Heckrotor-
optimierung

Nach langen und leidenschaftlichen Diskussionen um Heckrotor-Servoausfälle kam im Diskussionsforum www.rc-heli.de irgendwann eine Bemerkung zu Propellermomentgewichten (ich glaube es war als erstes der Heliclub Hamburg). Diese Bemerkung hatte weitreichende Konsequenzen, denn plötzlich interessierten sich eine Menge Hubi-Piloten für dieses Thema. Um so mehr als doch Heckservoausfälle derzeit fast eine Modeerscheinung geworden sind. Ich selbst musste dieses Jahr schon 3 Stück in die ewigen Jagdgründe schicken. Da klammert man sich natürlich an jeden Strohhalm um dem Heckservo die Arbeit so leicht wie möglich zu machen.

Zusätzlich zur Optimierung von Vibrationen und anderen Maßnahmen, zeigt die folgende Untersuchung, dass es noch viel zu tun gibt:


Hintergrund

Die Theorie ist mir selbst nicht ganz klar, deshalb lasse ich Halbwahrheiten lieber weg. Die Auswirkungen sind jedoch eindeutig: Drehende Massen am Heckrotor verursachen Kräfte, welche das Heckservo bei der Auslenkung überwinden muss. Je höher die Drehgeschwindigkeit umso höher die Kräfte. Große Massen, z.B. durch Tuningteile, können diese Kräfte auch erhöhen.

Ziel dieser Untersuchung ist es herauszufinden, welche Arbeit das Heckservo tatsächlich zu leisten hat.

Messaufbau

hecktest1.jpg (33584 Byte) Dieses Bild zeigt den Messaufbau. Ein 3D-NT musste zum Testen herhalten, weil ich hier zwei alternative Hecksteuerbrücken zur Auswahl hatte. An der Hauptrotorwelle ist eine drehzahlgeregelte Bohrmaschinen befestigt.

Die Heckrotorblätter sind abmontiert, da diese keinen nennenswerten Einfluss auf das Messergebnis haben sollen (so wird es jedenfalls behauptet, ich kann das weder bestätigen noch widerlegen).

Die notwendige Kraft zur Auslenkung des Heckrotors messe ich auf 2 Arten:

* per Hand
* durch Messung der Servo-Stromaufnahme

danach habe ich auch eine Messreihe durchgeführt um die Servokraft mit der Stromaufnahme vergleichen zu können. Diese Vergleichswerte gelten natürlich nur bei meinem Aufbau, denn sie sind von der Länge des Servohebels abhängig ! Für diese Messreihe sind sie jedoch gültig.

verwendete Teile:

* 3D-NT mit abmontiertem Hauptrotor und ohne Heckrotorblätter
* originale Hecksteuerbrücke
* Tuningbrücke von Heli Pilot Uwe
* Heckservo: S9252 digital
* Strommessgerät zwischen Gyro und Heckrotorservo eingeschleift

hier einige Daten des verwendeten Equipments:

* Heckrotordrehzahl: 7400 U/min (ca. 1500 U/min auf der Hauptrotorwelle)
* Gewicht original 3D-NT Hecksteuerbrücke: 0,5 g
* Gewicht der Tuningbrücke von Uwe: 9 g
* Servo S9252 Ruhestromaufnahme: 13 mA
* Servo S9252 Blockierstromaufnahme: 1,3 A

Messdurchführung

Als erstes habe ich die Ruhestromaufnahme mit 13 mA gemessen.

Danach folgte die Vermessung der Heckservo-Stromaufnahme mit der originalen Henseleit Steuerbrücke, welche ich dann mit Propellermomentgewichten optimiert habe.

Dann folgte die Messung mit der schwereren Tuningbrücke welche ich ebenfalls für eine zweite Messung optimiert habe.

