Brevet FR2011629A1 — publié le 19700306

La présente invention se rapporte à un système de transmission pour un rotor d'hélicoptère et plus particulièrement à un système pour commander un rotor d'hélicoptère et pour changer le pas des pales du rotor cycliquement et collectivement. Ces fonc-5 tions sont accomplies par la présente invention en réduisant la hauteur du rotor avec le système de transmission sans augmenter la largeur du rotor ou du système de transmission. Dans le système de transmission pour un rotor il est bien connu dé supporter le plateau oscillant par un cylindre qui se pro-10 jette verticalement vers le haut de la cage de transmission et de joindre le plateau oscillant à un palier sphêriqùe par un flasque avec une dimension radiale considérable par rapport à l'axe de rotation du rotor. Un exemple pour cette construction est représenté dans le brevet américain No 3.322.200 et il est évident que cette 15 construction connue du rotor avec son système de transmission a une hauteur considérable. On considère que cette hauteur du rotor est causée par le fait que les différentes pièces du rotor sont fabriquées séparément et ensuite assemblées, au lieu de prévoir un système intégral. 20 En regardant le brevet américain No 3.322.200 il ressor tira que le flasque mentionné ci-dessus a seulement la fonction de relier le plateau oscillant au palier sphérique. En outre, les arbres de commande pour le rotor d'un hélicoptère sont fabriqués généralement en acier, et la flection de 25 l'arbre n'a causé aucun problème particulier et des roulements à billes ordinaires ont été suffisants pour supporter l'arbre afin d'éviter une flexion, et l'usinage de l'arbre n'a pas présenté de problèmes particuliers. Mais avec l'avènement des matériaux avec un rapport résistance poids élevé par exemple le titane, la fle-30 xion de l'arbre représente un problème qui augmente avec la longueur de l'arbre de commande du rotor dans la cage de transmission et en même temps des problèmes d'usinage se présentant. La diminution du poids qui peut être envisagée en utilisant du titane pour la fabrication de l'arbre grâce à son rapport 35 résistance-poids favorable, devait être sacrifiée en augmentant le diamètre de l'arbre de commande pour éviter une flexion trop élevée. Parce que la flexion admissible de l'arbre est limitée par l'inclinaison admissible dans le palier de support, un roulement à rotule est utilisé au lieu du roulement à billes conven 69 20232 2 2011629 tionnel pour permettre une utilisation plus efficace des nouveaux matériaux avec un rapport résistance-poids élevé. Dans les constructions.connues, le roulement sphérique du plateau oscillant était limité à des diamètres relativement petits a-5 fin de réduire l'inclinaison ou le jeu du palier qui était dû à 1' usure et/ou à la tolérance. Une caractéristique importante de la présente invention est donnée par le fait que les dimensions du rou lement sphérique du plateau oscillant ne sont pas limitées d'une fa çon aussi considérable dans leur diamètre parce que l'anneau exté-10 rieur du roulement est divisé en deux parties qui sont soumises à la force d'un ressort afin que les anneaux extérieur et intérieur du roulement sphérique s'adaptent constamment l'un à l'autre. L'objet de la présente invention est de fournir un système de transmission perfectionné pour un rotor d'hélicoptère dans 15 lequel la hauteur est diminuée sans augmentation de la largeur; L'arbre de commande du rotor d'hélicoptère est fabriqué d'un matériau ayant un rapport résistance-poids élevé par exemple du titane, et est supporté dans un roulement à rotule qui est capable de permettre la flexion nécessaire. Ce roulement à rotule est 20 relié à l'arbre par un anneau de fixation ayant un contour sé- iectë et qui est lié à l'arbre afin de diminuer les problèmes d'u-sination en connection avec la fabrication de l'arbre et d'éviter également les concentrations de charge désavantageuses qui sont normalement causées par des enfoncements locaux, des parties 25 filetées ou par