НЕСУЩИЙ ВИНТ ВИНТОКРЫЛОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА С СИСТЕМОЙ СКЛАДЫВАНИЯ ЛОПАСТЕЙ
ROTORCRAFT ROTOR WITH BLADE FOLDING SYSTEM

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к многолопастным несущим винтам винтокрылого летательного аппарата.
Известен несущий винт винтокрылого летательного аппарата с системой складывания лопастей (патент РФ №2376201; В64С 27/32, В64С 27/39). Несущий винт состоит из втулки, вала осевого шарнира, корпуса осевого шарнира, механизма складывания, лопасти и эластомерных подшипников. Втулка представляет собой корпусную деталь с множеством (по числу лопастей) проушин. Вал осевого шарнира представляет корпусную деталь с проушинами с отверстиями под два радиальных эластомерных подшипника. Корпус осевого шарнира представляет собой корпусную деталь с проушинами с каждого конца. Несущий винт имеет в следующей последовательности горизонтальный, осевой и вертикальный шарниры. Горизонтальный шарнир состоит из втулки, вала осевого шарнира, оси горизонтального шарнира, двух радиальных, двух осевых эластомерных подшипников и двух крышек со шлицами. Вал осевого шарнира устанавливается через смонтированные в проушинах радиальные эластомерные подшипники на ось горизонтального шарнира, которая служит осью вращения горизонтального шарнира. Осевой шарнир состоит из вала осевого шарнира, корпуса осевого шарнира, двух радиальных подшипников скольжения, осевого упорного цилиндрического эластомерного подшипника и переходника. Корпус осевого шарнира посредством двух радиальных подшипников скольжения монтируется на вал осевого шарнира. Подшипники расположены со стороны лопасти от болта крепления переходника, который опирается на осевой упорный цилиндрический эластомерный подшипник, к корпусу осевого шарнира. Соединение корпуса осевого шарнира с переходником крепления лопасти образует вертикальный шарнир. Его осью является ось вертикального шарнира. Движение в вертикальном шарнире осуществляется с помощью радиального подшипника скольжения вертикального шарнира. Переходник крепления лопасти через ось вертикального шарнира и быстросъемный болт соединен с упругой силовой балкой, противоположный конец которой опирается на направляющие на корпусе осевого шарнира. Несущий винт имеет ручное складывание лопастей, состоящее из быстросъемных болтов и фиксаторов взмаха и поворота лопасти в осевом шарнире складываемых лопастей.
У прототипа радиальный эластомерный подшипник горизонтального шарнира имеет конструкцию из концентрических слоев жесткого материала и эластичного материала, у которого при закручивании относительные сдвиговые деформации разных эластичных слоев варьируются от максимальной у внутреннего слоя до минимальной у наружного. У такого подшипника ресурс определяется прочностью внутреннего слоя эластичного материала, и увеличение ресурса посредством увеличения количества слоев малоэффективно из-за уменьшающейся с каждым добавленным слоем вклада в суммарный угол закручивания подшипника. Кроме того, у такого подшипника эластичный слой находится в состоянии нескомпенсированной термоусадки, характерной для такого типа эластичных материалов, что уменьшает прочность подшипника. Наличие равной радиальной прочности во всех азимутах приложения сил является излишним и неэффективно в весовом отношении, поскольку в конструкции такой подшипник имеет определяющую прочность нагрузку в виде центробежной силы, направленной всегда в одну сторону.
У прототипа осевой упорный цилиндрический подшипник состоит из некоторого количества плоских прокладок из жесткого материала, перемежающегося слоями эластичного материала. При необходимости получения больших значений ресурсов необходимо иметь подшипник с большим количеством прокладок и соответственно с общей большой длиной рабочей части подшипника. Для подшипников такой конструкции характерным видом разрушения может стать потеря устойчивости при сжатии от действия центробежной силы, причем чем длиннее подшипник, тем запас по потере устойчивости становится меньше. Такой подшипник затруднительно масштабировать увеличением количества жестких и эластичных прокладок с целью увеличения ресурса.
У прототипа закручивание осевого эластомерного подшипника горизонтального шарнира происходит посредством шлица и паза в двух контактирующих деталях (крышек и осевых эластомерных подшипников). При этом происходит закручивание обоих осевых эластомерных подшипников при любом направлении действия боковой силы в плоскости вращения, в то время как боковую силу всегда воспринимает лишь один подшипник. Этим уменьшается потенциально высокий ресурс такого подшипника.
