NuVinci Getriebe im leistungsverzweigten Getriebe

Abstract

Kontinuierlich variable Rotordrehzahlen erlauben Drehflüglern die Verwendung der effizientesten Drehzahlen für ein gewähltes Manöver und können speziell bei neuen Konfigurationen wie Compo- und Tiltrotorsystemen zur Erhöhung der Gesamteffizienz und Vergrößerung der Flugenveloppe führen. In dieser Arbeit wurden kinematische und tribologische elastohydrodynamische (EHD)-Modelle für ein unendlich variables Traktionsgetriebe des NuVinci-Typs aufgestellt und in Matlab implementiert, um die Eigenschaften des Getriebes bezüglich der Erfüllung der kinematischen, kräfte- und massenbezogenen Anforderungen des Compound Splits zu überprüfen und eine Grundauslegung des Radsatzes zu treffen. Das NuVinci-Traktionsgetriebe ermöglicht Übersetzungsvariation durch Kippen der Achsen der sphärischen Traktionselemente, was zur Änderung der Normalabstände zwischen Achsen und Traktionskontakten, in denen das Drehmoment übertragen wird, führt. Um die Kraftübertragungskapazität des NuVinci-Getriebes darzustellen, wurde eine Modellierung der Viskosität, Filmdicken und resultierenden Traktionskoeffzienten getroffen, wobei dieViskosität innerhalb des Yasutomi-Free-Volume Modells, die Filmdicke mit den um Eekteder Scherverdünnung und Spineinfluss berücksichtigenden Faktoren ergänzten Hamrock & Dowson Formeln für elliptischen EHD-Kontakt newtonscher Fluide und der Traktionskoeffzient sowohl unter Verwendung des visko-plastischen Bair & Winer als auch des Johnson & Tevarweerk Traktionsmodells für das Traktionsuid Santotrac 50 bestimmt wurde. Die Auslegung der Wellen, Traktionselemente, Lager und zusätzlicher Planetenstufen als auch deren Massenabschätzung wurde in Folge anhand simpler Auslegungsformeln in einem parametrischen Modell vollautomatisch über den genetischen Optimierungsalgorithmus der MATLAB ga-Toolbox realisiert. Da die Standardkonfiguration des NuVinci-Getriebes keine Übersetzungen von 0 bis 1 erlaubt, wurden Differentialgetriebe zur Erfüllung der kinematischen Anforderungen eingesetzt. Zumal Traktionsgetriebe zur Kraftübertragung hohe Anpressdrücke benötigen, und sich die Drehmomente an den Ein- und Ausgangswellen in der Größenordnung von 10^4 Nm befinden, werden hohe Drücke und eine Vielzahl an Traktionskontakten notwendig, die letztendlich zu einer Masse des Variatormoduls von 614 kg führen. Eine solche Masse sowie hohe Leistungszirkulation aufgrund der Differentialgetriebe in der Nähe der maximalen und minimalen Gesamtübersetzung von 560.4 % der maximalen Eingangsleistung, gepaart mit dem hohen Komplexitätsgrad der Konstruktion, führt zu der Entscheidung, dass sich ein Traktionsgetriebe in der hier vorgestellten Konfiguration nicht zur Verwendung innerhalb des Compound Splits eignet. Diese Erkenntnis ist notwendig, um zukünftige Untersuchung des Compound-Split Moduls zu unterstützen und als Basis zur Erforschung weiterer Traktionsgetriebekonzepte zu dienen.

Kinematic and tribological-elastohydrodynamic (EHL) models for a NuVinci-type traction IVT have been applied and implemented in MATLAB in order to determine the drives capabilities regarding traction and kinematic viability inside a compound split drive train. Ratio change is achieved by tilting the axis of the traction ball by an angle , which manipulates the normal distance of the different contact areas, where force is transferred through EHL traction, to the balls axis of rotation. At the heart of the NuVinci traction IVT lies the EHL contact of rolling/sliding traction elements, where viscosity, film thickness and coefficient of traction have been evaluated using the Yasutomi Free-Volume-Model, a shearthinning corrected Hamrock and Dowson model for circular EHL-contacts and a modfied Bair and Winer traction model. Additionally, fluid data was gathered from literature for the Santotrac 50 traction fluid. Finally, the mass of the drives shafts, traction elements, bearings and additional planetary stages was estimated automatically, using the MATLAB optimization toolbox. Meeting the requirement for transmission ratios ranging from 1 to 0 demands additional power-split mechanisms or significant changes to the NuVinci-concept. These additional mechanisms cause a noticeable increase in size and mass of the variator-module inside the compound split and can lead to power circulation inside the IVT. Since traction drives rely on very high pressure in order to transmit traction force through an EHL-contact and torque inside the variator-module is in the order of 10^4 Nm, extreme pressure, a great number of traction contacts and planetary stages at the input and output of the module are required. Especially high pressure leads to large contact areas, which are a prerequisite to spin losses. It has been concluded, that while NuVinci-type traction drives offer exceptional kinematic freedom through their planetary constellation, the presented data suggests, that with increasing torque and a subsequently necessary increase in pressure, spin losses lead to a decreasing coefficient of traction and efficiency. Since high torque inside the variatormodule is dependent on the location of the compound split inside the helicopter-drivetrain, better performance regarding mass is assumed, when the module is placed at zones of higher RPM and lower torque. The research was performed to find out if mechanic continuous variable transmissions can be used as a variation module inside the compound split of a rotorcraft. A high efficient and lightweight variation module is essential for the operational capability of the compound split in rotorcraft. The investigation showed that the advantages of mechanic continuous variable transmissions can not be used. These findings are important for future development of a compound split module for rotorcraft. Continuously variable rotor speed allows rotorcrafts to be operated at the most efficient RPM for a chosen maneuver and is particularly convenient for use in new rotorcraft configurations, such as compound- and tiltrotor/tiltwing rotorcraft in order to increase overall efficiency and flight envelope.