Messergebnisse

Auslenkung, Drehzahl Propellermomentgewichte Stromaufnahme [mA] Servokraft [Gramm]
 

Originale 3D-NT Hecksteuerbrücke

links, im Stand, keine Drehzahl - 40 120
rechts, im Stand, keine Drehzahl - 34 90
links 7400 U/min - 104 390
rechts 7400 U/min - 65 240
links 7400 U/min je 2 Scheiben 3,2mm 50 150
rechts 7400 U/min je 2 Scheiben 3,2mm 32 90
 

Tuningbrücke

links, im Stand, keine Drehzahl - 42 120
rechts, im Stand, keine Drehzahl - 20 80
links 7400 U/min - 290 1400
rechts 7400 U/min - 83 300
links 7400 U/min je 2 Scheiben 3,2mm 198 800
rechts 7400 U/min je 2 Scheiben 3,2mm 55 150
links 7400 U/min je 4 Scheiben 3,2mm 68 240
rechts 7400 U/min je 4 Scheiben 3,2mm 32 90

Die Messergebnisse werden stark davon beeinflusst, wie weit man auslenkt. Daher habe ich versucht bei allen Messungen den gleiche Auslenkweg einzuhalten. Man sieht das auch an den unterschiedlichen Ergebnissen bei links/rechts Auslenkung. Die Kräfte bei Linksauslenkung sind naturgemäß höher, da ein Hubi schon in Ruhestellung einen gewissen Ausschlag hat. Daher sind die Auslenkwege nach links und rechts immer ungleich groß.

Vergleichtest mit dem Robbe/Millennium:

Auch dieser Hubi hat eine relativ große Hecksteuerbrücke. Die Kräfte waren knapp unter 1kg, also auch schon sehr hoch. Es waren bei meinem Millennium je 2 große M3-Scheiben notwendig um die Kräfte ohne Heckrotorblätter fast auszugleichen.

Mit den SAB Blättern aus CFK waren sogar je 3 Scheiben notwendig um die Servokräfte unter 300g zu reduzieren. Die Montage der Blätter hat die Situation sogar noch verschärft. Mit je 3 Scheiben links und recht von jedem Blatthalter (insgesamt 5 Gramm Zusatzgewicht) war der optimale Punkt erreicht.

Bewertung der Messergebnisse

Was ist nun von den Messergebnissen zu halten ? Wenn man genau hinsieht, so findet man schon ein paar grobe Hämmer.

Die Messung der Tuningbrücke im Normalbetrieb (ohne Optimierung) zeigte, dass das Servo ganze 1,4 kg bewegen muss um den Heckrotor auszulenken. Dass das bei einem schnellen Kreisel bald zu einem defekten Servomotor führt ist klar. Diese Tuningbrücke sollte man also keinesfalls so einfach einbauen und damit losfliegen.

Aber auch bei der originalen Brücke, welche nur 5% des Gewichts hat, treten Kräfte von bis zu 390 Gramm auf, was auch schon ganz erheblich ist.

Man kann diese Messergebnisse übrigens auch deutlich fühlen, wenn man die Anlenkung per Hand bedient. Die aufzuwendenden Kräfte sind erheblich. 1,4 kg mit zwei Fingern auszulenken ist schon eine echte Herausforderung.

Als ich diese Messwerte gesehen und gespürt habe, ist es mir schon etwas kalt den Rücken heruntergelaufen. Denn z.B. der Millennium hat ebenfalls eine recht massive Hecksteuerbrücke und mit so etwas fliege ich seit langem in der Gegend herum ? Auch hier wird Optimierung angesagt sein.

Die Messwerte zeigen also sehr deutlich einen weiteren Grund für häufiges Heckservosterben. Aber zum Glück haben sich findige Techniker auch für dieses Problem eine Lösung einfallen lassen und diese heißt: Propellermomentgewichte. Damit begann ich jetzt die benötigten Auslenkkräfte zu minimieren:

Optimierung

Die Spezialisten sagen, man muss nur ein paar Unterlegscheiben zur Befestigungsschraube der Heckrotorblätter montieren um entgegengesetzte Kräfte zu erzeugen, welche wiederum dem Servo bei der Auslenkung helfen. Hat man die richtige Zahl an Scheiben montiert so heben sich die Kräfte fast zu Null auf und das Servo hat leichtes Spiel.

Bei der originalen Hecksteuerbrücke von Henseleit (baugleich Mikado), waren je 2 Scheiben notwendig.

hecktest2.jpg (9203 Byte) Dieses Bild zeigt die Montage von je zwei großen 3,2mm Scheiben rechts und links eines jeden Blatthalters

Damit konnte die Servostromaufnahme soweit reduziert werden, dass sogar ein simples Miniservo leichtes Spiel hätte. Nur mehr bis zu 150 Gramm waren zu bewegen. Ganz auf Null reduzieren kann man es nicht. Nimmt man zuviel Scheiben, steigt die Stromaufnahme wieder.