des trous qui sont nécessaires pour attacher l'anneau de fixation à l'arbre, et pour éviter également l'usure entre le roulement et l'arbre. Dans la présente invention, un manchon qui s'étend de la cage de transmission enveloppe et supporte l'arbre de commande du 3.0 rotor préfërablement par un roulement à rotule et le plateau oscillant enveloppe ce manchon et est supporté" par ce manchon sur un roulement sphé-rique. '• • ' Le roulement sphérique qui supporte Te plateau oscillant pour un mouvement axial et angulaire pair rapport à T ' arbrë "dë commande .35 du- rotor comprend un anneau • divisé- en 'dèux parties' 'qui" 'sont soumises à la force .d'un, res-sort.-afin-d' égaliser 1 'uè:ùrè'*'ou'la toléran-. cède fabrication dans le roulement sphérique . D ' autres- particularités, de T'inven-tïoh'resBOrtircJnt de la . description qui suit;-d'un ,mode-de réalisation 'pà&tiéulier'donné à COPV ' 69 20232 3 2011629 titre d'exemple en référence aux dessins annexés, dans lesquels: La figure 1 est une représentation d'un hélicoptère utilisant la présente invention. La figure 2 est une vue en coupe représentant le système 5 de transmission perfectionné pour le rotor d'hélicoptère. La figure 3 est une représentation d'une partie de la construction suivant la figure 2 à une plus grande échelle. La figure 1 représente un hélicoptère qui .comprend un fuselage 12 supporté sur le sol par des roues d'atterrissage 14 et 10 16. Un ou plusieurs moteurs 18 commandent le rotor d'hélicoptère 20 qui est supporté pour tourner autour de l'axe 22 par le mât 34 (voir figure 3) qui s'étend du fuselage 12. Dans la figure 2 le système de transmission pour le rotor d'hélicoptère est représenté plus en détail. Le rotor 20, le sys-15 tëme de transmission et le support 30 sont concentriques autour de l'axe de rotation 22. Le rotor 20 comprend un moyeu 32 qui est relié d'une manière appropriée à l'arbre 34 ou fait partie avec l'arbre 34 pour tourner avec celui-ci concentriquement autour de l'axe 22. Plusieurs pales de rotor 26 s'étendent radialement du moyeu 20 32 et sont supportées pour tourner autour de l'axe 22 et sont également supportées par des roulements (pas représentés) pour changer le pas par rapport au moyeu 32 autour de l'axe de changement de pas 38. La construction du rotor 20 peut être du type représenté dans les brevets américains nos 3.097.701 et 2.818.123. 25 L'arbre de commande 34 est supporté pour tourner autour de l'axe 22 par un palier de butée 40 et par un palier à rotule 42 qui sont supportés concentriquement par rapport à l'axe 22 par la cage de transmission 44. eomme expliqué plus particulièrement ci-dessous le palier 40 supporte la charge longitudinale le long de 30 l'axe 22 du rotor 20 pendant que le palier à rotule 42 supporte seulement les charges radiales par rapport à l'axe 22. La transmission 30 commande l'arbre 34 en utilisant la puissance fournie par le moteur 18, qui peut être un moteur à turbine ou un moteur à piston, et qui est relié par une chaîne de 35 transmission 46 conventionnelle à l'accouplement attaché à l'arbre de commande d'entrée 50 par une cannelure 52 afin de tourner la roue conique à dents hélicoïdales 54 autour de l'axe 56. La roue d'entrée 54 fait partie avec l'arbre d'entrée 50 qui est supportée dans la cage de transmission 44 par des paliers 58 et 60. La roue 69 20232 4 2011629 d'entrée 54 engrène avec une roue conique à dents hélicoïdales 62 qui est supportée concentriquement par rapport à l'axe 22 dans les paliers 64 et 66 qui à leur tour sont supportés dans la cage de transmission 44 par des éléments de support 68 et 70. Les paliers 5 64 et 66 supportent l'arbre de support 72 de la roue conique 62. L'arbre de support 72 peut faire partie avec la roue 62 ou peut être attaché à cette roue par des boulons 76. L'arbre de support 72 pour la roue conique est attaché par une cannelure 80 à un pignon 82 du premier étage d'un engrenage planétaire à deux étages 10 84. Le pignon 82 entraîne les cinq roues planétaires 86 du premier étage qui à leur tour "engrènent