МОДУЛЬНАЯ СИСТЕМА ВТУЛКИ НЕСУЩЕГО ВИНТА ВИНТОКРЫЛОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
MODULAR ROTOR CRAFT ROTOR HUB SYSTEM

Уровень техники
Настоящее изобретение относится к модульной системе втулки несущего винта винтокрылого летательного аппарата и способу сборки такой системы, и более конкретно к модульной системе втулки несущего винта винтокрылого летательного аппарата, которая содержит полностью шарнирные узлы плеч несущего винта, имеющие отдельные подшипники для каждой степени свободы.
Ключевым компонентом винтокрылого летательного аппарата является система втулки несущего винта. Она обеспечивает крепление лопастей несущего винта в течение работы. Крутящий момент передается системе втулки несущего винта для обеспечения скорости вращения лопастям с целью создания аэродинамической подъемной силы. Система втулки несущего винта должна предусматривать вращательное движение лопастей в вертикальном (маховое), горизонтальном (качание) и осевом (тангаж) направлениях вблизи крепления комеля лопасти с втулкой для обеспечения системы управления полетом и динамической устойчивости. Системы втулки несущего винта, которые обеспечивают такие движения посредством отдельных шарнирных механизмов, именуются как полностью шарнирные системы втулки несущего винта.
По меньшей мере некоторые известные системы втулки несущего винта с полностью шарнирным закреплением лопастей обеспечивают предпочтительную кинематику конструкции, но стремятся обеспечить эти вращательные свободы подшипниковыми системами, которые могут приобретать высокочастотное и высокоамплитудное колебательное движение под действием высокой тяговой нагрузки, создаваемой центробежной силой вращающихся лопастей. Одна известная система втулки несущего винта представляет собой систему на основе подшипников качения, такую как система роликоподшипников или шарикоподшипников. Смазочные материалы и уплотнения этих типов подшипниковых систем подвержены выдавливанию влаги и утечкам и поэтому требуют частого обслуживания, которое зачастую требует снятия и разборки всей втулки несущего винта для обслуживания. Другая известная система втулки представляет собой систему втулки из пакета полосок, которая содержит растягивающиеся полоски, сформированные из дорогостоящей специализированной стали. По меньшей мере некоторые известные системы втулок на основе пакета полосок испытывают серьезные и сложные нагрузки и, следовательно, напряженные состояния, которые приводят в результате к жестким критериям повреждения и многократной замене, зачастую требующей снятия и разборки втулки. Кроме того, может возникать сложность обнаружения неисправности нефрикционных систем втулки несущего винта и систем втулки на основе пакета полосок, и их невысокая устойчивость к повреждениям может быстро привести к повреждению воздушного летательного аппарата или аварии. Кроме того, многие известные нефрикционные системы втулки несущего винта и системы втулки из пакета полос в настоящее время работают на пределе максимальной мощности и могут не иметь возможности управления снижением вызванных нагрузок, в пределах их текущих физических границ, без отказа.
В течение некоторого времени было известно, что использование упругих подшипников в системе втулки несущего винта снижает вес, устраняет необходимость смазки и минимизирует обслуживание. В связи с этим, по меньшей мере некоторые известные системы втулки несущего винта содержат сферические упругие подшипники для обеспечения степеней свободы в вертикальных и горизонтальных плоскостях вращения лопастей несущего винта таким образом, что они не удерживаются отдельными подшипниками, а удерживаются одним сферическим подшипником. В результате объединения этих движений динамические характеристики системы втулки несущего винта должны быть тщательно продуманы, смоделированы и проконтролированы для обеспечения устойчивости воздушного летательного аппарата. Поэтому замена многих существующих втулок несущего винта, таких как нефрикционные системы и системы втулки из пакета полос, системой упругой втулки, использующей сферические подшипники для обеспечения махового перемещения лопастей несущего винта, потребовала бы существенных усилий на разработку и анализ, зачастую приводящих к высоким затратам. Иными словами, сферические упругие подшипники имеют подобные опорные поверхности с нефрикционными втулками и втулками из пакета полос, но сильно отличающиеся динамические характеристики и кинематику, что требует значительных затрат на исследования и разработку для реализации системы втулки несущего винта на основе сферических упругих подшипников на воздушном летательном аппарате, имеющем традиционную втулку несущего винта на основе пакета из полос или роликоподшипников.
Раскрытие изобретения
Согласно одному аспекту предложен узел плеча несущего винта для использования в системе втулки несущего винта винтокрылого летательного аппарата. Узел плеча несущего винта содержит вал установки угла лопасти и множество отдельных подшипников, соединенных с валом установки угла лопасти. Множество подшипников представляет собой множество упругих подшипников, выполненных с возможностью облегчать движение узла плеча несущего винта относительно множества степеней свободы. Соответствующий один из множества подшипников выполнен с возможностью обеспечения одной степени свободы.
Согласно другому аспекту предложена система втулки несущего винта для использования в винтокрылом летательном аппарате. Система втулки несущего винта содержит центральное тело, выполненное с возможностью вращения относительно оси вращения, и множество модульных плеч несущего винта, выполненных с возможностью присоединения к центральному телу. Каждый из множества узлов плеч несущего винта содержит вал установки угла лопасти и множество отдельных подшипников, соединенных с валом установки угла лопасти. Множество подшипников представляет собой множество упругих подшипников, выполненных с возможностью облегчения движения узла плеча несущего винта относительно множества степеней свободы. Соответствующий один из подшипников выполнен с возможностью обеспечения одной степени свободы.
