致角形并适应大致凹弧形面8，从而对于转矩臂3而言，对应纤维束10、14在径向方向上横向穿过大致凹弧形面8之间和从三角形15的顶部到底部穿过，纤维束11沿着所述三角形15底部穿过中心进入两个相邻转矩臂4，7。在纤维束11和纤维束10、14的两个交叉处16，17，由纤维束10、11、14的任何方向变化导致的力可以在所述纤维束10、11、14之间传递。相同的原理用于其它转矩臂4-7的相关笔直单向纤维束10-14。
[0036]如图4a所示,相应的特征由图1-3中相同的附图标记表示。平面柔性单元I提供有动力传输装置20以用于将动力从所述的旋翼转轴2传输至所述多桨叶旋翼。该动力传输装置20位于平面柔性单元I的多边形开口的内部。内环19用杆21-25同轴地固定到旋翼轴2，用第一端作为在所述旋翼轴2的内环19的一部分，用第二端分别固定到处于两个所述的转矩臂3-7之间的平面柔性梁中心。各个所述杆21-25的第二端用螺栓固定到中心。内环19的直径和/或各个杆21-25的长度改变以允许杆21-25处于相对内环19的径向和切向之间的任何位置。
[0037]如图4b所示,相应的特征由图l_4a中相同的附图标记表示。平面柔性梁单元I提供有动力传输装置20用于将动力从所述的旋翼转轴2传输至所述的多桨叶旋翼。内环19用杆21-25同轴地固定到旋翼轴2，杆21-25的第一端作为内环19在所述旋翼轴2的一部分，第二端分别固定到所述转矩臂3-7的根部区域9之间的中心。内环19的直径和/或各个杆21-25的长度改变而允许杆21-25处于相对内环19的径向和切向之间的任何位置。
[0038]如图5所示,相应的特征用图1-4中相同的附图标记表示。平面柔性梁单元I设置有具有集成连接装置18的同轴旋翼桨毂以作为同轴动力传输装置20，用于将动力从所述旋翼轴2传输至所述多桨叶旋翼。所述集成连接装置18绕着处于平面柔性梁单元I中心的大致圆形开口分布，用于将耦合装置(未显示)安装到旋翼轴2上。
[0039]如图6所示,相应的特征由图1-5中相同的附图标记表示。用于将动力从所述旋翼轴2传输至平面柔性梁单元I的动力传输装置20提供有同轴固定到旋翼轴2上的内环19。内环19包括上法兰26和下法兰27以将任何杆21-25安装至内环19上。任何杆21-25由两个上部弯曲板28和两个下部弯曲板29组成，所有所述弯曲板28、29大致彼此平行。任何杆21-25用各个内螺栓30、31固定到上法兰26和下法兰27，以分别相对内环19在所述旋翼轴2处与第一端铰接。平面柔性梁单元I的根部区域9布置为在两个上部弯曲板28和两个下部弯曲板29之间平行。外螺栓32将两个上部弯曲板28和两个下部弯曲板29连接以分别固定，垂直穿过处于两个所述转矩臂3-7之间的平面柔性梁单元I的中心。任何杆21-25允许从内环19指向所述外圆周的挠度增加。
[0040]如图7,相应的特征用图1-6中相同的附图标记表示。平面柔性梁单元40包括6个转矩臂41-46，每个转矩臂包括孔15，孔15呈紧挨各个根部区域9的大致三角形并适应大致凹弧形面8，从而对于转矩臂44，各个纤维束10、14在处于径向方向的大致凹弧形面8之间横向穿过和从三角形15顶部到底部穿过，并且纤维束13沿着所述三角形底部穿过中心进入两个邻接的转矩臂43、45。在纤维束13和纤维束10、14的两个交叉处16，17，由纤维束10、13、14的任何方向变化导致的力可以在所述的纤维束10、13、14之间传递。相同的原理用于其它转矩臂41,42和46的相关笔直单向纤维束10-14。
[0041]动力传输装置20可包括摆振阻尼装置。
