Taumelscheibe

Geneigte Taumelscheibe

Die Taumelscheibe ist ein wesentliches Steuerungselement beim Hubschrauber, das die rumpffesten und linearen Steuereingaben auf den Rotor, d. h. auf die sich drehenden Rotorblätter überträgt. Die Taumelscheibe besteht aus einem drehbaren und einem festen Teil. Sie ist um den Rotormast gelagert, lässt sich axial zum Rotormast verschieben und quer zum Rotormast neigen. Die Bezeichnung Taumelscheibe rührt daher, dass der obere, sich mit dem Rotor mitdrehende Teil bei der Neigung eine Taumelbewegung zeigt.

Sie dient einerseits zur kollektiven Blattverstellung, also der Änderung des Anstellwinkels aller Hauptrotorblätter und damit des Auftriebs und andererseits der zyklischen Blattverstellung zur Steuerung der lateralen und longitudinalen Bewegung.^[1]

Flug und Steuerung des Hubschraubers

Ein Hubschrauber schwebt und bewegt sich als Drehflügler durch den Auftrieb und Schub des Hauptrotors. Dieser ist im aerodynamischen Sinne ein Flügel, der sich um den Rotormast dreht und in gewissen Freiheitsgraden mechanisch oder elastisch (Schlag- und Schwenkgelenke) beweglich ist. Der Hubschrauber fliegt in jede beliebige Richtung durch eine entsprechende Neigung der Rotorscheibe. Der Rotor erzeugt Auftrieb, um den Hubschrauber zu tragen, zudem erzeugt er durch die Neigung den Schub für eine horizontale Bewegung.

Durch kollektives Einstellen, d. h. an allen Rotorblättern gleiches Anwinkeln des Profils und damit Aufbau von gleichem aerodynamischen Auftrieb pro Umlauf am sich drehenden Flügel wird der Schub erzeugt. Durch ein zusätzlich überlagertes zyklisches Einstellen, also wechselndes Anwinkeln des Profils mit wechselndem aerodynamischem Auftrieb und damit Heben oder Senken pro Umlauf wird der umlaufende Flügel des Rotors in die gewünschte Neigung zur Seite (Roll) oder nach vorn/hinten (Nick) gebracht.

Für die kollektive und zyklische Ansteuerung hat der Hubschrauber getrennte Steuerorgane. Für die kollektive Steuerung dient der Pitch, vom Piloten mit der linken Hand bewegt, für die zyklische Steuerung dient der Stick, mit der rechten Hand bedient.

Im System der Taumelscheibe werden beide Steuereingaben gemischt und die gewünschten Anstellungen des Flügelprofils über Heben, Senken oder Neigen der Taumelscheibe über die Blattverstellhebel auf die sich drehenden einzelnen Flügel des Rotors übertragen.

Beschreibung am Beispiel Bölkow Bo 105

Taumelscheibe/ Rotorsteuerung Bo 105

Die Taumelscheibe eines Bölkow Bo 105 besteht aus zwei über einen Kugellagerkranz gegeneinander drehbaren ringförmigen Teilen, im Bild mitdrehend und feststehend bezeichnet. Beide Teile sind wiederum beweglich über eine Kardanische Aufhängung (Kugelgelenk, Gelenklager) an der Schiebehülse befestigt, was ein Schrägstellen der Einheit aus der Waagerechten bis ca. ± 10° erlaubt. Weiterhin ist die komplette Einheit über die Schiebehülse auf der getriebefesten Trägerhülse zum Rotormast nach oben und unten um ca. ± 30 mm verschiebbar. Im Inneren der Trägerhülse läuft der Rotormast, der mittig durch die Taumelscheibe gehend am oberen Ende den Flansch zur Befestigung des Rotorkopfes trägt. Der obere mitdrehende Ring der Taumelscheibe ist über die Mitnahme-Gelenkhebel mit dem Rotorflansch verbunden und macht so die Drehungen des Rotors mit. Die Gelenke in den Hebeln erlauben dabei das Schrägstellen und das axiale Auf- und Abgleiten der Taumelscheibe.

Die kollektive Steuerstange verschiebt die Taumelscheibe axial, je nach Bewegung des Pitch durch den Piloten, nach oben oder unten. Die zyklischen Steuerstangen stellen über die Differenzialhebel die Neigung der Taumelscheibe je nach Steuerbewegung in Längsrichtung und/oder Querrichtung des Sticks ein. Die an der Schiebehülse gelagerten Differentialhebel stellen sicher, dass zyklische und kollektive Steuereingaben sich nicht gegenseitig beeinflussen. Beim axialen Verschieben geht der mittlere Drehpunkt des Differentialhebels mit, die zyklische Einstellung wird dabei nicht verändert.

