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<div class="csl-entry">Paschinger, P. (2019). <i>Development and dynamic simulation of a variable-ratio transmission system for the UH-60 helicopter</i> [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. https://doi.org/10.34726/hss.2019.52764</div>
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dc.identifier.uri
https://doi.org/10.34726/hss.2019.52764
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http://hdl.handle.net/20.500.12708/3191
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dc.description
Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
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dc.description
Zusammenfassung in deutscher Sprache
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dc.description.abstract
Aktuelle Studien und Versuchsreihen haben gezeigt, dass die Änderung der Drehzahl des Hauptrotors des UH-60 (Black Hawk) Mehrzweckhubschraubers in manchen Flugzuständen die Möglichkeit einer signifikanten Reduktion der erforderlichen Antriebsleistung bietet. Da aber der Drehzahlbereich der Wellentriebwerke des Hubschraubers begrenzt ist und außerdem einige Hilfs-Aggregate, insbesondere die beiden Haupt-Generatoren, eine konstante Antriebsdrehzahl benötigen, wurde der Einsatz von stufenlos verstellbaren Getrieben (Continuously Variable Transmissions CVTs) in Form von Compound-Split-Getrieben zur Anpassung der Drehzahl des Hauptrotors vorgeschlagen. Zweck der vorliegenden Arbeit ist es, darauf aufbauend einen geeigneten Antriebsstrang für den UH-60 zu entwickeln. Dazu werden Zuverlässigkeit, erwartetet Gesamtmasse und Drehzahlen der Komponenten des Antriebsstranges mehrerer möglicher Lösungen verglichen. Wegen der begrenz ten Mittel dieser Studie, mussten einige Einschränkungen hinsichtlich der zulässigen Architekturen gemacht werden. Diese werden im Detail beschrieben und begründet. Als vielversprechendste Va riante erweist sich eine Anordnung mit zwei Compound-Split-Modulen, je eines im Leistungspfad eines Triebwerks. Der sogenannte Variator; ein stufenloses Getriebe, das Übersetzungen zwischen Null und unendlich realisieren kann; bildet eine Schlüssel-Baugruppe des Antriebsstrangs. Wegen ihrer hohen Leistungsdichten sind dafür Axialkolbenmotoren mit veränderlichem Hub vorgesehen. Die entsprechenden Konstruktions- und Leistungsdaten werden auf Grundlage von Hersteller-Katalogen geschätzt. Ein wesentlicher Nachteil hydraulischer Leistungsübertragung ist der geringe Wirkungsgrad im Vergleich zu Zahnradgetrieben. Aus diesem Grund wird der Gesamt-Wirkungsgrad der gefundenen Lösung untersucht. Obwohl dieser deutlich unter dem Wert des Getriebes mit konstanter Übersetzung liegt, lassen die Ergebnisse erwarten, dass die Vorteile der variablen Rotordrehzahl dennoch überwiegen. In Vorbereitung einer dynamischen Simulation des Antriebsstranges im Flug, werden die wesentlichen Parameter des Getriebes konstruktiv festgelegt und die Ergebnisse in das Simulationsmodell eingepflegt. Anschließend wird in mehreren Simulationen das Betriebsverhalten des Getriebes untersucht. Zusammenfassend beinhaltet die vorliegende Arbeit den grundlegenden Entwurf eines Stufenlos-Getriebes für den UH-60, die konstruktive Festlegung der Eckdaten von Variator und mechanischem System, den Nachweis, dass der Gesamtwirkungsgrad zwar reduziert, aber in Anbetracht der zu erwartenden Vorteile ausreichend ist, die Ergebnisse dynamischer Simulationen, die die einwandfreie Funktion des entwickelten Getriebes im Flug zeigen, und eine Auseinandersetzung mit zulassungsrechtlichen sowie mit Sicherheits-Aspekten in Form eines einfachen Safety Assessments. Obwohl im Laufe der Untersuchungen einige technische Herausforderungen, die noch zu meistern sein werden, zum Vorschein gekommen sind und noch einiges an Entwicklungsarbeit zu leisten ist, scheint das beschriebene Getriebe geeignet zu sein, im UH-60 Verwendung zu finden. Auf dieser Grundlage ist eine weitere wissenschaftliche und technische Auseinandersetzung mit Compound-Split-Getrieben für Hubschrauber jedenfalls gerechtfertigt.
