Design of a semi-active strut for helicopter's vibrations reduction

In the helicopter’s field, the rotating motion of the blades is responsible for dynamic loads that are transmitted to the fuselage, passing through the MTU (main transmission unit). The MTU or gearbox is linked to the fuselage through a suspension system composed of four rigid links called struts. As a result, the fuselage undergoes vibrations whose harmonic content is dependent on the number of blades and the frequency rotation of the rotor mast. Therefore, the attenuation of these vibrations allows achieving a better comfort of the passengers, higher speed, higher reliability and maintainability requirements. Several vibration control strategies have been analysed in the literature, such as the ACSR (Active Control of Structural Response) pioneered by Agusta Westland (AW) which exploits a system of hydraulic actuators mounted into the struts to reduce vibrations on the fuselage. This work of thesis proposes a new solution for the attenuation of fuselage vibrations. This latter consists of a semi-active system based on an ATMD (Active Tuned Mass Damper) and designed to be installed into each strut. The whole design process is led by the achievement of a higher compactness and the reduction of mass installed on board, providing a competitive solution to the current ACSR. The active part of this solution is represented by a voice coil actuator (VCA) which is designed to adjust the resonant frequency of the TMD according to the harmonic content of the dynamic load transmitted to the fuselage. Due to the special type of application, the VCA actuator must be designed ad hoc to fulfil the stringent requirements of the ATMD system. The whole design process of the semi-active strut is discussed in detail presenting different solutions.

In campo elicotteristico, il particolare movimento rotativo delle pale è responsabile per la generazione di vibrazioni indesiderate che raggiungono la fusoliera. Questi carichi dinamici sono trasmessi dalle pale al mozzo del rotore, e quindi alla fusoliera tramite un sistema di sospensione composto da quattro elementi rigidi di connessione chiamati struts. Per via di questo percorso, il contenuto delle vibrazioni che raggiungono la fusoliera diventa armonico e dipendente dal numero di pale e dalla velocità di rotazione del rotore. Il controllo di tali vibrazioni ha assunto una grande importanza negli ultimi anni per esigenze di confort dei passeggeri e del pilota, per poter raggiungere velocità maggiori, per aumentare la vita a fatica dei componenti e quindi ridurre la manutenzione. In letteratura sono presenti diverse strategie di controllo, attive o passive, per la diminuzione delle vibrazioni all’interno dell’elicottero. Tra quelle attive vi è l’ACSR (Active Control of Structural Response), tecnologia sviluppata per la prima volta da Agusta Westland (AW), che introduce un sistema di attuatori idraulici montati all’interno degli struts, i quali esercitano una forza di tipo reattivo sugli struts stessi. Questo lavoro di tesi mira a sviluppare una nuova soluzione per la riduzione delle vibrazioni nella fusoliera. Quest’ultima è composta da un sistema semi-attivo di tipo ATMD (Active Tuned Mass Damper), progettato in modo da essere installato all’interno di ogni strut. L’intero processo di progettazione è guidato dall’obiettivo di riduzione di massa e ingombri, in modo da ottenere una soluzione competitiva con quella brevettata da Westland Helicopter Limited. La parte attiva di questo sistema è rappresentata da un attuatore voice coil (Voice Coil Attuatore VCA), pensato in modo da poter regolare la frequenza di risonanza del TMD a seconda della frequenza del carico dinamico trasmesso alla fusoliera. Per via della particolare applicazione, l’attuatore VCA deve essere progettato ad hoc in modo da rispettare gli stringenti requisiti del sistema ATMD. L’intera progettazione del sistema semi-attivo e le diverse soluzioni sono discusse in dettaglio in questo lavoro di tesi.