avec une co-ronne dentée 90 du premier étage, qui est supporté dans la cage de transmission 44 par des boulons 92. Quand les roues planétaires 86 du premier étage tournent autour de la couronne dentée 90 elles déplacent la cage 15 94 du premier étage pour entraîner le pignon 96 du second étage qui est relié à la cage 94 par des boulons 98. Le pignon 96 du second étage engrène et commande les treize roues planétaires du second étage. Les roue planétaires 100 du second étage engrènent avec la couronne dentée 102 du second étage qui est également sup-20 portée dans la cage de transmission 44 par des boulons 92 pour que la rotation des roues planétaires 100 autour de la couronne dentée 102 entraîne la cage 104 du second étage qui est reliée à l'arbre de commande 34 par une cannelure 106. D'une façon conventionnelle le système d'engrenage planétaire à deux étages 84 entraîne l'ar-25 bre de commande du rotor 34 et ainsi le rotor d'hélicoptère 20 par le moteur 18 qui tourne par exemple à 10.000 t/min, et l'engrenage planétaire réduit la vitesse jusqu'à par exemple 200 t/min. La cage de transmission 44 est supportée par le fuselage 12 de l'hélicoptère par des boulons 110 et comprend un carter 112 pour 30 l'huile de lubrification qui doit être fournie aux roues et paliers différents de l'engrenage planétaire 84. De la figure. 2 il ressort également que la cage de transmission 44 comprend un manchon 116 à son extrémité supérieure, et ce manchon a une forme essentiellement cylindrique et est concentri-35 que autour de l'arbre de commande 34 pour former une chambre annulaire 118. Les roulements 64 de l'arbre de support 72 de la roue conique et le roulement à rotule 42 sont placés dans la chambre annulaire 118. Le roulement 42 est supporté par un support 120 qui a son tour est supporté par le manchon 116 de la cage de transmis-40 sion 44. 69 20232 5 2011629 D'une façon .conventionnelle l'arbre de commande pour le rotor d'hélicoptère a été fabriqué en acier. Un arbre de commande en titane fournit quelques avantages mais il a aussi des désavantages comme indiqué dans la description suivante. -5 En terme général, pour une application prédéterminée le choix, du matériau de l'arbre est basé sur plusieurs considérations, mais, trois points sont d'un intérêt primaire, notamment le poids, - la résistance et la flexion. Par conséquent, dans le tableau représenté ci-dessous les propriétés physiques pour le titane et 10 l'acier sont indiquées et leurs valeurs respectives fourniront une mesure appropriée pour ces considérations majeures. En ignorant les unités, ces. valeurs sont comme suit: Titane Acier Densité 0,162 0,283 ■3 3 15 Sollicitation de fatigue admissible 20 x 10 20 x 10 Module d'élasticité 16 x 10® 30 x 10® Pour, le cas de flexion simple la distribution de la sollicitation pour chaque section est définie par l'expression: (1) f = Me où f = la sollicitation 20 M = le moment appliqué / ç = la distance de l'axe neutre I = le moment d'inertie et la flexion est définie par l'expression généralisée: (2) S = K_ où S = la flexion EX 25 K = une constance définie par la charge et la contrainte E = le module d'élasticité I '= le moment d ' inertie En considérant d'abord la sollicitation et en se référant 30 à l'expression (1) il est noté que la sollicitation est une fonction de la charge appliquée en combinaison avec des considérations purement géométriques sans rendre compte de la propriété physique du matériau. En se référant .maintenant aux valeurs du tableau ci-dessus, on peut noter que la sollicitation de fatigue admissible 35 est identique pour le titane et l'acier. Par conséquent, il ressort qu'une section prédéterminée est appropriée pour-l'"acier et pour le titane. En considérant leur® densités il ressort'que le titane est plus avantageux que 1'acier du point de. vue sollicitation parce que pour une section identique le poids-du.