Title: Freilaufgetriebe im leistungsverzweigten Getriebe
Other Titles: Freewheel gear unit in a transmission with power split
Language: Deutsch
Authors: Zöggeler, Matthias 
Qualification level: Diploma
Advisor: Weigand, Michael 
Issue Date: 2020
Number of Pages: 62
Qualification level: Diploma
Abstract: 
Die vorliegende Diplomarbeit ist Teil des internationalen Forschungsprojekts VARI-SPEED. Das Ziel dieses Projektes ist es, die Variation der Hauptrotordrehzahl von Drehflüglern zu ermöglichen, um die benötigte Antriebsleistung zu verringern. Dies ermöglicht eine ökologische und effiziente Luftfahrt. Dafür wird ein Getriebe mit variabler Übersetzung und einem passenden Rotor-System für verschiedene Drehflügler-Konfigurationen untersucht. In dieser Arbeit wird untersucht, ob das stufenlose Getriebekonzept, dass auf dem Prinzip des Freilaufgetriebes basiert, als Drehzahlvariationsmodul innerhalb des Compound-Split-Getriebes eingesetzt werden kann. Es gilt die Randbedingungen hinsichtlich des Übersetzungsbereichs, der Drehzahlschwankung, der Masse und der Funktion für einen Hubschrauber der CS29-Klasse zu erfüllen. Ein stufenloses mechanisches Getriebe wird durch die Kombination mehrerer Kurbelschwingen, Freiläufen, sowie Stirnrädern realisiert. Die Funktion dieses Getriebetyps basiert auf dem phasenverschobenen Verlauf der jeweiligen Schwingen über die Antriebskoordinate. Der Freilauf mit der höchsten momentanen Drehzahl überträgt die Leistung. Durch Überlagerung der oszillierenden Schwingbewegung wird eine quasi-kontinuierliche Abtriebsbewegung erreicht. Die Einflüsse der Drehzahlschwankung und der oszillierenden Gelenkskräfte können durch die gezielte Wahl des Koppelgetriebes und deren Anzahl minimiert werden. Das dynamische Verhalten des Systems wird in MATLAB und Simpack simuliert, um die Eigenschaften des Systems, wie Drehzahlschwankungen zu zeigen. Außerdem wird die Masse des Systems in KISSsoft für die Machbarkeitsstudie bestimmt. Die Berechnungen zeigen, dass die Realisierung des gewünschten Übersetzungsbereiches von unendlich bis null nicht umsetzbar ist. Für ein Übersetzungsverhältnis kleiner als eins, müssen An- und Abtrieb vertauscht werden. Bei dieser Bauweise blockieren die Freiläufe und die Schwingarme können keine Schwingbewegung ausführen. Das Getriebe ist daher blockiert und der realisierbare Übersetzungsbereich bleibt bei unendlich bis eins. Die Untersuchung wurde durchgeführt, um herauszufinden, ob sich das mechanische stufenlose Freilaufgetriebe als Variationsmodul innerhalb des Compound-Splits eines Helikopters eignet. Ein effizientes und leichtes Variationsmodul ist für die Betriebsfähigkeit des Compound-Splits unerlässlich. Die Untersuchung zeigt, dass die Vorteile des mechanischen stufenlosen Getriebes nicht genutzt werden können. Diese Erkenntnis ist wichtig für die zukünftige Entwicklung eines Compound-Split-Moduls für Drehflügler.

This diploma thesis is part of the international research project named VARI-SPEED. The aim of this project is to achieve a variation of the main rotor speed of helicopters in order to reduce the required engine power and to enable aviation to become more ecological and efficient. Therefore, a gearbox with variable transmission ratio and a matching rotor system for different rotorcraft configurations has been examined. In this paper it is investigated, if the continuously variable transmission concept, which is based on the principle of freewheel transmission, can be used as a variable speed module within the compound split transmission. The boundary conditions, regarding the transmission ratio range, speed fluctuation, mass and functionality, for a helicopter of the CS29 class have to be fulfilled. A continuously variable mechanical transmission is realized by combining several four-bar linkages, freewheels and spur gears. The function of this gearbox type is based on the phase-shifted motion of the respective swing arms via the drive coordinate. The freewheel with the highest momentary speed transmits the power. By superposing the oscillating movement, a quasi-continuous output movement is achieved. The impact of the speed fluctuation and the oscillating joint forces can be minimized by the specific selection of the linkage gear and its quantity. The dynamic behavior of the system is simulated by using MATLAB and Simpack, to show the characteristics of the system such as speed fluctuations and joint forces. Furthermore, the mass of the system is determined in KISSsoft for the proof-of-concept study. The calculations show that the desired transmission range from infinite to zero cannot be realized. For a transmission ratio smaller than one, input and output must be interchanged. With such a configuration, the freewheels will be blocked and the swinging arms cannot perform any oscillating movements. The gearbox is therefore blocked, and the achievable transmission ratio range remains between infinite and one. This research project investigated, if the mechanical continuously variable freewheel gearbox can be considered as a useful variation module inside the compound split of a helicopter. An efficient and lightweight variation module is essential for the operability of the compound split. The results show that the benefits of the mechanical continuously variable transmission cannot be used. This finding is important for the future development of compound split module for rotorcrafts.
Keywords: Drehflügler; Luftfahrtgetriebe
Rotorcraft; Transmissions for Aviation
URI: https://doi.org/10.34726/hss.2020.81702
http://hdl.handle.net/20.500.12708/15290
DOI: 10.34726/hss.2020.81702
Library ID: AC15720105
Organisation: E307 - Institut für Konstruktionswissenschaften und Produktentwicklung 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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