Согласно еще одному аспекту предложен способ сборки узла плеча несущего винта для использования в винтокрылом летательном аппарате. Способ содержит обеспечение вала установки угла лопасти, который содержит первую часть и вторую часть, перпендикулярную первой части. Пара подшипников горизонтального шарнира соединена со второй частью. Способ также содержит соединение внутреннего подшипника осевого шарнира с первой частью близко ко второй части и соединение наружного подшипника осевого шарнира на дальнем конце первой части. Пара подшипников горизонтального шарнира, внутренний подшипник осевого шарнира и наружный подшипник осевого шарнира представляют собой отдельные упругие подшипники, выполненные с возможностью облегчать движение узла плеча несущего винта относительно множества степеней свободы.
Особенности, функции и преимущества, которые были рассмотрены, могут быть достигнуты независимо друг от друга в различных вариантах реализации или могут быть объединены в другие варианты реализации, дополнительные подробности о которых можно найти в приведенном ниже описании со ссылкой на чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана блок-схема методики производства и обслуживания типового воздушного летательного аппарата;
на фиг. 2 представлена блок-схема типового воздушного летательного аппарата;
на фиг. 3 показан вид сверху воздушного летательного аппарата, изображающий множество лопастей несущего винта и типовую систему втулки несущего винта;
на фиг. 4 показан вид в перспективе системы втулки несущего винта, показанной на фиг. 3, имеющей центральное тело и множество плеч в сборе несущего винта;
на фиг. 5 представлен вид в перспективе центрального тела и одного плеча в сборе несущего винта, показанного на фиг. 4;
на фиг. 6 показан вид сбоку в разрезе центрального тела и плеча в сборе несущего винта, показанных на фиг. 5;
на фиг. 7 представлен вид сверху в разрезе центрального тела и плеча в сборе несущего винта, показанных на фиг. 5, с отделенным центральным телом от плеча в сборе несущего винта; и
на фиг. 8 представлено покомпонентное изображение центрального тела и узла плеча несущего винта, показанных на фиг. 5.
Подробное описание
Варианты реализации, представленные в настоящем описании, относятся к модульной системе втулки несущего винта для использования с винтокрылым воздушным летательным аппаратом. Более конкретно модульная система втулки несущего винта винтокрылого летательного аппарата содержит полностью шарнирные узлы плеч несущего винта, имеющие отдельные подшипники для каждой степени свободы. В контексте настоящего описания термин «отдельный» означает, что каждая степень свободы узлов плеч несущего винта обеспечена независимым и отдельным подшипником таким образом, что две или более степени свободы не обеспечены одним опорным элементом. В типовом варианте реализации каждый узел плеча несущего винта содержит вал установки угла лопасти, имеющий первую часть и вторую часть, перпендикулярную первой части. Пара подшипников горизонтального шарнира соединена со второй частью. Внутренний подшипник осевого шарнира соединен с первой частью вблизи второй части и наружный подшипник осевого шарнира соединен на дальнем конце первой части. Пара подшипников горизонтального шарнира, внутренний подшипник осевого шарнира и наружный подшипник осевого шарнира представляют собой раздельные упругие подшипники, выполненные с возможностью облегчать движение узла плеча втулки несущего винта относительно множества степеней свободы, причем две или более степеней свободы не обеспечены одним подшипником.
Как видно из фиг. 1, варианты реализации настоящего изобретения могут быть описаны в контексте способа 100 изготовления и обслуживания воздушного летательного аппарата и посредством воздушного летательного аппарата 102 (показанного на фиг. 2). В течение предпроизводственного этапа могут быть получены материалы, включающие техническое задание, конструкторские данные 104 о воздушном летательном аппарате 102, которые могут быть использованы в течение производственного процесса, и другие материалы, связанные с конструкцией воздушного летательного аппарата. В течение производства происходит изготовление 108 компонентов и подузлов и интеграция 110 систем воздушного летательного аппарата 102, до проведения процесса сертификации и приемки воздушного летательного аппарата 202. При успешном выполнении и завершении сертификации воздушного летательного аппарата, он может быть введен в эксплуатацию 114. При эксплуатировании клиентом для воздушного летательного аппарата 102 предусмотрен график периодического, повседневного и планового технического обеспечения и обслуживания 116, включая, например, модификацию, реконфигурацию и/или ремонт. В альтернативных вариантах реализации способ 100 изготовления и обслуживания может быть реализован посредством транспортных средств, отличных от воздушного летательного аппарата.
Каждая часть и процесс, связанные со способом 100 изготовления и/или обслуживания воздушного летательного аппарата, могут быть осуществлены или выполнены системотехническим предприятием, третьей стороной и/или оператором (например, потребителем). В контексте данного описания системотехническое предприятие может охватывать, без ограничения, любое число производителей авиационной техники и крупных субподрядчиков; третья сторона может включать, без ограничения, любое число оптовых фирм, субподрядчиков и поставщиков; и оператор может представлять собой авиалинии, лизинговую компанию, военную организацию, обслуживающую организацию и т.п.
Как видно из фиг. 2, воздушный летательный аппарат 102, произведенный способом 100, может содержать корпус 118 воздушного летательного аппарата с множеством систем 120 и внутренним пространством 122. Примеры высокоуровневых систем 120 охватывают по меньшей мере одно из следующего: двигательная установка 124, электрическая система 126, гидравлическая система128 и система 130 искусственного климата. Также может содержаться любое число других систем.