[0042]附图标记列表
[0043]平面柔性梁单元I，40
[0044]旋翼轴2
[0045]平面转矩臂3-7，41-46
[0046]凹弧形面8
[0047]根部区域9
[0048]笔直单向纤维束10-14
[0049]孔15
[0050]交叉16、17
[0051]集成连接装置18
[0052]内环19
[0053]动力传输装置20
[0054]杆21-25
[0055]上法兰26
[0056]下法兰27
[0057]上部弯曲板28
[0058]下部弯曲板29
[0059]内螺栓30，31
[0060]外螺栓32
【权利要求】
1.一种用于直升机的多桨叶主旋翼的平面柔性梁单元(1，40)，作为旋翼轴(2)和多桨叶旋翼之间的接口，包括4个或更多的大致平面的扭矩臂(3-7，41-46)，每个所述扭矩臂(3-7，41-46)具有沿着其径向延伸部的凹弧形面(8)并与其相邻的扭矩臂(3-7，41-46)成一整体，每个所述扭距臂(3-7，41-46)包括两束由硬质合成树脂凝聚并在大致其径向延伸部沿大致凹弧形面(8)布置的大致笔直单向纤维束(10-14)，每个所述纤维束以大致固定曲率大致地关于一个所述转矩臂(3-7，41-46)的相应径向轴线对称地从所述相应转矩臂(3-7，41-46)伸入两个大致相对的所述扭矩臂(3-7，41-46)，其特征在于，包括动力传输元件(20)以用于将动力从所述旋翼轴(2)传输至所述多桨叶旋翼，所述动力传输元件(20)绕任何与所述旋翼轴(2)垂直的轴线是可挠曲的，且所述动力传输元件(20)具有杆(21-25)，所述杆(21-25)分别以第一端与处于所述旋翼轴(2)的内环(19)铰接，以第二端与处于所述多桨叶旋翼的两个所述转矩臂(3-7，41-46)之间的外圆周铰接或以第二端与位于所述转矩臂(3-7，41-46)之间或与所述转矩臂(3-7，41-46)对准的中心铰接。
2.根据权利要求1所述的平面柔性梁单元(1，40)，其特征在于，其中心具有大致圆形的开口。
3.根据权利要求1所述的平面柔性梁单元(1，40)，其特征在于，每个扭距臂(3-7，41-46)在其邻接转矩臂(3-7，41-46)的根部区域(9)呈大致三角形。
4.根据权利要求3所述的平面柔性梁单元(1，40)，其特征在于，在垂直于所述大致平面转矩臂(3-7，41-46)方向上，所述根部区域(9)具有厚度/宽度比例小于1: 3。
5.根据权利要求3所述的平面柔性梁单元(1，40)，其特征在于，所述根部区域(9)具有穿过所述大致平面转矩臂(3-7，41-46)的至少一个孔(15)。
6.根据权利要求3所述的平面柔性梁单元(1，40)，其特征在于，紧挨所述大致平面转矩臂(3-7，41-46)，所述根部区域(9)包括剪切刚度或准等方性的层状结构。
7.根据权利要求1所述的平面柔性梁单元(1，40)，其特征在于，可具有5或6个转矩臂(3-7，41-46)。
8.根据权利要求2所述的平面柔性梁单元(1，40)，其特征在于，其中心具有集成到所述旋翼轴(2)的集成连接装置(18)。
9.根据权利要求1所述的平面柔性梁单元(1，40)，其特征在于，所述杆(21-25)分别径向地或切向地布置到位于所述旋翼轴(2)的所述内环(19)上。
【文档编号】B64C27/33GK103708030SQ201210517344
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2012年10月8日 优先权日:2012年10月8日
【发明者】B·恩恩克尔, R·普法勒尔 申请人:尤洛考普特德国有限公司