Varför används "motvikter" i flygplansproduktion?

Motviktarna i den ursprungliga frågan var från ett Boeing 747-roder, så jag kommer att förklara vad deras syfte är. John Walters svar täcker alla applikationer av balanser och ballast tillräckligt bra, så jag vill bara förklara varför kontrollytorna behöver balanser.

Det korta svaret är: Att sätta tyngdpunkten på eller jämnt före kontrollytans elastiska linje för att begränsa vindlast och undertrycka fladdring. Detsamma uppnås för hela vingen när jetmotorer placeras före vingen .

Börja med att ange en aileron utan en balansmassa. Dess elastiska axel är gångjärnslinjen och tyngdpunkten är kanske vid en tredjedel av dess ackord, så den sitter akter av elastisk axel. Tänk nu vad som händer när det flygplan som den här piloten är knuten till, flyger genom ett positivt slag: Vingen böjer sig upp och tröghetsbelastningen kommer att hålla aileronen från att röra sig upp med vingen. Eftersom det är fäst vid vingen vid gångjärnet kommer dess framkant att dras upp, vilket resulterar i en positiv aileronböjning. Detta lägger till lokal camber och ökar lokal hiss, så böjningsrörelsen intensifieras. Vid något tillfälle stannar vingen upp och den lagrade elastiska energin vrider böjningsrörelsen: Vingen börjar röra sig ner, och igen kommer aileronen att ligga bakom, nu minskar lokallyft och återigen intensifierar böjningsrörelsen. Titta på den här filmen för att se den resulterande rörelsen (de skrämmande sakerna börjar klockan 2:40):

Nu kan du argumentera att i 747 starka hydraulcylindrar håller vinkeln från att röra sig: Höger men fortfarande finns det tillräckligt med elasticitet i styrsystemet för att låta aileronen flytta några grader, vilket är tillräckligt för att förstärka böjningsrörelsen. Glider i filmen hade högviddsförhållande vingar av ett ganska elastiskt material (glasfiber-epoxi), så det flyter i låg hastighet där energierna och frekvenserna är låga. Ändå, efter att filmen var filmad, var det nödvändigt att omhänderta: Kontrollbeslagen var nästan helt slitna.

Överväga nu samma arrangemang, men med balanseringsmassa: Aileronen kommer antingen att vara neutral, om tyngdpunkten är i elastisk linje, eller kommer även att motverka böjningsrörelsen om mitten av gravitationen ligger före gångjärnslinjen. Både toppbelastning och fladdrisk kommer att minskas. Mer behagliga kontrollstyrkor är bara en bieffekt; Den främsta orsaken är att hålla kontrollytorna eller till och med att hela vingen bryts av.

Mekanismen är densamma för roderet, men här kommer elasticiteten från det långa rörets rör som kommer att vridas av sidolastningarna på den vertikala svansen. Återigen, med endast tillräcklig balansmassa kommer den självförstärkande karaktären hos en vridskropp som svänger den vertikala svansen åt vänster och höger undvikas.

I samband med design och underhåll av flygplan har termen motvikt och ballast generellt olika och olika betydelser.

Båda begreppen involverar massa som används för att balansera, dämpa eller justera krafter kring en rotationsaxel. Medan ballast också kan beskrivas som en typ av motvikt, är det bäst att förstå att arbeta inom referensramen för hela flygplanet eftersom det justerar flygplanet Gravity Centre (CG). Omvänt kan motvikter förstås att fungera inom en referensram som är mindre än flygplanet som helhet, till exempel en motor eller en kontrollyta.

Jag kommer att adressera var och en separat.

Motvikter

Motviktar tjänar främst tre funktioner i flygplandesign: balansering av kontrollytor, styrning av propellerhöjd och balansering av vevaxlar i kolvmotorer.

Kontrollytor

Motviktar används för att balansera kontrollytorna kring gångjärnets axel för att undvika potentiellt farlig kontrollflöjt. Denna balans är väldigt viktig. Piloter kontrollerar vanligtvis att motviktens strukturella säkerhet i förflyttning är möjlig. Mekanik måste kontrollera kontrollens ytbalans efter målning och målningskontrollytor utesluts från listan över förebyggande underhållsposter som en luftfartygsoperatör kan utföra utan en mekaniklicens.

Från handboken A & P Mechanics Airframe AC65-15A:

It is this out-of-balance condition that can cause a damaging flutter or buffeting of an aircraft and therefore must be eliminated. This is best accomplished by adding weights either inside or on the leading edge of the tabs, ailerons, or in the proper location on the balance panels.