Устройство и способы, изложенные в настоящем описании, могут быть использованы в течение любой по меньшей мере одной из стадий способа 100. Например, компоненты или подузлы, соответствующие изготовлению 108 компонентов, могут быть изготовлены или произведены подобно компонентам или подузлам, произведенным в процессе обслуживания воздушного летательного аппарата 102. Кроме того, по меньшей мере один вариант реализации устройства; вариант реализации способа или их комбинация может быть использован в течение этапов 108 и 110 изготовления, например, по существу ускоряя процесс сборки или снижая затраты на сборку воздушного летательного аппарата 102. Аналогичным образом, по меньшей мере один из вариантов реализации устройства, вариантов реализации способа или их комбинации может быть использован при эксплуатации и обслуживании воздушного летательного аппарата 102, например, в течение запланированного технического обеспечения и обслуживания 116.
В контексте настоящего описания термин «воздушный летательный аппарат» может содержать, без ограничения, самолеты, беспилотные воздушные транспортные средства (UAV), планеры, вертолеты, винтокрылый летательный аппарат и/или любой другой объект, который перемещается в воздушном пространстве. Кроме того, в альтернативном варианте реализации способ изготовления и обслуживания воздушного летательного аппарата, изложенный в настоящем описании, может быть использован на любой операции изготовления и/или обслуживания.
На фиг. 3 изображен воздушный летательный аппарат 200, который по существу может быть подобным воздушному летательному аппарату 102. В типовом варианте реализации воздушный летательный аппарат 200 представляет собой винтокрылый летательный аппарат, который содержит фюзеляж 202, имеющий переднюю часть 204 и заднюю часть 206 (например, хвостовая часть) противоположно передней части 204. В контексте настоящего описания термин «винтокрылый летательный аппарат» может содержать любой воздушный летательный аппарат тяжелее воздуха, который использует лопасти несущего винта, вращающиеся вокруг опоры для создания и поддержания подъемной силы. Примерами винтокрылого летательного аппарата могут являться, без ограничения, вертолеты, конвертопланы, циклокоптеры и гиродины. Винтокрылый летательный аппарат 200 также содержит систему 208 втулки несущего винта, проходящую вверх от передней части 204 фюзеляжа 202, и множество лопастей 210 несущего винта, соединенных с системой 208 втулки несущего винта и выполненных с возможностью вращения вокруг оси 212 несущего винта. В некоторых вариантах реализации винтокрылый летательный аппарат 200 может содержать больше, чем одну систему 208 втулки несущего винта. В типовом варианте реализации система 208 втулки несущего винта содержит четыре лопасти несущего винта, например, первую лопасть 214 несущего винта, вторую лопасть 216 несущего винта, третью лопасть 218 несущего винта и четвертую лопасть 220 несущего винта. Однако предусмотрены варианты реализации, которые включают меньшее количество или дополнительные лопасти несущего винта. В целом при развертывании для выполнения полетных операций лопасти несущего винта равномерно распределены. Например, на изображенном варианте реализации и согласно приведенному выше описанию лопасти разнесены с интервалом 90 градусов. Для шестилопастной конфигурации расстояние будет составлять 60 градусов.
На фиг. 4 представлен вид в перспективе системы 208 втулки несущего винта, содержащей центральное тело 222 и множество узлов 224 плеч несущего винта. В типовом варианте реализации множество узлов 224 плеч несущего винта содержит первый узел 226 плеча несущего винта, выполненный с возможностью присоединения первой лопасти 214 несущего винта к системе 208 втулки, второй узел 228 плеча несущего винта, выполненный с возможностью присоединения второй лопасти 216 несущего винта к системе 208 втулки, третий узел 230 плеча несущего винта, выполненный с возможностью присоединения третьей лопасти 218 несущего винта к системе 208 втулки и четвертый узел 232 плеча несущего винта, выполненный с возможностью присоединения четвертой лопасти 220 несущего винта к системе 208 втулки. Однако предусмотрены варианты реализации, которые включают меньшее количество или дополнительные узлы 224 плеч несущего винта. На фиг. 5 показан вид в перспективе центрального тела 222 и первого узла 226 плеча несущего винта. На фиг. 6 показан вид сбоку в разрезе центрального тела 222 и первого узла 226 плеча несущего винта. На фиг. 7 представлен вид сверху в разрезе центрального тела 222 и первого узла 226 плеча несущего винта. На фиг. 8 представлено покомпонентное изображение центрального тела 222 и первого узла 226 плеча несущего винта. В типовом варианте реализации система 208 втулки несущего винта представляет собой систему несущего винта с полностью шарнирным закреплением лопастей, то есть систему, которая вращается вокруг оси 212 и в которой каждая из лопастей 210 несущего винта обеспечена возможностью совершения осевого, вертикального и горизонтального движения относительно соответствующей оси 234 осевого шарнира, оси 236 горизонтального шарнира и оси 238 вертикального шарнира. Более конкретно узлы 224 плеч несущего винта обеспечивают соответствующей лопасти 210 несущего винта движение по тангажу относительно оси 234 осевого шарнира в диапазоне приблизительно +/-40° от номинала, маховое движение относительно оси 236 горизонтального шарнира в диапазоне приблизительно между -10° и 30° от номинала, и качающее движение относительно оси 238 вертикального шарнира в диапазоне приблизительно +/-10° от номинала. В качестве альтернативы узлы плеч несущего винта могут обеспечивать осевое, вертикальное и горизонтальное движение относительно соответствующих осей в пределах любого диапазона, который облегчает работу узлов 224 плеч несущего винта согласно приведенному выше описанию.