Осевой шарнир имеет два радиальных подшипника скольжения и переходник, опирающийся на осевой упорный цилиндрический эластомерный подшипник. Оба радиальных подшипника скольжения осевого шарнира расположены за осью болта крепления переходника (со стороны лопасти несущего винта), что делает конструктивно ограниченным расстояние между радиальными подшипниками скольжения и увеличивает поперечные силы на них от изгибающих моментов. Это приводит к уменьшению ресурса по износу подшипников скольжения. Наличие переходника, конец которого является одним из тел трения радиального подшипника скольжения, увеличивает массу несущего винта.
Конструктивные особенности шарниров известного несущего винта ухудшают характеристики несущего винта в целом.
Технической задачей заявляемого технического решения является увеличение ресурса и уменьшение массы несущего винта.
Техническая задача обеспечивается тем, что в несущем винте винтокрылого летательного аппарата с системой складывания лопастей, включающем в себя лопасти, втулку с проушинами, количество которых равно количеству лопастей, и соединение лопастей со втулкой, содержащее горизонтальный шарнир, состоящий из вала осевого шарнира, соединенного через проушины со втулкой осью горизонтального шарнира, имеющего отверстие, двух радиальных эластомерных подшипников, смонтированных в проушинах вала осевого шарнира, двух осевых эластомерных подшипников, расположенных внутри отверстия в оси горизонтального шарнира симметрично с двух сторон, и двух крышек, соединяющих вал осевого шарнира с осевыми эластомерными подшипниками, осевой шарнир, состоящий из вала осевого шарнира с двумя проушинами, соединенного с корпусом осевого шарнира, имеющего проушины и направляющие снаружи корпуса, посредством осевого упорного цилиндрического эластомерного подшипника и двух радиальных подшипников скольжения, один из которых расположен на конце вала осевого шарнира со стороны лопасти, вертикальный шарнир, состоящий из соединенных осью вертикального шарнира корпуса осевого шарнира и переходника крепления лопасти, соединенного с комлем лопасти, оси вертикального шарнира, радиального подшипника скольжения, упругий силовой элемент, соединенный основанием с переходником крепления лопасти и корпусом осевого шарнира осью вертикального шарнира и быстросъемным болтом с переходником крепления лопасти, а своим концом вставленный в направляющие на корпусе осевого шарнира, и соединение втулки с лопастями, подлежащими складыванию, снабжено ограничителем взмаха и шага лопасти в сложенном состоянии, радиальный эластомерный подшипник выполнен в виде набора концентрических цилиндрических чередующихся незамкнутых со стороны лопасти жестких и эластичных прокладок с одинаковыми относительными сдвиговыми деформациями при закручивании и ширинами каждого слоя, у крышек имеется выступ, заходящий внутрь отверстия оси горизонтального шарнира и имеющий минимальный радиальный зазор со стороны вала несущего винта и зазор со стороны лопасти, упор крышек в осевые эластомерные подшипники горизонтального шарнира и их закручивание осуществляется через закрепленные на выступах крышек антифрикционные прокладки, второй радиальный подшипник скольжения осевого шарнира расположен перед болтом крепления осевого упорного цилиндрического эластомерного подшипника со стороны вала несущего винта, у арматуры осевого упорного цилиндрического эластомерного подшипника имеется цилиндрический выступ, являющийся одним из тел трения этого радиального подшипника скольжения, жесткие прокладки осевого упорного цилиндрического эластомерного подшипника имеют фигурную форму, представляющую собой конус с основанием в виде плоского кольца, сопряженного с боковой поверхностью конуса, вершина конуса имеет радиусное округление и центральное отверстие.
Предусматривается также, что механизм ограничителя взмаха и поворота в осевом шарнире выполнен съемным и часть периферийных жестких и эластичных прокладок радиального эластомерного подшипника горизонтального шарнира может иметь меньшую, чем у большинства внутренних, ширину.
Изобретение поясняется чертежами, где
на Фиг.1 изображен вертикальный разрез по оси осевого шарнира,
на Фиг.2 изображен вид сверху на несущий винт,
на Фиг.3 изображен разрез по горизонтальному шарниру в плоскости вращения,
на Фиг.4 изображен вид сбоку на радиальный эластомерный подшипник горизонтального шарнира,
на Фиг.5 изображен разрез жесткой прокладки осевого упорного цилиндрического эластомерного подшипника осевого шарнира.