-titane est .seulement environ 69 20232 6 *2011629 la moitié du poids de l'acier. En considérant maintenant la flexion et en se référant à l'expression (2) il est noté que la flexion n'est pas seulement une fonction de la géométrie,, de 1'arrangement physique et de la 5 charge, mais également des propriétés physiques,- notamment du module de l'élasticité. En se référant de nouveau, aux .valeurs représentées dans le tableau ci-dessus, il est noté que. le module d'élasticité de l'acier est presque le double du module d'élasticité du titane. Par conséquent, une section en titane identique avec une 10 autre section en acier aura presque la double dêflection sous les mêmes conditions de charge. Parce que la flexion admissible pour un arbre de commande d'un rotor est limitée par la flexion qui peut être accomodëe par les paliers de support d'une section en titane indentique avec une section en acier n'est pas appropriée pour un 15 roulement à billes conventionnel et par conséquent, la section en titane doit être élargie, pas du point de vue de sollicitation, mais purement du point de vue flexion. Par conséquent, l'avantage du poids obtenu par le titane est minimisé ou même éliminé complètement si la flexion admissible n'est pas agrandie. 20 Parce que la flexion maximale par rapport à l'axe de ro tation 22 qui peut être tolérée avec un roulement à billes est normalement de 0,012 mm sur une longueur de l'arbre de 25mm une caractéristique importante de la présente invention est que l'arbre de commande 34 est supporté par un palier 42 afin de le maintenir dans Avant" 25 la limite de flexion maximale./I'avènement des arbres de commande en titane un roulement à billes conventionnel pouvait être utilisé pour le roulement de support radial supérieur parce que l'inclinaison qui devait être tolérée par ce roulement n'excédait pas ces capabilités. Mais avec 1'avènement des arbres en titane, 1' 30 inclinaison devenait plus grande comme décrit ci-dessus et par conséquent, les roulements conventionnels ne .pouvaient plus tolérer la flexion sans- créer des.charges concentrées dans le roulement. Pour cette raison, le roulement 42 est un roulement à rotule comprenant un anneau extérieur, 122 avec une s.uîrf ace'intérieure 35 sphérique, et des rouleaux 126 en forme de tonneaux "avec "des surfaces de contact qui ont le même rayon de courbure: que;, les surfaces correspondantes de l'anneau 122 et l'anneau 124 à une surface extë-' rieure sphérique afin que la distribution; de la charge 'dans le roulement à rotule 42 soit uniforme malgré 1'inclinaison-de-1'arbre 69 20232 7 2011629 34, afin d'éviter une concentration de force qui se produirait dans un roulement conventionnel. Le roulement 42 supporte l'arbre 34 par l'anneau ou le manchon de fixation 130 qui est lié à la surface extérieure de 5 l'arbre 34 par un matériau de liaison 131 par exemple du FM 1000 adhésif structurel par SS 8669. L'anneau de fixation 130 est formé pour recevoir l'anneau intérieur 124 du roulement 42 et coopère a^ec l'élément 132 qui est attaché à l'anneau 130 pour retenir l'anneau intérieur 124 du roulement 42 dans une position prédéter-10 minée par rapport à l'arbre 34 le long de l'axe 22. L'anneau de fixation 130 lié à l'arbre est préféré au collet de fixation conventionnel qui est normalement formé sur l'arbre de commande. Le manchon lié à l'arbre élimine la concentration de force locale qui se produirait en usinant des enfoncements locaux, des parties 15 filetées et des trous dans l'arbre qui sont nécessaires pour attacher un collet ou unemanche à l'arbre. Le manchon lié à l'arbre suivant l'invention, permet une diminuation de l'épaisseur de la paroi de l'arbre de commande 34. En outre, et ce qui est encore plus important la liaison du manchon 130 à l'arbre 3.4 évite l'u-20 sure entre l'arbre et le roulement 34 et la diminuation de la sollicitation de fatigue de l'arbre. Pour permettre le changement de pas des pales 36 autour de l'axe de changement de pas 38 des cornes 140 s'étendent de chaque pale 36 et sont reliées à un plateau oscillant 150 par des leviers 25 de connections 152 afin qu'un mouvement du plateau oscillant provoqué par un dispositif de contrôle 154 pour le changement