В типовом варианте реализации каждый узел 224 плеча несущего винта содержит множество отдельных упругих подшипников таким образом, что две или более степеней свободы не обеспечены одним подшипником. Более конкретно первый узел 226 плеча несущего винта содержит пару упругих подшипников 240 горизонтального шарнира, упругий упорный подшипник 242 и множество соосных упругих подшипников 244 осевого шарнира, включая внутренний подшипник 246 осевого шарнира и наружный подшипник 248 осевого шарнира. В контексте настоящего описания термин «внутренний» означает ближе к центральному телу 222 и оси 212 вращения и термин «наружный» означает расположенный ближе к оси 238 вертикального шарнира и соответствующему оному из множества лопастей 210 несущего винта. Первый узел 226 плеча несущего винта также содержит традиционный подшипник 250 вертикального шарнира, который может быть подшипником скольжения или подшипником качения. Согласно более подробному описанию, приведенному ниже, подшипники 240, 242, 246, 248 и 250 способствуют обеспечению полностью шарнирной модульной системы втулки несущего винта, которая разработана для замены известной системы втулки несущего винта, использующей системы металлических подшипников качения и пакета полос.
В типовом варианте реализации первый узел 226 плеча несущего винта содержит Т-образный вал 252 установки угла лопасти, который соединен с центральным телом 222. Более конкретно вал 252 установки угла лопасти содержит первую часть 254, которая по существу выровнена с осью 234 лопасти, и вторую часть 256, которая по существу выровнена с осью 236 горизонтального шарнира. Конические или цилиндрические упругие подшипники 240 горизонтального шарнира соединены с возможностью скольжения с противоположными концами второй части 256, а затем соединены с парой установочных кронштейнов 258, проходящих от центрального тела 222. По сути, подшипники 240 горизонтального шарнира и вал 252 установки угла лопасти вращаются вокруг оси 236 горизонтального шарнира таким образом, что подшипники 240 горизонтального шарнира ограничивают движение вала 252 установки угла лопасти в пределах одной степени свободы, махового движения.
Узел 226 плеча несущего винта также содержит внутренний упругий подшипник 246 осевого шарнира, соединенный с первой частью 254 вала установки угла лопасти внутри второй части 256 таким образом, что внутренний подшипник 246 осевого шарнира расположен в непосредственной близости с центральным телом 222. Внутренний подшипник 246 осевого шарнира соединен в U-образном корпусе 260, содержащем пару плеч 262, которые проходят наружу вокруг второй части 256 вала установки угла лопасти. Каждый из дальних концов плеч 262 корпуса подшипника осевого шарнира соединен с крышкой 264 вала установки угла лопасти, которая по меньшей мере частично охватывает первую часть 254 вала 252 установки угла лопасти и выполнена с возможностью защиты вала 252 установки угла лопасти и выдерживания скручивающей, хордовой и маховой нагрузок, не воспринимая при этом центробежных (т.е. осевых) нагрузок, вызываемых при работе узла 226 плеча несущего винта. Крышка 264 вала установки угла лопасти содержит плечо 266 установки угла лопасти, которое номинально выровнено с осью 236 горизонтального шарнира, осевое движение и вращающий момент обеспечены управляющим звеном осевого шарнира (не показано), соединенным с плечом 266 установки угла лопасти. В типовом варианте реализации наружный конец крышки 264 вала установки угла лопасти содержит отверстие 268, выполненное с возможностью приема внутреннего конца 270 корпуса 272 осевого шарнира. В качестве альтернативы корпус 272 осевого шарнира может быть сформирован за одно целое с крышкой 264 вала установки угла лопасти.
В типовом варианте реализации корпус 272 осевого шарнира представляет собой несущую нагрузку структуру, рассмотренную подробно в приведенном ниже описании, и выполнен с возможностью закрытия дальнего конца 274 первой части 254 вала 252 установки угла лопасти, который выходит за пределы отверстия 268 крышки 264 вала установки угла лопасти. Дальний конец 274 содержит отверстие, выполненное с возможностью приема нажимного болта 276. Наружный упругий подшипник 248 осевого шарнира соединен около первой части 254 вала установки угла лопасти между дальним концом 274 и корпусом 272 осевого шарнира. Подшипник 248 осевого шарнира соединен с валом 252 установки угла лопасти максимально наружу для оптимизации (снижения) нагрузок, которые должен воспринимать подшипник 248 осевого шарнира. Кроме того, упругий упорный подшипник 242 соединен с валом 252 установки угла лопасти между концентрическими внутренним и наружным подшипниками 246 и 248 осевого шарнира. Более конкретно упорный подшипник 242 соединен с первой частью 254 вала установки угла лопасти немного внутри наружного подшипника 248 осевого шарнира таким образом, что каждый из подшипников 242, 246 и 248 выровнен с осью 234 осевого шарнира. В типовом варианте реализации концентрические внутренний и наружный подшипники 246 и 248 осевого шарнира и упорный подшипник 242 объединяются для облегчения поворачивающего перемещения, или флюгирования, крышки 264 вала установки угла лопасти и корпуса 272 осевого шарнира вокруг оси 234 осевого шарнира. Кроме того, подшипники 240 горизонтального шарнира способствуют движению крышки 264 вала установки угла лопасти и корпуса 272 осевого шарнира вокруг оси 236 горизонтального шарнира. По сути, крышка 264 вала установки угла лопасти и корпус 272 осевого шарнира ограничены в движении двумя степенями свободы, осевое движение и маховое движение.
