miniatur|Geneigte Taumelscheibe Die Taumelscheibe ist ein wesentliches Steuerungselement beim Hubschrauber, das die (rumpffesten und linearen) Steuereingaben auf den Hauptrotor, d. h. auf die umlaufenden 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 mit dem Rotor drehende Teil vom Piloten beliebig gegen die Rotorachse geneigt („getaumelt“) werden kann. Bei einer festen Einstellung der Neigung taumelt die Scheibe jedoch nicht, sondern rotiert um die geneigte Achse (im Gegensatz z. B. zur Taumelscheibe eines Taumelscheibenmotors).
Die Taumelscheibe dient einerseits zur zyklischen Blattverstellung zur Steuerung der Lage der Rotorkreisebene im Raum zum Erzielen der vertikalen und horizontalen Bewegung des Fluggerätes, andererseits kann mit der Taumelscheibe die kollektive Blattverstellung, die Änderung des Anstellwinkels aller Hauptrotorblätter und damit des Auftriebs, bewerkstelligt werden.
Funktionsprinzip
Grundlegendes Element der Rotorblattverstellung bei Hubschraubern ist ein Kardangelenk oder ein Kugelgelenk. Beide Gelenkarten ermöglichen dem Übertragungselement Taumelscheibe durch ihre kardanische AufhängungBittner, Walter: Flugmechanik der Hubschrauber – Technologie, das flugdynamische System Hubschrauber, Flugstabilitäten, Steuerbarkeit, Springer Verlag, Leseprobe auf Google-Books, abgerufen am 4. Januar 2021 die notwendigen Freiheitsgrade zum Neigen und stellen andererseits deren konzentrische Position auf der Rotorwelle sicher. Historisch basierte die Taumelscheiben- bzw. Hubschrauberentwicklung zunächst auf der Verwendung von Kardangelenken.
Die nachfolgende Erläuterung geht von einem Hubschrauber in üblicher Haupt-/Heckrotorkonfiguration mit halbstarrem oder starrem Rotorsystem aus.
Das Kardangelenk ist mit einer seiner Achsen an einer längs der Hauptrotorwelle verschiebbaren koaxialen Hülse befestigt, die sich nicht mit dem Rotor dreht. Die zweite Gelenkachse verbindet den Zwischenring mit einem sich ebenfalls nicht drehenden Außenring. Der Steuerknüppel und der Steuerhebel (Pitchhebel) sind mit den gelenkig am Außenring befestigten Steuerstangen (mindestens zwei) bzw. mit der verschiebbaren Hülse über Gestänge, Gelenke und Winkelhebel verbunden (ggf. auch über eine Servohydraulik). Mit dem Pitchhebel kann der Pilot die Schiebehülse samt der Taumelscheibe vertikal auf der Rotorwelle verschieben und gleichzeitig mit dem Steuerknüppel über zwei Steuerstangen die Achse des Gelenk-Außenringes gegenüber der Rotorachse in beliebiger Weise neigen.
Alternativ ermöglicht ein Kugelgelenk anstelle des Kardangelenks die Neigungsfreiheit des Außenrings. Der Außenring ist dabei über Gleitringe auf der kugelförmig gestalteten Schiebehülse gelagert.
Auf dem Gelenk-Außenring ist der Verstellring koaxial drehbar mit Wälzlagern gelagert. Je nach gewählter Konstruktion und Wälzlagerkonfiguration (ein oder mehrere Radial- und/oder Axiallager) sind Außenring und Verstellring ineinander oder übereinander gesetzt (vgl. Bild). Vom Rotor wird der umlaufende Verstellring der Taumelscheibe über einen Mitnehmer, meist in der Form eines Scherengelenks, angetrieben. Rotor und Verstellring bewegen sich also synchron. Der Verstellring ist über Gelenke und Blattverstellstangen mit den in ihren Halterungen um ihre Längsachse drehbar gelagerten Rotorblättern verbunden (ggf. noch über Blattverstellhebel), so dass sich je nach Neigung bzw. Verschiebung der Taumelscheibe bestimmte Anstellwinkel der Rotorblätter ergeben. Die Größe der Auftriebskraft ist vom Anstellwinkel abhängig.
Im engeren Sinn versteht man unter der Hubschrauber-Taumelscheibe das Kardan- bzw. Kugelgelenk mit dem darauf befindlichen Verstellring. Es ist jedoch sinnvoller, unter Berücksichtigung der anderen (notwendigen) Teile von einem Taumelscheibenkonzept für die Rotorblattverstellung zu sprechen.