Vom äußeren sich mitdrehenden Ring der Taumelscheibe führen die Blattverstellstangen zu den Blattverstellhebeln zur Winkeleinstellung des Rotorblattes. Ein axiales Verschieben der Taumelscheibe und der Blattverstellstangen erzeugt somit eine gleiche Winkeleinstellung an allen Rotorblättern. Eine Neigung der Taumelscheibe erzeugt eine unterschiedliche Winkeleinstellung an jedem Rotorblatt, da die Blattverstellstangen auf der einen Seite entsprechend der Neigung heruntergezogen und auf der anderen Seite nach oben geschoben werden. Beim Drehen des Rotors wechselt dann die Winkeleinstellung des Rotorblattes, periodisch je Umlauf von seinem durch die Neigung der Taumelscheibe vorgegebenen minimalen zum maximalen Wert.

Animationen

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  Taumelscheibe in neutraler Position

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  zyklische Steuerung

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  kollektive Steuerung angehoben

Taumelscheibenneigung und Rotorneigung

Damit sich die Rotorscheibe folgerichtig neigt, d. h. das Rotorblatt z. B. bei der Vorwärtsneigung des Rotors auch genau in der Längsachse vorne unten in der Spur läuft, muss es rechtzeitig vorher zur Drehrichtung im sogenannten Vorlaufwinkel angewinkelt werden. Auf den Umlauf bezogen ist das je nach Hubschraubermodell ein Wert zwischen 70° bis 80°, die das Rotorblatt auf Grund seiner Massenträgheit und dem aerodynamischen Wirkungsaufbau braucht um vom gesteuerten Anwinkeln bis in die gewünschte Lage zu kommen. Folglich ist die Neigungsrichtung der Taumelscheibe nicht identisch mit der Richtung der Rotorneigung und gewünschten Flugrichtung. Ist der konstruktionstypische Vorlaufwinkel des Rotors z. B. 78° wie bei Bo 105, so muss das Rotorblatt 78° vorher in der Drehrichtung die notwendige Winklung erhalten. Die Taumelscheibe wird dabei, konstruktiv bedingt durch den Hebelarm des Blattverstellhebels am Profil, darüber hinaus weitere Grade vorher zur Drehrichtung zur Seite geneigt, wenn der Pilot den Stick nach vorne bewegt/ vorwärts fliegen will.

Weiterentwicklung

Hauptrotorkopf der Eurocopter EC 155

Die dargestellte Konstruktion der Taumelscheibe Bo 105 stammt aus dem Jahr 1964. Im Prinzip hat sich auch beim heutigen Stand der Technik nichts Wesentliches geändert, wie das Bild am Beispiel EC 155 zeigt. Die Mischung der kollektiven und zyklischen Steuerung erfolgt hier lediglich an anderer Stelle des Steuergestänges und nicht wie bei Bo 105 durch die Differentialhebel direkt an der Schiebehülse.

Wie im Tragflächenflugzeugbau bereits Stand der Technik gehört auch bei Hubschraubern dem Fly-by-Wire die Zukunft. Dies bedeutet das elektronische Steuern über Datenleitungen ohne mechanische Verbindungen wie Steuerstangen und damit auch ohne mechanische Verbindung zur Taumelscheibe. Um ganz auf die Taumelscheibe zu verzichten, sind aber noch weitergehende Techniken nötig.

So hat der Hersteller ZF elektrisch längsverstellbare Blattverstellstangen (IBC = Individual Blade Control) entwickelt, die sich während des Umlaufs auf elektronische Signale hin verkürzen oder verlängern und so das Einstellen und Winkeln der Rotorblätter vornehmen. Das System wurde von der NASA im Windkanal getestet und wird ab 2006 in Deutschland bei der Wehrtechnischen Dienststelle 61 in Manching an einem CH-53G und in den USA an einem Sikorsky UH-60 Hubschrauber erprobt.

Weblinks

 Commons: Taumelscheibe – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• IBC ZF Luftfahrttechnik
• Mehr zur Steuerung eines Hubschraubers

Einzelnachweise

1. ↑ Schülerlinformation 1/99. Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., 21. Juli 1999, abgerufen am 17. Mai 2010 (PDF, deutsch).