Корпус 272 осевого шарнира также содержит наружный конец 278, который содержит пару противоположных фланцев 280, выполненных с возможностью приема между ними по меньшей мере части звена 282 вертикального шарнира. Звено 282 вертикального шарнира выполнено с возможностью обеспечения соединения первой лопасти 214 несущего винта с первым узлом 226 плеча несущего винта. Узел 226 плеча несущего винта также содержит пару демпферов 284, соединенных между внутренним концом крышки 264 вала установки угла лопасти и звеном 282 вертикального шарнира. Демпферы 284 выполнены с возможностью стабилизации движения звена 282 вертикального шарнира относительно оси 238 вертикального шарнира. В типовом варианте реализации каждый фланец корпуса 280 для угла наклона содержит отверстие 286, которое соосно с отверстием 288, определенным через звено 282 вертикального шарнира. Отверстия 286 и 288 выровнены с осью 238 вертикального шарнира и выполнены с возможностью приема подшипника 250 вертикального шарнира. В типовом варианте реализации подшипник 250 вертикального шарнира представляет собой обычный подшипник качения. В качестве альтернативы подшипник 250 вертикального шарнира может быть любым типом подшипника, который облегчает работу узлов 224 плеч несущего винта согласно настоящему описанию. В типовом варианте реализации упругие и соосные подшипники 242, 246 и 248 объединены для облегчения поворачивающего перемещения, или флюгирования, звена 282 вертикального шарнира относительно оси 234 осевого шарнира. Кроме того, упругие подшипники 240 горизонтального шарнира облегчают движение звена 282 вертикального шарнира вокруг оси 236 горизонтального шарнира. Кроме того, роликоподшипник 250 вертикального шарнира облегчает движение звена 282 вертикального шарнира вокруг оси 238 вертикального шарнира. По сути, звено 282 вертикального шарнира подвижно во всех трех степенях свободы, движение по тангажу, маховое движение и качание.
Согласно настоящему описанию каждый узел 224 плеча несущего винта системы 208 втулки несущего винта содержит отдельные упругие подшипники 240 горизонтального шарнира и упругие подшипники 246 и 248 осевого шарнира таким образом, что две или более степени свободы не обеспечены одним упругим подшипниковым элементом. Более конкретно, первый узел 226 плеча несущего винта содержит подшипники 240 горизонтального шарнира, которые обеспечивают маховое движение относительно только оси горизонтального шарнира, и внутренний и наружный подшипники 246 и 248 осевого шарнира, которые объединены с упругим упорным подшипником 242 для обеспечения движения относительно осевого шарнира вокруг только оси 234 осевого шарнира. Кроме того, отдельный подшипник 250 вертикального шарнира обеспечивает качание относительно только оси 238 вертикального шарнира. По сути, каждый подшипник 240, 242, 246, 248 и 250 обеспечивают только одну степень свободы, что обеспечивает полностью шарнирную и динамически устойчивую систему 208 втулки несущего винта. Более конкретно, тип подшипника и местоположение в пределах каждого узла 224 плеча несущего винта согласно настоящему описанию обеспечивает динамически устойчивую систему 208 втулки несущего винта, которая не требует активного демпфирования, что снижает сложность, массу и стоимость системы 208 втулки несущего винта.
В типовом варианте реализации каждый узел 224 плеча несущего винта воспринимает по меньшей мере три силы, действующие на нее. Первой выступает хордовая поперечная сила, представленная стрелкой 290 (показанной на фиг. 7), действующей по существу параллельно оси 236 горизонтального шарнира. Другим усилием, воспринимаемым первым узлом 226 плеча несущего винта, является поперечная сила в плоскости вертикального шарнира, представленная стрелкой 292, действующая по существу параллельно оси 238 вертикального шарнира. Еще одно усилие, воспринимаемое первым узлом плеча 226, представляет собой нагрузку от центробежной силы, представленную стрелкой 294, действующую по существу параллельно оси 234 осевого шарнира. В типовом варианте реализации нагрузка 294 перемещается вдоль однозначно определенного пути 296 нагружения через компоненты первого узла 226 плеча несущего винта. Более конкретно звено 282 вертикального шарнира передает нагрузку 294 от первой лопасти 214 несущего винта (показанной на фиг. 3) корпусу 272 осевого шарнира. Путь 296 нагружения последовательно проходит через корпус 272 осевого шарнира к упорному подшипнику 242 и наружному подшипнику 248 осевого шарнира таким образом, что крышка 264 вала установки угла лопасти не несет нагрузки 294. Затем нагрузка 294 передается от подшипника 248 осевого шарнира в первую часть 254 вала 252 установки угла лопасти через нажимной болт 276. Затем нагрузка 294 переносится по первой части 254 ко второй части 256 вала 252 установки угла лопасти таким образом, что вал 252 установки угла лопасти переносит нагрузку 294 на подшипники 240 горизонтального шарнира. Траектория 296 нагрузки заканчивается по мере переноса подшипниками 240 горизонтального шарнира нагрузки 294 центральному телу 222. Хордовая поперечная сила 290 и поперечная сила 292 в плоскости вертикального шарнира, возникающие у звена 282 вертикального шарнира, создают изгибающие моменты, а также поперечные усилия в крышке 264 вала установки угла лопасти и корпусе 272 осевого шарнира. Эти моменты и усилия воспринимаются парой, сформированной внутренним подшипником 246 осевого шарнира и наружным подшипником 248 осевого шарнира. В конечном счете, пара сил подшипников осевого шарнира переносится к дальнему концу вала 274 установки угла лопасти и внутреннему концу вала установки угла лопасти вблизи части 256 вала установки угла лопасти. В конечном итоге эта получающаяся пара сил на валу установки угла лопасти переносится к части 256 вала установки угла лопасти и воспринимается подшипниками 240 горизонтального шарнира, поддерживаемыми центральным телом 222.