Bei der Tuningbrücke haben zwei Scheiben noch nicht gereicht. damit war nur eine Reduzierung von 1,4 kg auf 800 g möglich. Aber mit 4 Scheiben konnte das Minimum erreicht werden:

hecktest3.jpg (7590 Byte) Dieses Bild zeigt die Montage von je vier großen 3,2mm Scheiben rechts und links eines jeden Blatthalters

Es waren jetzt nur mehr bis maximal 240 Gramm zur Auslenkung notwendig, ein guter Wert wenn man bedenkt kurz vorher noch 1,4 kg gehabt zu haben ! Das entspricht einer Reduzierung der Kraft auf nur mehr 17%.  Dieses Ergebnis zeigt, dass auch die schwerere Tuningbrücke soweit optimiert werden kann um dem Servo nicht zu schaden.

All dieser Euphorie muss aber ein kleiner Dämpfer aufgesetzt werden und zwar weil diese Messreihe eine rein statische Messung ist. Das bedeutet, dass die Servobelastung bei stehendem Servo gemessen wurde. Aber es gibt auch noch eine dynamische Belastung, was einfach die Belastung ist wenn das Heckservo bewegt wird. Und diese kann mit obiger Optimierung zwar erheblich verbessert, aber nicht gänzlich reduziert werden. Selbst mit optimalem Propellermomentgewicht kann das Bewegen noch schwer gehen. Hier hilft nur eines: die bewegten Massen am Heckrotor so klein wie möglich zu halten, abspecken ist also gefragt ! Hier hat die leichte Original-Brücke also deutliche Vorteile. Nach obiger Optimierung und Bewertung per Hand finde ich die Verstellkräfte aber auch mit der Tuningbrücke klein genug um das Servo nicht mehr zu überlasten.

Zusammenfassung

zum Schluss muss ich noch sagen, dass die ganze Messreihe noch zwei Unbekannte hat:

* die fehlenden Heckrotorblätter
* die Messung im Stand, also nicht im Flugbetrieb

in wieweit diese beiden Dinge Einfluss auf die Messergebnisse haben ist mir nicht bekannt. Allerdings haben erfahrene R/C Hubi-Piloten versichert, dass es keine Auswirkungen haben soll. In diesem Fall sind die obigen Messergebnisse auch im realen Flugbetrieb gültig. Eine Messung im Flugbetrieb ist ebenfalls machbar, aber ziemlich zeitaufwändig und mir daher derzeit nicht möglich.

Auf jeden Fall zeigt die Messung, dass am Heckservo erhebliche Kräfte auftreten können. Bei den heute üblichen sehr schnellen Kreiseln kann das ein Servo schnell beschädigen. Obige Ergebnisse sollten daher jeden ernsthaften Hubipiloten ermutigen, die Heckrotorsteuerung zu überprüfen und ggf. zu optimieren.

Wer sich von diesem Test eine Aussage erhofft ob beim 3D-NT die Tuningbrücke in der Praxis bedenkenlos einsetzbar ist, dem kann ich leider keine eindeutige Antwort geben. Denn mit der Optimierung sind die extremen Kräfte von über 1kg zwar eliminiert, jedoch bleibt einiges an Verstellkräften bei schnellen Servobewegungen übrig, wie sie bei modernen Gyros normal sind. Und diese wären nur durch Gewichtsreduzierung zu verbessern.

Es gibt Hubis, bei denen keine Optimierung notwendig ist, weil die Massen am Heck bereits optimal sind. Die meisten Hubis haben eine Kontrolle und Verbesserung jedoch durchaus nötig.

Für die vielen guten Hinweise möchte ich mich bei den Diskussionsteilnehmern in www.rc-heli.de herzlich bedanken ! Ohne Eure rege Diskussion wäre dieses Thema nie auf den Tisch gekommen und wir würden auch heute noch unsere Servos reihenweise verheizen. Zur Vertiefung des Themas empfehle ich jedem Interessieren sich die entsprechenden Beiträge durchzulesen.