de pas introduire un changement de pas des pales collectifs ou cyclique autour de l'axe de changement de pas 38. Les dispositifs de contrôle 154 peuvent être du type représenté dans le brevet américain 30 N° 3.199.601. Le plateau oscillant 150 est supporté par le manchon 116 de la cage de transmission par un roulement sphérique 160. Dans les constructions connues le diamètre du roulement sphérique du plateau oscillant était limité à une petite valeur et le roulement était 35 fixé à l'arbre de commande 34 comme représenté dans le brevet américain N° 3.322.200 pour réduire le jeu du palier provoqué par l'usure et/ou la tolérance. Une importante caractéristique de la présente invention est que le roulement sphérique 160 peut avoir une dimensionagrandie ce qui est dû à l'utilisation des moyens pour 40 éliminer le jeu dans le roulement sphérique. En évitant un jeu ou 69 20232 s 2011629 une inclinaison exagérée dans le roulement sphérique comme décrit ci-dessus le diamètre du roulement sphérique peut être agrandi au dessus de celui d'un roulement sphérique conventionnel et, comme représenté le mieux dans la figure 2, le roulement sphérique 160 5 est monté radialement à l'extérieur du manchon 116 de la cage de transmission 44. Un cylindre 170 est attaché au manchon 116 par des boulons 172. Le roulement shpérique 160 est fixé au manchon 170 qui permet que le plateau oscillant 150 se déplace longitudi-nalement le long de l'axe 22. Ce mouvement est obtenu par le dis-10 positif de contrôle du pas des pales 154 et pamet de changer le pas des pales 36 collectivement. La surface extérieure 180 de 1' anneau intérieur 176 est sphérique gutour du point 182 sur l'axe 22 et est engagée sur les surfaces sphériques intérieures 184 de l'anneau 186. L'anneau extérieur 186 est divisé en deux parties 15 188 et 192 qui sont placées avec le ressort 196 à l'intérieur de l'élément de fixation 194. Le ressort 196 peut être une rondelle ondulée, un ressort hélicoïdal ou un élément équivalent. Le ressort 196 sert à presser les parties 188 et 192 de l'anneau extérieur 186 l'une vers l'autre et contre la surface sphérique ex-20 térieure 180 de l'anneau intérieur 176 afin d'assurer que les par ties du roulement sphérique 160 sont engagées toujours entre elles Pour éliminer le jeu dans le roulement provoqué par l'usure ou la tolérance. On doit noter que le plateau oscillant 150 enveloppe le 25 roulement sphérique 160, le manchon 116 de la cage de transmission le roulement de support 42 et l'arbre dfe commande 34 et qu'il comprend une partie stationnaire 200 qui est reliée au dispositif de contrôle 154 par des tiges pivotantes 202 afin d'être déplacée le long de l'axe 22 pour effectuer un changement collectif du pas des 30 pales 36 et afin d'être inclinée par rapport à l'axe 22 pour effec tuer un changement cyclique du pas des pales 36. L'anneau stationnaire 200 du plateau oscillant est supporté par le roulement sphérique 160 par l'élément 194 et l'anneau de fixation 204. Des paliers 206 et 208 supportent l'anneau tournant 210 du plateau oscil 35 lant par l'anneau stationnaire 200 du plateau oscillant pour que l'anneau 210 puisse tôurner avec le rotor 20. Une importante caractéristique de la présente invention est la diminution de la hauteur du mât 24 du rotor sans augmentation de la largeur du mât en plaçant le plateau oscillant 150 à 69 20232 9 2011629 l'extérieur du manchon 116 de la cage de transmission 44 au lieu de supporter le plateau oscillant par un cylindre qui s'étend vers le haut de la cage de transmission comme représenté par exemple dans le brevet américain 3.322.200. Il est important de noter que 5 cette diminuation de la hauteur du rotor est obtenue sans augmenter la largeur du rotor parce que la géométrie du plateau oscillant 150 est déterminée par la position des servomoteurs du dispositif de contrôle 154 qui fournissent des signaux au plateau oscillant et par la position des cornes 140 qui reçoivent les si- 10 gnaux du plateau oscillant 150. Les servomoteurs sont normalement reliés à