Bei kollektiver Verstellung der Rotorblätter besitzen diese den gleichen Anstellwinkel, der sich während der Rotorrotation nicht ändert. Die Rotationsachse des Verstellringes fällt mit der Achse des Rotors zusammen. Durch Verschiebung der Hülse (und damit der Taumelscheibe) werden die Anstellwinkel aller Blätter in gleicher Weise verändert, so dass ein Steigen oder Sinken des Hubschraubers erreicht werden kann.
Durch Neigung der Außenring- und damit der Taumelscheibenachse gegen die Rotorachse wird eine zyklische Verstellung der Rotorblätter ermöglicht. Die Rotorblätter ändern während des Rotorumlaufs periodisch ihren Anstellwinkel. Die Richtung und Lage der erzeugten Auftriebskraft fällt nicht mehr mit der Rotorachse zusammen. Die Rotorebene neigt sich in eine vom Piloten gewünschte, über den Steuerknüppel gesteuerte Richtung. Als Folge bewegt sich der ganze Hubschrauber in Richtung des geneigten Auftriebs- bzw. Schubvektors des Hauptrotors.
In den obigen Animationen ist auf die jeweilige Knüppel- bzw. Taumelgelenkstellung und die daraus resultierenden Rotorblattstellungen zu achten. Hinsichtlich der zyklischen Blattverstellung sind beispielhaft nur drei mögliche Blattverstellungen dargestellt. Der Steuerknüppel kann jedoch beliebig bewegt werden. Der Steuerknüppel und der Steuerhebel können gleichzeitig betätigt werden (die kollektiven und zyklischen Steuereingaben werden „gemischt“, also überlagert).
Ein ähnliches Prinzip der zyklischen Verstellung unter Verwendung eines Kardangelenkes wurde im 19. Jahrhundert zur Flügelverstellung bei einer Anlage zur Nutzung der Windkraft angewendet. Die Verstellung erfolgte dabei jedoch je nach Windrichtung selbsttätig (siehe Klappflügel-Rotor).
Erfinder der Taumelscheibe In Russland gilt Boris Nikolajewitsch Jurjew (russisch Борис Николаевич Юрьев) als Erfinder der Taumelscheibe. Bereits 1911 soll er die theoretischen Grundlagen für die kollektive und zyklische Blattverstellung mittels Taumelscheibe geschaffen und auf dieser Basis einen Hubschrauber entworfen haben (der allerdings nicht flog). Originaldokumente dazu stehen nicht zur Verfügung. Es kann nur auf russische populärwissenschaftliche Veröffentlichungen verwiesen werden, in denen auch der Erstflug eines (sowjetischen) Hubschraubers mit der Bezeichnung вертолет 1-ЭА (Hubschrauber 1-EA) im Jahre 1930 behauptet wird. Dieser soll eine Gipfelhöhe von 605 m erreicht, damit einen Weltrekord aufgestellt, jedoch noch viele Mängel aufgewiesen haben.
In Deutschland wird Henrich Focke als der Erfinder der Taumelscheibe angesehen. Sein Hubschrauber FW 61 flog erstmals 1936. Dessen zwei gegenläufige Rotoren waren mit speziellen Verstelleinrichtungen für die Rotorblätter versehen, die jedoch nicht dem oben erläuterten Prinzip heutiger Taumelscheiben entsprachen. Das Patent für diese Verstelleinrichtungen wurde 1938 angemeldet. Darin wird als Miterfinder Willi Bußmann genannt. Sein Anteil an der Erfindung ist unklar. Ebenso unklar ist, ob Focke und Bußmann die Arbeiten von Jurjew gekannt haben (bzw. ob diese schon Allgemeingut bei den verschiedenen Hubschrauberentwicklern waren). In der Patentschrift wird das heute übliche Taumelscheiben-Prinzip jedenfalls als bereits bekannt vorausgesetzt und taucht infolgedessen in den Patentansprüchen nicht auf. Ob es dazu ein vorhergehendes Patent von Focke oder einem anderen Erfinder gab, ist offen.
Festzuhalten ist also, dass Focke den ersten voll einsatzfähigen Hubschrauber weltweit unter Verwendung von Rotorblatt-Verstelleinrichtungen schuf, die eine kollektive und zyklische Blattverstellung erlaubten. Das Prinzip dieser Verstelleinrichtungen kann jedoch nicht als Ursprungsentwurf heutiger Taumelscheiben angesehen werden, so dass es nicht ganz zutreffend ist, Focke ohne weitere Erläuterungen als Erfinder der Taumelscheibe zu bezeichnen.
Die Betätigung der Rotorblatt-Verstellung beim FW 61 (und auch beim FA 223) erfolgte nicht über Gestänge, sondern wegen der weit außenliegenden beiden Rotoren zweckmäßigerweise über Seilzüge.
