Analyse eines übersetzungsvariablen Getriebes für Hubschrauber der CS-29 Klasse

Abstract

In dieser Arbeit wurde ein stufenlos übersetzungsvariables Getriebe für den Einsatz in Hubschraubern konzipiert. Die Entwicklung basiert auf einer Leistungsverzweigung unter Verwendung von Planetengetrieben. Dafür wurden zwei Compound-Split-Getriebe mit jeweils zwei parallelen Planetengetrieben in Serie geschaltet. Die beiden Compound-Splits teilen sich dabei einen gemeinsamen Variatorstrang. Das Konzept wurde in weiterer Folge einer kinematischen Analyse unterzogen, in der die notwendigen Leistungen der Überlagerungsmaschinen berechnet und ein Schaltkonzept erstellt wurde. Die berechneten Planetensätze wurden in der Software KissSYS mit den notwendigen Wellen und Lagern modelliert. Weiters wurde ein Schaltelement entworfen, wodurch die gemeinsame Nutzung des Variatorstranges ermöglicht wird. Mit dem entwickelten Konzept soll eine möglichst geringe Getriebemasse für ein stufenlos übersetzungsvariables Getriebe erreicht werden. Dazu muss die Masse des Getriebes, aber auch die Masse der Überlagerungsmaschinen minimiert werden. Aus bereits durchgeführten Untersuchungen ist bekannt, dass ein Teil der Masse des Getriebekonzeptes auf die erforderlichen Überlagerungsmaschinen zurückzuführen ist. Diese Masse ist proportional zur Spreizung des Compound-Splits. Bei dem untersuchten Konzept wurde die Spreizung des einzelnen Compound-Splits um 50% reduziert. Die Gesamtspreizung des Getriebes bleibt jedoch unverändert. Infolgedessen ist eine Massenreduktion von 50 % bei den Überlagerungsmaschinen möglich. Weiters wurde eine maximale Grundübersetzung von i = 9,5 in das Getriebe integrieren. Infolgedessen können zusätzliche Getriebestufen vor dem entwickelten Getriebe entfallen, wodurch eine zusätzlichen Massenreduktion erreicht werden kann. Ein Vergleich mit einem einfachen Compund-Split, welcher nur zwei Planetengetriebe benötigt, zeigte, dass die Masse der Verzahnungen reduziert werden konnte. Der Grund dafür liegt in der gleichmäßigen Aufteilung der Gesamtübersetzung auf die einzelnen Planetenstufen. Das entworfene Getriebekonzept hat eine Gesamtmasse von ca. 540 kg, bei einer maximalen Grundübersetzung von i = 9,5 und einer Spreizung von ϕ = 1,75. Dabei wurde ein Eingangsdrehmoment von 10100 Nm bei einer Drehzahl von 1900 U/min angenommen. Die Auslegung zeigte, dass die theoretischen Vorteile einer sehr kleinen Standübersetzung, wie z.B. die hohe Anzahl an verbaubaren Planetenräder, nicht genutzt werden konnten. Insbesondere der benötigte Platz für die Lagerung der Planetenräder erhöht die notwendigen Durchmesser der einzelnen Planetenräder und damit auch die Durchmesser des Sonnen- und Hohlrades. Durch die größeren Durchmesser erhöhten sich die Massen insbesondere bei den Stegwellen, aber auch bei den Hohlwellen, deutlich. Die Massen der Stegwellen würden sich alleine durch eine entsprechende Anordnung der Planetenlager und durch eine Skelettierung des Planetenträgers signifikant reduzieren lassen. Erste diesbezügliche Modellierungen haben eine Verringerung der Gesamtmasse auf rund 330 kg ergeben. Untersuchungen im Rahmen des internationalen Forschungsprojektes VARI-SPEED haben gezeigt, dass durch eine Drehzahlvariation des Hauptrotors die Effizienz eines Hubschraubers gesteigert werden kann. Die Effizienzsteigerung wird allerdings durch die zusätzliche Leermasse des Hubschraubers auf Grund des übersetzungsvariablen Antriebsstranges verringert. Daher ist es notwendig die zusätzliche Masse des übersetzungsvariablen Getriebes möglichst gering zu halten.

A continuously variable transmission for helicopters was designed in this thesis. The transmission is based on two compound split structures which are connected in series. The compound splits share a common variator strand. The concept was analyzed kinematically. There the power of the variator machines were calculated and a switching concept was created. With the help of the software KissSYS the calculated epicyclic gears were modeled including the required shafts and bearings. Furthermore, a switching element was designed, which allows the common use of one variator strand. The aim of this development is the mass reduction for a continuous variable transmission for helicopters. To achieve this aim, it is necessary to minimize the mass of the gears, as well as the variator machines. Previous research has shown that a part of the transmission concept’s mass results in the required variator machines. Their mass is proportional to the spread of the compound splits. The developed concept reduces the spread of a single compound split by 50 %, still, the overall spread remains unchanged. This results in a decrease of the mass of the variator machines by half. Moreover, the engineered transmission integrates a maximum gear ratio of i = 9,5. As a consequence, prior gear stages will not be necessary anymore which could present a chance for additional mass reduction. The comparison between the developed concept and a simple compound-split, which requires only two epicyclic gears, showed that also the mass of the gears could be reduced. This reduction is caused by the even distribution of the total transmission ratio on the single epicyclic gears. The developed transmission concept has a total mass of about 540 kg and integrates a maximum base gear ratio of i = 9,5 by a spread of ϕ = 1,75. The input torque has a value of 10100 Nm by 1900 rpm. The development process has demonstrated that the theoretical advantages of a very small stance ratio, such as a high number of planet gears to enable a high internal power split, does not fulfill the expected mass reduction. This is caused by the required space for the bearing of the planet gears which increases the diameter of the planet gears. Therefore, the diameter of the sun and ring gear increase as well. Due to the larger diameters the masses of the shafts rise clearly. The masses of the carrier shafts could be significantly reduced through a corresponding arrangement of the planetary bearings and a skeletonization of the planet carrier. The first adopted models have resulted in a total mass in the range of 330 kg. Investigations, which are part of the international research project VARI-SPEED, have shown that a speed-variable drive system can increase the efficiency of a helicopter. However, the rise in efficiency is reduced by the additional unladen mass of the helicopter, due to the necessary variable transmission. Therefore, it is essential to keep the additional mass of the variable transmission as low as possible.