Erklärungsversuch und Weiterentwicklungsmöglichkeiten

die ganze Sache ist mir nicht mehr aus dem Kopf gegangen. Es muss doch möglich sein eine Erklärung für obige Zusammenhänge zu finden, welche man ohne ein mehrjähriges Mathematikstudium nachvollziehen kann. Ich habe mir die Dinge wie folgt zusammengereimt. Sollte es einem sachkundigen Spezialisten hier den Magen umdrehen, so schreibt mir bitte. Ich lerne gerne dazu falls sich hier gravierende Denkfehler eingeschlichen haben sollten.

Hier ein Bild vom Heckrotor mit der Tuningbrücke.

Die roten Pfeile:

Man stelle sich jetzt vor, dass das ganze System mit hoher Geschwindigkeit rotiert, nämlich mit 7400 U/min. Ein Arm der Steuerbrücke hat ca. 4 Gramm. Der Arm ist ca. 13mm von der Drehachse entfernt. Daraus ergeben sich folgende einfache Berechnungen für die Arme der Steuerbrücke (die Formeln habe ich dem Programm zur Berechnung der Heli-Hauptrotorblätter entnommen):

Umlaufgeschwindigkeit [v] = 2*Abstand*pi*drehzahl / 60 = 2*0,013*3,14*7400/60 = 10 m/s

Fliehkraft = Gewicht * v^2 / (9,81 * Abstand) = 4 * 10*10 / (9,81 * 0,013) = 3137 Gramm

Die beiden Arme ziehen also mit einer Kraft von je 3,1 kg nach außen und versuchen so die Anlenkung in die Mitte zu drücken. Die Servokraft ist dann Null, wenn die Anlenkung genau in der Mitte ist. Je weiter man außen ist umso größer wird diese Rückstellkraft. Das erklärt, warum bei obigen Versuchen die Anlenkung immer den Drang hatte in die Mitte zurückzukehren.

Die Scheiben (Propellermomentgewichte), die grünen Pfeile:

Auch die Scheiben unterliegen der Fliehkraft. Hier muss man zwei Kraftrichtungen beachten. Eine Kraft zeigt aus dem Bild direkt auf den Betrachter. Das ist die hauptsächliche Fliehkraft durch die Rotation. Diese Kraft hat aber keinerlei Auswirkungen. 

Wenn man genau hinsieht, erkennt man aber auch, dass die Scheiben bei Auslenkung auch in Richtung der grünen Pfeile eine Fliehkraft entwickeln, da die Scheiben bei Auslenkung ausserhalb der Rotationsachse sind. Diese Kraft ist wesentlich geringer, reicht aber zur Kompensation der roten Kräfte aus.

Bei geeignetem Gewicht der Scheiben werden die roten Kräfte völlig eliminiert und der gewünschte Effekt ist erreicht.

Wie sieht es dynamisch aus ?

Solange die Anlenkung in einer Position ist, funktioniert obiges perfekt. Was aber wenn man die Anlenkung bewegt ? Dann muss das Servo die vorhandenen Massen erst mal beschleunigen und dann wieder abbremsen. Diese sind allerdings gering, nur wenige Gramm. Was aber hinzukommt, sind die Reibungen, welche überwunden werden müssen. Und diese sind bei Fliehkräften im kg Bereich nicht unerheblich.

Hier zeigen sich dann auch die Grenzen der Technik. Man kann die vorhandenen Kräfte nicht wegschummeln. Sie sind nun mal da. Die einzige Möglichkeit ist, das Gewicht zu reduzieren. Und zwar das Gewicht der Teile, die durch ihre Fliehkraft an der Anlenkung zerren. Und das sind sowohl die Steuerbrücke als auch die Anlenkteile der Blatthalter.

Es ist zu hoffen, dass wir eine geeignete Lösung für den 3D-NT finden, denn die originale Billig-Plastik-Brücke ist für so einen Hubi deutlich unterdimensioniert. Mein Vorschlag an Uwe wäre, die Kugellager mit deren Käfigen wegzulassen und stattdessen zwei Delrinhebel zu fräsen, welche per Kugelkopf am Blatthalter befestigt sind. So ähnlich macht es auch Robbe beim Millennium. Damit müssten sich viele Gramm sparen lassen.