Несущий винт винтокрылого летательного аппарата с системой складывания лопастей включает в себя лопасти 1, втулку 2 с проушинами 3, количество которых равно количеству лопастей, и соединение лопастей со втулкой, содержащее в следующей последовательности горизонтальный, осевой и вертикальный шарниры (см. Фиг.1, Фиг.2).
Горизонтальный шарнир состоит из вала осевого шарнира 4, проушин 3 втулки 2, оси 5, двух радиальных эластомерных подшипников 6, двух крышек 7 и двух осевых эластомерных подшипников 8 (см. Фиг.3).
В отверстие в проушине 3 втулки 2 установлена ось 5, которая служит осью вращения горизонтального шарнира. Радиальные эластомерные подшипники 6 представляют собой набор чередующихся концентрических незамкнутых со стороны лопасти жестких прокладок 9 и эластичных прокладок 10, которые вставлены в две проушины вала осевого шарнира 4 и опираются на ось 5 (см. Фиг.4). Длины эластичных прокладок 10 выбраны таким образом, чтобы относительная сдвиговая деформация при закручивании каждого слоя была одна и та же. Ширина всех эластичных прокладок 10 выполнена одинаковой. По конструктивным соображениям, обусловленным возможностью выполнения вала осевого шарнира 4, часть периферийных жестких прокладок 9 и эластичных прокладок 10 может иметь меньшую ширину. На боковой поверхности проушин вала осевого шарнира 4 закреплены крышки 7, которые упираются через закрепленные на выступе 11 антифрикционные прокладки 12 в осевые эластомерные подшипники 8, находящиеся в отверстии 13 оси 5 симметрично с обоих концов. Радиальный зазор 14 между выступом 11 и отверстием 13 со стороны вала несущего винта выполнен возможно минимальным, а радиальный зазор 15 со стороны лопасти 1 - достаточным, чтобы отсутствовало касание выступа 11 с поверхностью отверстия 13 в оси 5 при перемещении вала осевого шарнира 4 в сторону лопасти 1 от деформации при сжатии радиального эластомерного подшипника 6 центробежной силой и другими нагрузками.
Осевой шарнир состоит из вала осевого шарнира 4, корпуса осевого шарнира 16, имеющего проушины, осевого упорного цилиндрического эластомерного подшипника 17, радиальных подшипников скольжения 18, 19.
На валу осевого шарнира 4 монтируется корпус осевого шарнира 16 посредством двух радиальных подшипников скольжения 18, 19. Осевой упорный цилиндрический эластомерный подшипник 17 с одной стороны закреплен на валу осевого шарнира 4, с другой - на корпусе осевого шарнира 16 болтом 20. Арматура осевого упорного цилиндрического эластомерного подшипника 17 выполнена с цилиндрическим выступом 21, являющимся одним из тел трения радиального подшипника скольжения 18. Жесткие прокладки 22 осевого упорного цилиндрического эластомерного подшипника 17 имеют фигурную форму, представляющую собой конус 23 с основанием в виде плоского кольца 24, сопряженного с боковой поверхностью конуса 23. Вершина конуса 24 имеет радиусное округление 25 и центральное отверстие 26 (см. Фиг.5).
Корпус осевого шарнира 16 имеет направляющие 27. Вертикальный шарнир состоит из корпуса осевого шарнира 16, оси 28, радиального подшипника скольжения 29, переходника крепления лопасти 30.
Переходник крепления лопасти 30 соединен с комлевой частью лопасти 1. Упругий силовой элемент 31 основанием соединен осью 28 вертикального шарнира с проушинами корпуса осевого шарнира 16 и переходника крепления лопасти 30 и быстросъемным болтом 32 с переходником крепления лопасти 30, а своим противоположным концом вставлен в направляющие 27 на корпусе осевого шарнира 16.
На несущем винте применено ручное складывание лопастей вокруг оси 28 вертикального шарнира, состоящее из быстросъемного болта 32, кронштейна 33 и ограничителя взмаха и поворота лопасти в осевом шарнире 34 в сложенном положении лопастей.
При полете винтокрылого летательного аппарата его несущий винт находится в неравномерном потоке воздуха, и лопасти 1 несущего винта совершают маховые движения в вертикальной и горизонтальной плоскостях. При действии системы управления лопасти 1 несущего винта меняют свои углы установки. При маховом движении необходимая подвижность лопастей 1 обеспечивается наличием горизонтального и вертикального шарниров, а изменение шага лопасти - осевого шарнира. Во время работы винта соединение втулки с лопастями воспринимает нагрузки от лопастей.