Кроме того, система 208 втулки несущего винта представляет собой модульную систему втулки таким образом, что различные многолопастные системы втулки несущего винта могут быть построены с использованием одной конструкции узла плеча несущего винта, такой как первый узел 226 плеча несущего винта, и соответствующего центрального элемента втулки, такого как центральное тело 222. Например, на фиг. 4 изображена система 208 втулки несущего винта, имеющая четыре узла 224 плеч несущего винта и соответствующее центральное тело 222, выполненное с возможностью соединения с каждым узлом 224. Однако система 208 втулки несущего винта может представлять собой трех- или пятирычажную систему несущего винта, причем конструкции узла плеча несущего винта любой из трех- или пятирычажной систем втулки несущего винта по существу подобны. В связи с этим, при повреждении или необходимости ремонта одного узла плеча необходимо снимать с системы втулки только поврежденный узел плеча. В таком случае запасной узел плеча может быть быстро и легко установлен на центральное тело, без снятия ни одного из неповрежденных узлов плеч несущего винта с центрального тела и без снятия системы втулки несущего винта с винтокрылого летательного аппарата, тем самым обеспечивая возможность поддержания работоспособности винтокрылого летательного аппарата при ремонте поврежденного узла плеча. Такая модульная конструкция уменьшает время простоя винтокрылого летательного аппарата, одновременно снижая затраты и продолжительность обслуживания системы втулки несущего винта.
Из представленного вше описания станет понятно, что была представлена и описана система втулки несущего винта винтокрылого летательного аппарата и способ сборки, которые обеспечивают несколько преимуществ. Система втулки несущего винта согласно настоящему описанию отличается от других известных систем втулки, указанных в приведенном выше описании, тем, что каждый из множества узлов плеч несущего винта системы втулки несущего винта содержит отдельные упругие подшипники горизонтального шарнира и осевого шарнира, которые обеспечивают степени свободы, соответственно, в горизонтальной и осевой плоскостях вращения лопасти несущего винта. Кроме того, центробежная нагрузка передана по однозначно определенной траектории нагружения, которая охватывает воспринимающий нагрузку корпус осевого шарнира и отдельный упругий упорный подшипник. Система втулки несущего винта, рассмотренная в настоящем описании, имеет по существу подобную опорную поверхность и кинематику как у известных роликоподшипниковых систем втулки несущего винта и систем втулки пакета полос; но является более легкой в обслуживании, особенно в условиях полевого обслуживания. Соответственно один вариант реализации типовой системы втулки несущего винта заключается в модернизации известных систем втулки узлами плеч несущего винта, представленными в настоящем описании, путем проектирования точки крепления для узлов плеч несущего винта, совместимой с точками крепления известных систем втулки несущего винта для обеспечения возможности использования подобного центрального тела. Более конкретно, типовая система втулки несущего винта может заменять вал для передачи крутящего момента и металлические роликоподшипники, имеющиеся в известных нефрикционных системах втулки, и пакетах полос систем втулки несущего винта на основе пакета полос, комбинацией вала установки угла лопасти, отдельного упругого упорного подшипника и отдельных упругих подшипников осевого шарнира.
Замена металлических роликоподшипников и пакетов полос валом установки угла лопасти и упругими подшипниками сохраняет по существу подобную кинематику и опорную поверхность известных конструкций, но обеспечивает менее сложную и недорогую систему втулки несущего винта. Более конкретно, в отличие от известных втулок на основе пакета полос система втулки несущего винта, рассмотренная в настоящем описании, использует традиционные аэрокосмические материалы, которые уменьшают затраты изготовления. Кроме того, при повреждении одного из упругих подшипников, определенном как полный задир в слоях эластомера, упругие подшипники по-прежнему будут функционировать приемлемо и будут относительно легко обнаружимы вследствие увеличения колебаний и возможности беспрепятственного выполнения визуального осмотра. Несмотря на то, что были представлены и описаны конкретные варианты реализации настоящего изобретения, тем не менее понятно, что настоящее изобретение не ограничено такими конкретными вариантами реализации, так как специалистами в данной области техники могут быть сделаны модификации, в частности с учетом предшествующего раскрытия. Таким образом, предполагается, что представленные ниже пункты формулы изобретения охватывают любые такие модификации и содержат в себе те особенности, которые составляют существенные признаки этих усовершенствований в пределах сущности и объема настоящего изобретения.
Кроме того, настоящее изобретение содержит варианты реализации согласно приведенным ниже пунктам:
1. Узел плеча несущего винта для использования в системе втулки несущего винта винтокрылого летательного аппарата, содержащий:
вал установки угла лопасти и
множество отдельных подшипников, соединенных с указанным валом установки угла лопасти, причем указанное множество подшипников представляет собой множество упругих подшипников, выполненных с возможностью облегчения движения узла плеча несущего винта относительно множества степеней свободы, при этом соответствующий один из указанных подшипников выполнен с возможностью обеспечения одной степени свободы.
