Dynamic analysis of tiltrotor drive train configurations

Tiltrotor aircraft combine vertical takeoff capability with efficient fixed-wing cruise, but their mechanically interconnected propulsion systems introduce substantial drivetrain complexity and dynamic coupling. Recent drivetrain-related incidents have emphasized the importance of understanding load redistribution and interaction mechanisms within coupled rotor–drivetrain systems. In particular, the influence of proprotor blade dynamics on drivetrain behavior remains insufficiently characterized. This study develops two complementary modeling approaches for integrated tiltrotor dynamic analysis. First, a finite element model is established to rigorously derive the governing equations describing how the collective lead–lag motion of rotor blades influences drivetrain torsional dynamics through inertial and elastic coupling. The formulation explicitly captures the additional dynamic loads induced by synchronized blade lead–lag motion and their effect on shaft torque and gearbox response. Second, a sensitivity analysis is formulated for a linear time-invariant (LTI) model to establish a unified analytical framework for evaluating the stability of the tiltrotor drivetrain with respect to variations in key drivetrain components. The primary elements considered include the planetary gears, central gear, engine gear, engine, and their corresponding output shafts. Results demonstrate the capability of the proposed framework to capture rotor–drivetrain interaction mechanisms, providing insight for reliability assessment, fault diagnosis, and future drivetrain design improvement.

I velivoli tiltrotor combinano la capacità di decollo e atterraggio verticale con un’efficiente crociera ad ala fissa; tuttavia, i loro sistemi di propulsione meccanicamente interconnessi introducono una significativa complessità della trasmissione e un forte accoppiamento dinamico. Recenti eventi critici legati alla trasmissione hanno evidenziato l’importanza di comprendere la ridistribuzione dei carichi e i meccanismi di interazione all’interno di sistemi rotore trasmissione accoppiati. In particolare, l’influenza della dinamica delle pale del proprotor sul comportamento della trasmissione rimane ancora insufficientemente caratterizzata. Questo studio sviluppa due approcci di modellazione complementari per l’analisi dinamica integrata di un tiltrotor. In primo luogo, viene realizzato un modello agli elementi finiti per derivare in modo rigoroso le equazioni governanti che descrivono come il moto collettivo lead–lag delle pale del rotore influenzi la dinamica torsionale della trasmissione attraverso accoppiamenti inerziali ed elastici. La formulazione cattura esplicitamente i carichi dinamici aggiuntivi indotti dal moto sincronizzato lead–lag delle pale e il loro effetto sulla coppia negli alberi e sulla risposta del riduttore. In secondo luogo, viene formulata un’analisi di sensibilità per un modello lineare tempo-invariante (LTI), al fine di stabilire un quadro analitico unificato per la valutazione della stabilità della trasmissione del tiltrotor rispetto alle variazioni dei principali componenti della trasmissione. Gli elementi considerati includono gli ingranaggi epicicloidali, l’ingranaggio centrale, l’ingranaggio motore, il motore e i rispettivi alberi di uscita. I risultati dimostrano la capacità del quadro metodologico proposto di descrivere i meccanismi di interazione rotore–trasmissione, fornendo indicazioni utili per la valutazione dell’affidabilità, la diagnosi dei guasti e il miglioramento futuro della progettazione della trasmissione.