Följande utdrag från Cessna 172M IPC visar hissens motvikter, 23 , markerade i blått:

Propellrar

Motviktaranvändsinågrakonstantahastighetsprojektornskonstruktionerförattökapropellerbladensstigning.Motornsoljetryckanvändsförattövervinnamotviktenförattflyttapropellerbladettillbakatillfintonhöjd.Ifjädrandemönsterhjälpermotviktenattflyttabladentilldenfjäderpositionen.

FrånhandbokenA&PMechanicsPowerplant AC65-12A :

Propellers, having counterweights attached to the blade clamps, utilize centrifugal force derived from the counterweights to increase the itch of the blades. The centrifugal force, due to rotation of the propeller tends to move the counterweights into the plane of rotation, thereby increasing the pitch of the blades.

Feathering is accomplished by releasing the governor oil pressure, allowing the counterweights and feathering spring to feather the blades. This is done by pulling the governor pitch control back to the limit of its travel. which opens up a port in the governor allowing the oil from the propeller to drain back into the engine. The time necessary to feather depends upon the size of the oil passage from the propeller to the engine, and the force exerted by the spring and counterweights.

AC65-12A Fig 7-11:

Böjaxlar

Motviktaranvändsikolvmotorerförbådestatiskochdynamiskbalansering.

FrånhandbokenA&PMechanicsPowerplant AC65-12A :

Crankshaft Balance
Excessive vibration in an engine not only results in fatigue failure of the metal structures, but also causes the moving parts to wear rapidly. In some instances, excessive vibration is caused by a crankshaft which is not balanced. Crankshafts are balanced for static balance and dynamic balance. A crankshaft is statically balanced when the weight of the entire assembly of crankpins, crank cheeks, and counterweights is balanced around the axis of rotation. When testing the crankshaft for static balance, it is placed on two knife edges. If the shaft tends to turn toward any one position during the test, it is out of static balance. A crankshaft is dynamically balanced when all the forces created by crankshaft rotation and power impulses are balanced within themselves so that little or no vibration is produced when the engine is operating. To reduce vibration to a minimum during engine operation, dynamic dampers are incorporated on the crankshaft. A dynamic damper is merely a pendulum which is so fastened to the crankshaft that it is free to move in a small arc. It is incorporated in the counterweight assembly. Some crankshafts incorporate two or more of these assemblies, each being attached to a different crank cheek. The distance the pendulum moves and its vibrating frequency correspond to the frequency of the power irnpulses pf the engine. When the vibration frequency of the crankshaft occurs, the pendulum oscillates out of time with the crankshaft vibration, thus reducing vibration to a minimum.

Dynamic Dampers
The construction of the dynamic damper used in one engine consists of a movable slotted-steel counterweight attached to the crank cheek. Two spoolshaped steel pins extend into the slot and pass through oversized holes in the counterweight and crank cheek. The difference in the diameter between the pins and the holes provides a pendulum effect.

Från Continental O-300 översynsmanualen:

C-145 and 0-300 crankshafts have a blade extending from each side of the cheek between No's 1 and 2 crankpins for attachment of dynamic damper counterweights. Each blade has two holes bored through and steel bushed. Slotted counterweights fit over the blades and have holes bored through and bushed to match those of the shaft. Bushings are sized to produce the desired frequency.

Nedan visas de motvikterna på en O-300 vevaxel som är skild för omhändertagande:

Källa: eget arbete

Ballast

Ballast ger en tillfällig eller permanent ändring till det övergripande flygplanets tyngdpunkt. Ballast kan inkluderas som en permanent del av en initial eller modifierad design. När jag var i flygträning använde vi gamla flygplan däck fyllda med betong som ballast för att placera W & B på en U206G nära en max bruttovikt och bakre CG-konfiguration för delar av bergflygning. Jag vet att glidpiloter använder ballast för att justera flygplan CG också.

Från A & P Mekanikens allmänna handbok AC65-9A (den här AC-inställningen avbrutits, men det här kommer från min gamla utgåva och är fortfarande korrekt):

Ballast is used in an aircraft to attain the desired c.g. balance. It is usually located as far aft or as far forward as possible to bring the c.g. within the limits using a minimum amount of weight. Ballast that is installed to compensate for the removal or installation of equipment items and that is to remain in the aircraft for long periods is called permanent ballast. It is generally lead bars or plates bolted to the aircraft structure.

Temporary ballast, or removable ballast, is used to meet certain loading conditions that may vary from time to time. It generally takes the form of lead shot bags, sand bags, or other weight items that are not permanently installed.