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H. Amri, R. Feil, M. Hajek, M. Weigand:
"übersetzungsvariable Getriebe Für Drehflügler";
Talk: 63. Deutscher Luft- und Raumfahrt Kongress 2014, Augsburg; 09-16-2014 - 09-18-2014; in: "63. Deutscher Luft- und Raumfahrt Kongress 2014", (2014), Paper ID 0225, 14 pages.

Mit dieser Veröffentlichung sollen die erwarteten Vorteile, zukünftige Einsatzmöglichkeiten und noch zu lösenden Probleme übersetzungsvariabler Getriebe von Drehflüglern aufgezeigt werden. Von der Möglichkeit einer Drehzahlregulierung der Rotoren profitieren besonders neue Drehflüglerarchitekturen, wie zum Beispiel Tandem-, Koaxial- oder Compoundhubschrauber und Schwenkrotorflugzeuge, welche für größere Lasten, höhere Fluggeschwindigkeiten oder ein generell erweitertes Einsatzspektrum entwickelt wurden. Dies kann auch konventionellen Haupt-Heckrotor Konfigurationen zugutekommen. Mit einer Drehzahlvariation lässt sich die Rotoreffizienz steigern, der CO2 Ausstoß vermindern, die Flughöhe und die Reichweite vergrößern und die Lärmbelastung reduzieren. Getriebe bieten den Vorteil, dass die Rotoren des Drehflüglers unabhängig voneinander geregelt werden können. Dabei kann die Turbine in ihrem optimalen Bereich arbeiten. Dies steigert die Treibstoffeffizienz zusätzlich. Auch die Nebenaggregate können mit ihrer Auslegungsdrehzahl betrieben werden, unabhängig von der Rotordrehzahl.
Der A160 Hummingbird ist ein gutes Beispiel für die Einsetzbarkeit eines übersetzungsvariablen Getriebes. Im Mai 2008 stellte der unbemannte Drehflügler einen Dauerflugrekord von 18,7 Flugstunden auf. Möglich wurde dieser Rekord durch das verbaute 2-Gang- Getriebe. Airbus Helicopters hat mit der EC145 eine Variante entwickelt, bei der die Turbinendrehzahl leicht variiert werden kann. Ziel ist es, die Handling Qualitäten zu verbessern und die Lärmemissionen zu verringern. Airbus Helicopters meldete auch ein Patent für einen elektrischen Heckrotor an, mit dem die Vorteile einer unabhängigen Drehzahlregelung genutzt werden können.
In der Getriebetechnologie kann man grundsätzlich zwischen Stufengetrieben (Schaltgetrieben) und Stufenlosgetrieben unterscheiden. Während des Schaltvorganges sollte der Kraftfluss nicht verloren gehen und eine Drehzahländerung am Rotor darf nicht abrupt vonstattengehen. Da Wellenturbinen mit nahezu konstanter Drehzahl arbeiten, muss die Anpassung der Drehzahl des Rotors vom Getriebe übernommen werden. Es gibt bereits einige Entwicklungen, die den Schaltvorgang über ein Planetengetriebe und Bremsen oder zusätzliche Motoren sanfter gestalten sollen. Andere Entwicklungen nutzen Freiläufe, um in einen anderen Gang zu wechseln. Grundsätzlich bleibt bei Schaltgetrieben die Gefahr bestehen, dass es zu einem abrupten Lastwechsel kommt. Dieser kann den Antriebsstrang zu stark belasten, so dass es im schlimmsten Fall zu einem Totalausfall kommen kann. Stufenlose Getriebe können nicht über Hydraulik oder Reibungskomponenten realisiert werden. Es besteht die Gefahr, dass durch Erwärmung die Kraftübertragung reduziert wird oder sogar ganz versagen kann. Ansätze, welche den Antriebsstrang teilen und nur einen Teil stufenlos variieren, könnten eine Lösung sein. Durch ein übersetzungsvariables Getriebe entsteht ein zusätzliches Gewicht, welches zwar die Effizienz reduziert, aber, wie bereits von vergangenen Untersuchungen belegt, in Summe dessen Vorteile überwiegen. Grundsätzlich lassen sich folgende fundamentale Forderungen für ein übersetzungsvariables Getriebe in einem Drehflügler aufstellen: Stufenlose Übersetzung, geringer Gewichtszuwachs, unabhängige Drehzahl der Rotoren und Nebenaggregate, eine gesicherte Kraftübertragung mit hoher Effizienz unter Einhaltung der Bauvorschriften.
Bei einer Veränderung der Rotordrehzahl muss das dynamische Verhalten des Rotors mit berücksichtigt werden. Ein Rotor mit konstanter Drehzahl wird so ausgelegt, dass seine Eigenfrequenzen im Betriebspunkt nicht mit den Rotorharmonischen überlagert werden. Wenn man ein Schaltgetriebe hat, so muss in jedem Betriebspunkt die dynamische Auslegung des Rotors betrachtet werden. Beim Schaltvorgang sollte der Rotor entlastet sein, damit die Harmonischen ohne zu große Vibrationen durchfahren werden können. Wird ein stufenloses Getriebe verwendet, so sollte sichergestellt werden, abhängig von den spezifischen Betriebspunkten, dass der Rotor nahe seiner Resonanz betrieben werden kann. Leichtbau, optimierte Geometrien und Steifigkeitsverteilungen in der Blattauslegung sind hierfür Voraussetzung. Zudem kann ein Regler oder etwaige Dämpfungssysteme die Blattdynamik steuern um weiterhin nahe am optimalen Betriebspunkt zu fliegen und gleichzeitig die Belastungen und die damit einhergehenden (Wartungs-) Kosten des Gesamtsystems in einem akzeptablen Rahmen zu halten.

http://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_246352.pdf