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Schlaggelenk


Das Schlaggelenk erlaubt es dem Rotorblatt eines Hubschraubers bzw. Drehflüglers, sich gegenüber der Rotorkreisebene nach oben oder unten zu bewegen. Es verhindert eine Überlastung der Rotorblattwurzel und des Rotorkopfes. Schlaggelenke erlauben es dem Rotorblatt, sich um ca. 35° nach oben und um 5° nach unten zu bewegen. Diese Bewegungen werden "Schlagen" genannt. Die durch die Rotordrehung entstehenden Fliehkräfte verhindern dabei, dass sich die Rotorblätter zu weit nach oben bewegen. Im Normalbetrieb werden nur Auslenkungen von [math]\pm[/math]5° erreicht.[1]:239, 240

Aerodynamische Grundlagen

Die Rotorblattgeschwindigkeit ist abhängig von der Drehzahl der Rotorwelle sowie vom Durchmesser des betrachteten Rotorkreises. Zum Beispiel hat der Hubschrauber Sikorsky CH-53 je nach Modellvariante einen Hauptrotordurchmesser von 22 bis 24 Metern, also einen Radius von 11 bis 12 Metern. Im Normalbetrieb dreht sich die Rotorwelle mit 185 Umdrehungen pro Minute (rpm). Die Rotorblattgeschwindigkeit [math]v_m[/math] in Kilometern pro Stunde (km/h) bezogen auf eine bestimmte, von der Rotorwellenmitte gemessene, Rotorblattlänge in Metern (m) wird nach folgender Formel berechnet:

[math]v_m = d \cdot \pi \cdot rpm \cdot 0,06[/math]

wobei d für den Durchmesser des betrachteten Rotorkreises in Metern und die Konstante 0,06 für den Umrechnungsfaktor von m/s und Umdrehungen pro Minute in km/h und Umdrehungen pro Sekunde steht. Daraus ergibt sich eine Rotorblattgeschwindigkeit an der Blattspitze (Radius = 12 Meter) des CH-53 [math]v_{12}[/math] von 836,92 km/h. Am halben Rotorkreis (Radius = 6 Meter) beträgt die Rotorblattgeschwindigkeit [math]v_6[/math] noch 418,46 km/h. Die Rotorblattgeschwindigkeit an der Rotorblattspitze [math]v_{12}[/math] ist also doppelt so hoch wie am halben Rotorkreis [math]v_6[/math].

Da der dynamische Auftrieb bei gleichem Anstellwinkel der Rotorblätter quadratisch zur Anströmgeschwindigkeit (im Schwebeflug bei Windstille ungefähr identisch mit der Rotorblattgeschwindigkeit) zu- bzw. abnimmt, ist der Auftrieb im Schwebeflug (ohne Berücksichtigung anderer Faktoren) an den Rotorblattspitzen viermal größer als am halben Rotorkreis.[1]:23

Im Vorwärtsflug wird die Anströmgeschwindigkeit und somit auch der Auftrieb am vorlaufenden Rotorblatt durch den Fahrtwind erhöht, während diese beim rücklaufenden Rotorblatt verringert werden. Vor- bzw. rücklaufendes Rotorblatt erzeugen also einen asymmetrischen Auftrieb.[1]:239

Auswirkungen auf den Hauptrotor

Durch die über die Rotorblattlänge unterschiedlich auftretenden Auftriebskräfte biegen sich die Rotorblätter nach oben durch. Bei starren Rotorblättern wirken diese Biegekräfte unmittelbar auf die Blattwurzel bzw. auf den Rotorkopf. Sie können so groß werden, dass die Blattwurzel durch diese Biegekräfte bricht oder der Blatthalter am Rotorkopf schwer beschädigt wird, was zum Absturz des Hubschraubers führen kann.

Im Vorwärtsflug wird die Rotorebene durch die Steuereingabe der Taumelscheibe geneigt. Neben dem asymmetrischen Auftrieb führen die Rotorblätter daher pro Umlauf zusätzlich erhebliche aerodynamisch geführte Bewegungen nach oben und unten durch. Hinzu kommen Störeinflüsse durch unterschiedliche Windströmungen und Böen, die ein weiteres Schlagen der Rotorblätter in den Rotor überlagern.

Die Rotorblätter und der Rotorkopf bzw. der Rotormast sind daher bei jeder Umdrehung starken Biegewechsellasten unterworfen, die ohne die freie Schlagbewegung zu einer eingeschränkten Lebensdauer und vorzeitigem Ausfall der Bauteile führen würde. Um diese Bauteile des Hauptrotors zu entlasten, werden Schlaggelenke verbaut, die eine begrenzte Rotorblattbewegung nach oben und unten zulassen. Indem sich das vorlaufende Rotorblatt durch den höheren Auftrieb unter Nutzung des Schlaggelenkes nach oben bewegt, reduziert sich der Anstellwinkel und damit auch der Auftrieb. Das rücklaufende Rotorblatt bewegt sich durch den niedrigeren Auftrieb unter Nutzung des Schlaggelenkes nach unten. Dadurch erhöht sich der Anstellwinkel und somit auch der Auftrieb.[1]:239

Die Rotorblätter schlagen senkrecht zur Rotorebene. Der dabei auftretende Luftwiderstand reicht im Regelfall für eine Dämpfung aus. Das Verbauen von Dämpfern für Schlaggelenke ist daher grundsätzlich nicht erforderlich.[2]

Schwenkgelenk und Schlaggelenk werden oft in einer Baugruppe in kardanischer Bauweise verbaut.[3]

Moderne Rotorblätter

Die modernen GFK und CFK-Materialien mit ihren guten Elastizitäts- und Dauerfestigkeitswerten erlauben heute den völligen Verzicht auf mechanische Schlaggelenke bei Rotorblättern bzw. Rotoren. Der Bo 105 war der erste Hubschrauber, der wegen seiner GFK-Rotorblätter auf mechanisch bewegliche Schlaggelenke verzichten konnte. Moderne Hubschrauber haben daher häufig weder mechanische Schlag- noch Schwenkgelenke. Die Rotorblätter vollführen die Schlag- und Schwenkbewegungen je nach Konstruktion über elastische Bereiche am Rotorkopf bzw. am Blattanschlussarm oder am Rotorblatt selbst.

Weblinks

Einzelnachweise

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 Niels Klußmann und Arnim Malik, "Lexikon der Luftfahrt", Springer Verlag, Berlin und Heidelberg, 3. Auflage 2012, ISBN 978-3642224997
  2. Walter Bittner, "Flugmechanik der Hubschrauber: Technologie, das flugdynamische System Hubschrauber, Flugstabilitäten, Steuerbarkeit", Seite 76, Springer Verlag, Berlin und Heidelberg, 3. Auflage 2009, ISBN 978-3540889717
  3. Helmut Mauch, "Die Hubschrauber-Flugschule", Seite 70, GeraMond Verlag GmbH, München, 2010, ISBN 978-3765473494

Kategorien: Hubschrauber

Quelle: Wikipedia - http://de.wikipedia.org/wiki/Schlaggelenk (Vollständige Liste der Autoren des Textes [Versionsgeschichte])    Lizenz: CC-by-sa-3.0

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