Erstellung eines Rechenmodells zur Untersuchung des dynamischen Verhaltens von Heckrotorwellen

Abstract

Ausgangspunkt dieser Arbeit war ein Prüfstand am Institut für Konstruktionswissenschaften an der TU Wien, auf dem die Heckrotorwelle des Hubschraubers Eurocopter EC 135 aufgebaut ist. Dieser Prüfstand dient als Testfeld für die Untersuchung von schadhaften Wälzlagern auf das Verhalten der Welle. Bei Wellen, jeglicher Bauart und -form, kommt es konstruktions- und fertigungsbedingt immer zu einer nicht genauer definierbaren Urunwucht. Aufgrund dieser Unwucht entstehen Schwingungen der Welle, welche im ungünstigsten Fall bis zur Zerstörung von Bauteilen führen können. Um diese Schwingungen genauer untersuchen zu können, ohne jedes Mal einen Testlauf zu starten, ist es erforderlich ein Modell der Welle zu erstellen, welches mit Hilfe von MATLAB numerisch ausgewertet werden kann. Ausgehend von der realen Heckrotorwelle wurde eine Abbildung im Modell durch geeignete Finite Elemente erstellt. Um den gesamten Prüfstand abbilden zu können, war es erforderlich die Verbindung zwischen der Heckrotorwelle und dem Unterbau durch geeignete Verbindungselemente darzustellen. Realisiert wurde das ganze Programm in MATLAB und die Bearbeitung des Modells und die Auswertung erfolgt über eine eigens dafür erstellte Benutzeroberfläche. Auf dieser Benutzeroberfläche hat der Anwender mehrere Möglichkeiten die Konfiguration der Heckrotorwelle und deren Systemparameter zu verändern. Dadurch kann der Benutzer einfach und schnell mehrere Konfigurationen des gesamten Systems der Heckrotorwelle vergleichen und bewerten. Um die Ergebnisse der numerischen Berechnung zu verifizieren, wurde auf ein in der Literatur vielfach untersuchtes Modell zurückgegriffen. Für diesen Schritt war es notwendig die Abbildung der komplexen Heckrotorwelle zu vereinfachen. Mit Hilfe dieser Ergebnisse und der analytischen Nachrechnung konnte ein Abgleich zur Ermittlung der Genauigkeit der Ergebnisse gegenüber der Theorie gemacht werden. Aufgrund der Ergebnisse der Messungen am Prüfstand zur Ermittlung des dynamischen Verhaltens der Heckrotorwelle und dem Vergleich mit den verifizierten Ergebnissen des Berechnungsmodell konnten Schlüsse für weiterführende Untersuchungen gezogen werden, um das Berechnungsmodell an den Prüfstand anzupassen.

This thesis bases on a testing bench, which is located at the Institute for engineering design and logistics engineering of the Vienna university of technology, where the tail rotor driving shaft of the helicopter Eurocopter EC 135 is mounted. This testing bench is used for studies about the effects of damaged roller bearings. Driving shafts with each kind of shape can be affected by undefined imbalance because of the design or the production technology. This imbalance can induce heavy vibrations which can end up in total loss of some parts. Before starting a series of studies it is helpfull to simulate the effects to the driving shaft by a detailed simulation running on a software like Matlab. This simulation must be based on a finite element model of the hole system. The simulation bases on the tail rotor driving shaft which is modeled by finite elements. To bring the model closer to the reality it is necessary to add the connection parts between the driving shaft and the structure below with appropriate elements into the model. The simulation runs on MATLAB and all manipulations and calculations can be done on a specifically created interface. The user can manipulate the model within limits before starting the calculations. With this options of manipulation the user can compare multiple configurations of the testing bench and the tail rotor driving shaft in an easy and quick way. The verification of the numerical results was done by modifying the complex real diving shaft to an easier and multiple studied model. The numerical results of the easier model were compared with the ones of the analytical calculation to determine the accurancy of the finite element model. Due to the results of the vibration meassurments at the testing bench and the comparison with the verified numerical results draw conclusions for further experiments to bring the numerical model closer to reality. Diplomarbeit