Центробежная сила с лопасти 1 передается на переходник крепления лопасти 30, через вертикальный шарнир на корпус осевого шарнира 16, далее на осевой упорный цилиндрический эластомерный подшипник 17 и на вал осевого шарнира 4. Далее через радиальные эластомерные подшипники 6 и ось 5 центробежная сила замыкается на втулке 2.
Изгибающий момент в плоскости вращения с лопасти 1 проходит на переходник крепления лопасти 30. Далее изгибающий момент воспринимается упругим силовым элементом 31, выбор жесткости которого обеспечивает требуемые уровни нагрузок в плоскости вращения на детали несущего винта и, вместе с демпфированием в вертикальном шарнире, запасы по возникновению колебаний типа «земной резонанс». Пара сил от изгибающего момента в плоскости вращения с упругого силового элемента 31 передается через вертикальный шарнир и направляющие 27 на корпус осевого шарнира 16. Далее через два радиальных подшипника скольжения 18, 19 изгибающий момент проходит по валу осевого шарнира 4 и через радиальные эластомерные подшипники 6 замыкается на проушине 3 втулки 2. Кратковременно при раскрутке и останове несущего винта, при которых суммарная результирующая сила на радиальном эластомерном подшипнике 6 от изгибающего момента и продольной силы возможно направлена в сторону вала несущего винта, эту силу передает через ось 5 на проушину 3 втулки 2 выступ 11 крышек 7.
Боковая перерезывающая сила в плоскости вращения проходит от лопасти 1 через переходник крепления лопасти 30, вертикальный шарнир, корпус осевого шарнира 16, далее через радиальные подшипники скольжения 18, 19 по валу осевого шарнира 4. Передача нагрузки на втулку 2 происходит через выступ 11 крышки 7 и осевые эластомерные подшипники 8 горизонтального шарнира.
Складывание лопасти 1 происходит следующим образом: вначале вручную происходит введение ограничителя взмаха и поворота лопасти в осевом шарнире 34. Затем вручную вынимается быстросъемный болт 32, лопасть 1 заводится в положение складывания и быстросъемный болт 32 снова монтируется в новом положении, соединяя упругий силовой элемент 31 с кронштейном 33.
Выполнение жестких 9 и эластичных 10 прокладок незамкнутыми позволяет выполнять их требуемой длины для обеспечения одинаковой относительной сдвиговой деформации всех слоев при закручивании и без внутренних напряжений в эластичных прокладках. Такое исполнение и одинаковая ширина всех эластичных прокладок 10 радиального эластомерного подшипника 6 позволяет получить у него минимальную массу и максимально возможный ресурс при заданном габарите с возможностью эффективного масштабирования по количеству прокладок с целью получения любого требуемого ресурса.
Фигурная форма прокладок 22 исключает потерю устойчивости подшипника при сжатии от центробежной силы при больших длинах рабочей части осевого упорного цилиндрического эластомерного подшипника 17, что позволяет его эффективно масштабировать по количеству прокладок с целью получения любого требуемого ресурса.
Центральное отверстие 26 в жесткой прокладке 22 позволяет обеспечить качественное изготовление осевого упорного цилиндрического эластомерного подшипника 17 методом литья эластомера под давлением, тем самым получая максимальный ресурс в конкретном геометрическом исполнении.
Перенос радиального подшипника скольжения 18 ближе к горизонтальному шарниру со стороны лопасти 1 и монтаж его на цилиндрическом выступе 21 арматуры осевого упорного цилиндрического эластомерного подшипника 17 позволяют отказаться от использования дополнительных деталей, что упрощает конструкцию, уменьшает массу и позволяет увеличить расстояние между радиальными подшипниками скольжения 18, 19, что уменьшает нагрузки на эти подшипники, их износ и, тем самым, увеличивает ресурс.
Введение безшлицевого соединения крышек 7 с осевыми эластомерными подшипниками 8 горизонтального шарнира позволяет увеличить ресурс осевых эластомерных подшипников 8 за счет закручивания посредством сил трения лишь одного, опорного в данный момент, осевого эластомерного подшипника 8.
Наличие съемного устройства ограничителей взмаха и поворота лопасти в осевом шарнире 34 позволяет при отсутствии необходимости складывания лопастей уменьшить массу всей конструкции.
Описанная выше совокупность конструктивных особенностей несущего винта винтокрылого летательного аппарата с системой складывания лопастей позволили увеличить ресурс несущего винта и уменьшить его массу.