2. Узел плеча несущего винта по п. 1, в котором указанный вал установки угла лопасти содержит первую часть, выровненную с осью лопасти и перпендикулярную вторую часть, выровненную с осью горизонтального шарнира, а указанное множество отдельных подшипников содержит:
пару упругих подшипников горизонтального шарнира, соединенных с указанной второй частью, указанная пара подшипников горизонтального шарнира выполнена с возможностью облегчения движения относительно оси горизонтального шарнира; и
по меньшей мере один упругий подшипник осевого шарнира, соединенный с указанной первой частью, указанный по меньшей мере один подшипник осевого шарнира выполнен с возможностью облегчения движения относительно оси лопасти.
3. Узел плеча несущего винта по п. 2, в котором указанный по меньшей мере один подшипник осевого шарнира содержит внутренний подшипник осевого шарнира, соединенный вблизи указанной второй части, и наружный подшипник осевого шарнира, соединенный на дальнем конце указанной первой части, указанный наружный подшипник осевого шарнира расположен соосно с указанным внутренним подшипником осевого шарнира.
4. Узел плеча несущего винта по п. 3, дополнительно содержащий упорный подшипник, соединенный с указанной первой частью между указанным внутренним и указанным наружным подшипниками осевого шарнира, причем указанный упорный подшипник представляет собой упругую опору, выполненную с возможностью противодействия центробежным осевым усилиям и облегчения движения относительно оси лопасти.
5. Узел плеча несущего винта по п. 1, в котором указанный вал установки угла лопасти содержит первую часть, выровненную с осью лопасти, и перпендикулярную вторую часть, выровненную с осью горизонтального шарнира, а указанное множество отдельных упругих подшипников содержит:
пару подшипников горизонтального шарнира, соединенных с указанной второй частью, указанная пара подшипников горизонтального шарнира, выполнена с возможностью облегчения движения относительно оси горизонтального шарнира;
внутренний подшипник осевого шарнира, соединенный с указанной первой частью вблизи указанной второй части;
наружный подшипник осевого шарнира, соединенный на дальнем конце указанной первой части, указанный наружный подшипник осевого шарнира расположен соосно с указанным внутренним подшипником осевого шарнира; и
упорный подшипник, соединенный с указанной первой частью между указанным внутренним и указанным наружным подшипниками осевого шарнира, причем указанный упорный подшипник представляет собой упругую опору, выполненную с возможностью противодействия центробежным осевым усилиям и облегчения движения относительно оси лопасти.
6. Узел плеча несущего винта по п. 5, дополнительно содержащий:
корпус осевого шарнира, выполненный с возможностью размещения по меньшей мере части указанной первой части указанного вала установки угла лопасти, причем указанный наружный подшипник осевого шарнира и указанный упорный подшипник соединены между указанным корпусом осевого шарнира и указанным валом установки угла лопасти; и
звено вертикального шарнира, соединенное с указанным корпусом осевого шарнира, причем указанное звено вертикального шарнира содержит подшипник вертикального шарнира, выполненный с возможностью облегчения движения относительно оси вертикального шарнира.
7. Узел плеча несущего винта по п. 1, в которой винтокрылый летательный аппарат выбран из группы, содержащей вертолет, конвертоплан, циклокоптер и гиродин.
8. Система втулки несущего винта для винтокрылого летательного аппарата, содержащая:
центральное тело, выполненное с возможностью поворота вокруг оси вращения;
множество модульных плеч несущего винта, выполненных с возможностью присоединения к указанному центральному телу, причем каждая из указанного множества узлов плеч несущего винта содержит:
вал установки угла лопасти и
множество отдельных подшипников, соединенных с указанным валом установки угла лопасти, указанное множество подшипников представляет собой множество упругих подшипников, выполненных с возможностью облегчать движение узла плеча несущего винта относительно множества степеней свободы, причем соответствующий один из указанных подшипников выполнен с возможностью обеспечения одной степени свободы.
9. Система втулки несущего винта по п. 8, в которой указанный вал установки угла лопасти содержит первую часть, выровненную с осью лопасти, и перпендикулярную вторую часть, выровненную с осью горизонтального шарнира, и указанное множество отдельных подшипников содержит:
пару упругих подшипников горизонтального шарнира, соединенных с указанной второй частью, указанная пара подшипников горизонтального шарнира выполнена с возможностью облегчения движения относительно оси горизонтального шарнира; и
по меньшей мере один упругий подшипник осевого шарнира, соединенный с указанной первой частью, указанный по меньшей мере один подшипник осевого шарнира выполнен с возможностью облегчения движения относительно оси лопасти.
10. Система втулки несущего винта по п. 9, в которой указанный по меньшей мере один подшипник осевого шарнира содержит внутренний подшипник осевого шарнира, соединенный близко к указанной второй части, и наружный подшипник осевого шарнира, соединенный на дальнем конце указанной первой части, указанный наружный подшипник осевого шарнира расположен соосно с указанным внутренним подшипником осевого шарнира.