et supportés par la cage de transmission 44 et on peut noter que dans la construction suivant la présente invention cette méthode de fixation des servomoteurs peut être maintenue parce que la largeur de la cage de transmission estplus grande que celle du plateau oscillant de sorte que la largeur du plateau oscillant ne doit pas être et n'a pas été augmentée. Il est important de noter que dans la construction connue représentée dans le brevet américain N° 3.322.200 le roulement sphérique du plateau oscillant est supporté par l'arbre de comman- 20 de du rotor pour éviter le jeu dans le palier en utilisant un roulement à un diamètre minimal et un fJasque d'une dimension considérable s'étend entre le roulement sphérique et le plateau oscillant pour supporter le plateau oscillant en alignement avec les cornes de changement de pas et les servomoteurs qui fournissent les si- 25 gnaux d'entrée au plateau oscillant. Dans la construction suivante la présente invention ce f jusque qui s'étend essentiellement radia-lement entre le roulement sphérique et le plateau oscillant, a été éliminé. La cage de transmission 44 supporte le plateau oscillant et la dimension radiale du plateau oscillant par rapport à l'axe 30 - 22 n'a pas été agrandie et en même temps la hauteur de 1'arbre de commande a été diminuée ce qui représente une diminuation considérable du poids. La longeur diminuée de l'arbre 34 au-dessus du roulement 42 réduit également la flexion du rotor 20 et de ses pales 36, ce qui égalise largement la flexion agrandie de l'arbre 35 provoquée par l'utilisation d'un matériau ayant uh rapport résistance-poids élevé, comme par exemple le titane. 69 20232 10 2011629 REVENDICATIONS 1. Un rotor d'hélicoptère ayant un arbre de commande supporté par des paliers, un système de transmission relié à l'arbre de commande et un plateau oscillant qui enveloppe l'arbre de commande concentriquement caractérisé en ce qu'un manchon de la cage de 5 transmission d'une section essentiellement circulaire enveloppe 1'arbre de commande concentriquement pour définir une chambre annulaire qui reçoit les roulements afin de supporter 1'arbre de commande dans le manchon, et que le plateau oscillant enveloppe le manchon et est supporté par le manchon dans un alignement es-10 sentiellement radial par rapport au palier et le manchon. 2..'- Un rotor d'hélicoptère selon la revendication 1 caractérisé en ce que le palier est un palier à rotule. 3. Un rotor d'hélicoptère selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce qu'un anneau est lié à l'extérieur de l'arbre de com- 15 mande et engage le palier pour supporter l'arbre de commande dans le palier. 4. Un rotor d'hélicoptère selon l'une ou l'autre des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'un roulement sphérique annulaire enveloppe le manchon, est placé entre le manchon et le plateau 20 oscillant et engage le plateau oscillant afin de le supporter pour un mouvement angulaire. 5. Un rotor d'hélicoptère selon la revendication 4 caractérisé en ce que le roulement sphérique comprend un anneau intérieur * avec une surface extérieure sphérique et entoure le manchon con- 25 centriquement, un anneau extérieur divisé en deux parties et ayant des surfaces intérieures qui définissent une surface sphérique engageant la surface sphérique de l'anneau intérieur, et un moyen de ressort qui presse les parties de l'anneau extérieur l'une vers l'autre et vers l'anneau intérieur pour éliminer le jeu causé par 30 l'usure ou la tolérance entre les anneaux intérieur et extérieur. 6. Un rotor d'hélicoptère selon l'une ou l'autre des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'un cylindre enveloppe le manchon, est supporté par le manchon et engage le plateau oscillant pour fournir un support radial pour le plateau oscillant en per- 35 mettant un mouvement axial relatif entre le plateau oçcillant et le cylindre. 7. Un rotor d'hélicoptère selon l'une ou l'autre des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que l'arbre de commande est fabriqué de titane.