de
dc.description.abstract
Recent studies and test campaigns have shown that the variation of the main rotor speed of the Sikorsky UH-60 (Black Hawk) utility helicopter offers the opportunity to significantly reduce the propulsive power demand in some flight conditions. Since the speed range of the turboshaft engines of the helicopter is limited and several accessories, especially the two main electric generators, require constant rotational speed of their input shafts, Continuously Variable Transmissions (CVTs) in the form of so-called Compound-Split (CS) transmissions have been proposed to vary the main rotor speed whilst keeping the angular velocity of the engines unchanged. The aim of this thesis is to develop a feasible drivetrain architecture for the UH-60 helicopter based on this principle. This is done by comparing the reliability, expected mass and rotational speeds of the drivetrain components of different possible solutions. Due to limited resources, the possible solutions must be restricted, which is explained in detail. The most promising solution contains two Compound-Split modules, one in the power path of each turboshaft engine. The so-called variator, an infinitely variable transmission as sub-system of the Compound-Split, poses a key component of the drivetrain. Because of the high power density of axial piston hydraulic machines with variable displacement, these were chosen to build up the variator. Their properties are estimated based on the required corner power and catalogue data published by a manufacturer. A major drawback of hydraulic power transfer is the poor efficiency compared to gear drives. Therefore, the expected efficiency of the whole drivetrain is rated. Although lower than for the baseline transmission system of the UH-60, the results indicate that it will be sufficient, and the advantages of reduced power demand of the main rotor may outweigh the drawback of reduced drivetrain efficiency. As preparation for the dynamic simulation of the transmission system in flight, the main parameters of the drivetrain are derived in a design study. The results are integrated into a simulation model of the whole rotorcraft. In several simulation runs, the operation of the proposed transmission system at different transmission ratios and during change of main rotor speed is studied. In summary, a basic design layout for a CVT system for the UH-60 is developed, the main parameters of the variator machines and the mechanical transmission are defined, it is shown, that the overall drivetrain efficiency is reduced, but still sufficient, in dynamic simulations the proper function of the transmission system is shown, and certification aspects are discussed, and a safety assessment is performed. Although several issues raised during the study still have to be resolved and a lot of engineering is still do be done, the proposed transmission system seems suitable for the use in the UH-60 helicopter. Based on these findings, further research on Compound-Split transmissions for rotorcraft is justified.
en
dc.language
English
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dc.language.iso
en
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dc.rights.uri
http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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dc.subject
Drehflüger
de
dc.subject
Getriebe
de
dc.subject
Rotorcraft
en
dc.subject
Transmissions
en
dc.title
Development and dynamic simulation of a variable-ratio transmission system for the UH-60 helicopter
en
dc.title.alternative
Entwicklung und Dynamische Simulation eines übersetzungsvariablen Getriebes für den UH-60 Helikopter
de
dc.type
Thesis
en
dc.type
Hochschulschrift
de
dc.rights.license
In Copyright
en
dc.rights.license
Urheberrechtsschutz
de
dc.identifier.doi
10.34726/hss.2019.52764
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dc.contributor.affiliation
TU Wien, Österreich
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dc.rights.holder
Pierre Paschinger
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dc.publisher.place
Wien
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tuw.version
vor
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tuw.thesisinformation
Technische Universität Wien
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tuw.publication.orgunit
E307 - Institut für Konstruktionswissenschaften und Produktentwicklung
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dc.type.qualificationlevel
Doctoral
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dc.identifier.libraryid
AC15543676
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dc.description.numberOfPages
175
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dc.identifier.urn
urn:nbn:at:at-ubtuw:1-133769
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dc.thesistype
Dissertation
de
dc.thesistype
Dissertation
en
dc.rights.identifier
In Copyright
en
dc.rights.identifier
Urheberrechtsschutz
de
tuw.advisor.staffStatus
staff
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tuw.advisor.orcid
0000-0002-8914-7329
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item.languageiso639-1
en
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item.fulltext
with Fulltext
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item.openaccessfulltext
Open Access
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item.mimetype
application/pdf
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item.openairetype
doctoral thesis
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item.grantfulltext
open
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item.openairecristype
http://purl.org/coar/resource_type/c_db06
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item.cerifentitytype
Publications
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crisitem.author.dept
E307-02-1 - Forschungsgruppe Maschinenelemente und Luftfahrtgetriebe
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crisitem.author.parentorg
E307-02 - Forschungsbereich Maschinenelemente und Luftfahrtgetriebe