11. Система втулки несущего винта по п. 8, в которой указанный вал установки угла лопасти содержит первую часть, выровненную с осью лопасти, и перпендикулярную вторую часть, выровненную с осью горизонтального шарнира, и указанное множество отдельных упругих подшипников содержит:
пару подшипников горизонтального шарнира, соединенных с указанной второй частью, указанная пара подшипников горизонтального шарнира выполнена с возможностью облегчения движения относительно оси горизонтального шарнира;
внутренний подшипник осевого шарнира, соединенный с указанной первой частью вблизи указанной второй части;
наружный подшипник осевого шарнира, соединенный на дальнем конце указанной первой части, указанный наружный подшипник осевого шарнира расположен соосно с указанным внутренним подшипником осевого шарнира; и
упорный подшипник, соединенный с указанной первой частью между указанным внутренним и указанным наружным подшипниками осевого шарнира, причем указанный упорный подшипник представляет собой упругую опору, выполненную с возможностью восприятия центробежных осевых усилий и облегчения движения относительно оси лопасти.
12. Система втулки несущего винта по п. 11, дополнительно содержащая:
корпус осевого шарнира, выполненный с возможностью размещения по меньшей мере части указанной первой части указанного вала установки угла лопасти, причем указанный наружный подшипник осевого шарнира и указанный упорный подшипник соединены между указанным корпусом осевого шарнира и указанным валом установки угла лопасти; и
звено вертикального шарнира, соединенное с указанным корпусом осевого шарнира, указанное звено вертикального шарнира содержит подшипник вертикального шарнира, выполненный с возможностью облегчения движения относительно оси вертикального шарнира.
13. Система втулки несущего винта по п. 11, в которой траектория действия нагрузки последовательно образована через указанное звено вертикального шарнира, указанный корпус осевого шарнира, указанный упорный подшипник, указанный наружный подшипник осевого шарнира, указанный вал установки угла лопасти и указанную пару подшипников горизонтального шарнира.
14. Система втулки несущего винта по п. 8, в которой множество модульных узлов плеч несущего винта содержит множество используемых узлов плеч несущего винта и по меньшей мере один запасной узел плеча несущего винта, причем один из указанных используемых узлов плеч несущего винта выполнен с возможностью замены на указанном центральном теле указанным запасным узлом плеча несущего винта без снятия остального множества используемых узлов плеч несущего винта c указанного центрального тела.
15. Способ сборки узла плеча несущего винта для использования в винтокрылом летательном аппарате, включающий:
обеспечение вала установки угла лопасти, который содержит первую часть и вторую часть, перпендикулярную первой части;
присоединение пары подшипников горизонтального шарнира ко второй части;
присоединение внутреннего подшипника осевого шарнира к первой части вблизи второй части; и
присоединение наружного подшипника осевого шарнира на дальнем конце первой части, причем пара подшипников горизонтального шарнира, внутренний подшипник осевого шарнира и наружный подшипник осевого шарнира представляют собой отдельные упругие подшипники, выполненные с возможностью облегчать движение узла плеча несущего винта относительно множества степеней свободы.
16. Способ по п. 15, согласно которому соединение пары подшипников горизонтального шарнира дополнительно содержит соединение пары подшипников горизонтального шарнира, выполненных с возможностью облегчать движение узла плеча несущего винта относительно только оси горизонтального шарнира; и согласно которому соединение внутреннего и наружного подшипника осевого шарнира дополнительно содержит соединение внутреннего и наружного подшипника осевого шарнира, которые выполнены с возможностью облегчать движение узла плеча несущего винта относительно только оси лопасти.
17. Способ по п. 15, дополнительно включающий присоединение упорного подшипника к валу установки угла лопасти между внутренним и наружным подшипниками осевого шарнира, причем упорный подшипник представляет собой упругую опору, выполненную с возможностью восприятия центробежных осевых усилий и облегчения движения узла плеча несущего винта относительно оси лопасти.
18. Способ по п. 17, дополнительно включающий установку корпуса осевого шарнира вокруг по меньшей мере части первой части вала установки угла лопасти, причем наружный подшипник осевого шарнира и упорный подшипник соединены между корпусом осевого шарнира и валом установки угла лопасти; и
присоединение звена вертикального шарнира к корпусу осевого шарнира, причем звено вертикального шарнира содержит подшипник вертикального шарнира, выполненный с возможностью облегчения движения относительно оси вертикального шарнира.
19. Способ по п. 17, дополнительно включающий определение траектории действия нагрузки, которая последовательно проходит через звено вертикального шарнира, корпус осевого шарнира, упорный подшипник, наружный подшипник осевого шарнира, вал установки угла лопасти и пару подшипников горизонтального шарнира.
20. Способ по п. 15, дополнительно включающий установку корпуса подшипника осевого шарнира вокруг внутреннего подшипника осевого шарнира, причем корпус подшипника осевого шарнира представляет собой U-образный корпус, содержащий пару проходящих наружу плеч.
Настоящее описание использует примеры для раскрытия различных вариантов реализации, включая наилучший вариант, и также для обеспечения возможности осуществления любым специалистам в данной области техники различных вариантов реализации, включая создание и использование любых устройств или систем и выполнение любых объединенных способов. Патентоспособный объем настоящего изобретения определен пунктами формулы изобретения и может содержать другие примеры, которые очевидны для специалистов в данной области техники. Предполагается, что такие другие примеры охвачены пунктами формулы изобретения, если у них есть структурные элементы, которые не отличаются от буквальной формулировки пунктов формулы изобретения или если они содержат эквивалентные структурные элементы с кажущимися отличиями от буквальной формулировки пунктов формулы изобретения.