Rotorblatt-Verstelleinrichtung nach Focke und Bußmann
Die Rotorblattverstelleinrichtung war für einen Doppelrotor-Hubschrauber entsprechend dem Konzept von Focke vorgesehen (z. B. Focke-Wulf Fw 61). In den obigen Bildern ist z. T. wegen der besseren Übersichtlichkeit ein Vierblatt-Rotor dargestellt. Focke hat Dreiblatt-Rotoren verwendet.
Funktionsprinzip Die beiden Rotoren sind auf Halterungen rotatorisch gelagert, die über Verstrebungen (Ausleger) am Rumpf befestigt sind. Zwei sogenannte Fernwellen führen vom Motor zum jeweiligen Rotor. Mit jeder Fernwelle ist über ein Kardangelenk ein Tellerrad verbunden, das mit einem am entsprechenden Rotor angebrachten Tellerrad zusammenarbeitet und ein Untersetzungsgetriebe bildet. Die hohe Motordrehzahl wird auf die relativ niedrige Rotordrehzahl herabgesetzt. Die Tellerräder sind an den Halterungen gelagert. Die Kardangelenke dienen dem Ausgleich von Fluchtungsfehlern. Auch die Verbindung der Fernwellen zum Motor erfolgt über Kardangelenke.
Am Rotor sind über entsprechende Lager die Rotorblätter befestigt. Deren Anstellwinkel kann mit Verstellgestängen verändert werden. Wie beim oben beschriebenen Taumelprinzip sind die Verstellgestänge mit einem synchron mit dem Rotor rotierenden Stellring gelenkig verbunden. Unklar ist, ob ein Mitnehmer vorgesehen war, oder die Rotation des Rotors über die Verstellgestänge auf den Stellring übertragen wurde.
Gelagert ist der Stellring auf einem sich nicht drehenden Kippring, der von zwei an der sogenannten Glocke befestigten fluchtenden Achsen winkelbeweglich geführt wird (also nicht getaumelt, sondern nur gekippt werden kann). Die Glocke ist verdrehgesichert axial verschiebbar. Zwei ebenfalls längs der Rotorachse verschiebbare und in der Halterung gelagerte ineinandergesetzte Wellen sind mit Seilscheiben versehen, die über Seilzüge vom Cockpit aus verdreht werden. Die Seilzüge sind an den Auslegern über Umlenkrollen geführt. Die äußere Welle (Hohlwelle) ist mit einem Axiallager mit der Glocke verbunden.
Auf den Wellen sind drehbar, jedoch mit gegen die Wellenachsen geneigten Achsen Taumelscheiben gelagert. Mit ihnen verbundene Schub-Kugelgelenke wirken mit dem Kippring bzw. der Halterung zusammen und verhindern ein Verdrehen der Taumelscheiben. Es sind dies Taumelscheiben im üblichen technischen Sinne, d. h., bei Verdrehung der tragenden Welle verlagert sich die Achse der Scheibe und taumelt.
Bei Drehung der Seilscheiben vom Cockpit aus über die Seilzüge kann durch die verschiebende Wirkung der Kugelgelenke der Kippring (und damit der Stellring) gekippt bzw. angehoben werden und so eine kollektive bzw. zyklische Verstellung der Rotorblätter erreicht werden (siehe Animationen). Da der Stellring nur gekippt werden kann, ist die zyklische Verstellung auf „vorwärts“ bzw. „rückwärts“ beschränkt.
Das war in Fockes Konzept jedoch kein Nachteil, da er sich von der Doppelrotorvariante eine hohe Manövrierfähigkeit versprach. Beispielsweise ist ein Seitwärtsflug dadurch möglich, dass der Anstellwinkel eines Rotors kollektiv größer ist als der des anderen und ein Kurvenflug bei entsprechendem Unterschied der Anstellwinkel der zyklischen Verstellung. Ein Drehen auf der Stelle kann durch gegenläufige zyklische Verstellung erreicht werden (ein Rotor „vorwärts“, der andere „rückwärts“).
Die Verstelleinrichtung ermöglichte also die Verkippung und Verschiebung des Stellrings mit Hilfe zweier Taumelscheiben, die jedoch nicht direkt an der Rotorblattverstellung beteiligt waren. Die Verstellung selbst erfolgte durch den Stellring. Evtl. liegt in der Vernachlässigung dieses Unterschieds begründet, dass Focke als Erfinder der Taumelscheibe (im eingangs beschriebenen Sinne) angesehen wird.
Flug und Steuerung des Hubschraubers