Vorwort

Warum noch eine Seite über das Auswuchten von Rotoren für Modellhelis?

Ich habe lange darüber nachgedacht, ob ich wirklich das Thema nochmal auf meiner Seite aufnehmen soll. Es gibt bereits so viele Seiten und Informationen darüber. Was hätte jemand davon, wenn er auf meiner Seite nochmal dasselbe liest?

 

Durch eine Diskussion auf RC-Heli, bei der mein erster Beitrag recht frech "man kann aus allem eine Wissenschaft machen" lautete, bin ich aber zum Nachdenken angeregt worden.  Am Ende habe ich für mich persönlich wirklich eine, wenn auch sehr kleine, Wissenschaft daraus gemacht. Und es hat mir Spaß gemacht darüber nachzudenken. Ich habe viel gelernt. Daher nochmal danke an alle, die da konstruktiv mitdiskutiert haben. 

 

Ich möchte also auf einige Punkte besonders eingehen.

Punkte, die vielleicht bereits bekannt sind, aber vielleicht nicht beachtet werden oder deren Auswirkung unterschätzt wird. Ich möchte die Kräfte am Rotor nochmal betrachten und Ableitungen davon treffen um die Wirkungen auf unseren Heli zu bewerten.

 

Ich bin jemand, der noch nie einfach was nachgemacht hat, weil es halt immer schon so gemacht wurde. Auch wenn am Ende herauskommt, dass es schon richtig war, es so zu machen, hinterfrage ich meist was ich da tun soll. Ich möchte verstehen, warum was wie getan wird. (Zumindest versuche ich das immer zu verstehen. Ich kenne aber meine Grenzen da schon einigermaßen.)

Blöderweise hab ich das bei meinen Helis bisher viel zu spät gemacht.

 

Meine Überlegungen haben mit der Frage nach dem Aufwand beim Auswuchten begonnen und haben am Ende aber auch Vorlauf, Blattwaagen, verschiedene Auswuchtmethoden, Fliehkräfte, Unwucht usw. erreicht. Man kann irgendwann gar nicht mehr aufhören das Thema zu durchdenken. Alles beeinflusst sich etwas gegenseitig.

 

Diejenigen, die beim Auswuchten keine Probleme haben, brauchen diese Seiten nicht zu lesen.

Diejenigen, die vielleicht trotz gutem Auswuchten immer noch Vibrationen am Heli haben, können sich ja meine Seite mal durchlesen und kommen vielleicht dadurch auf Gedanken oder Hinweise, die zur einer Verbesserung des Ergebnisses führen können.

Wenn jemand Fehler in meinen Betrachtungen bemerkt, darf er mir die gerne mitteilen. Ich möchte hier keinen Schmarrn verbreiten.

Auch wenn jemand noch andere Methoden kennt, die von Modellbauern angewendet werden könnten.

Meine persönlichen Kommentare zu manchen Themen braucht keiner zu übernehmen. Es braucht aber auch keiner deswegen eine Diskussion zu beginnen.

 

Ich habe mir jetzt also das erste Mal seit langer Zeit wirklich Gedanken über das Wuchten von Heli-Rotoren gemacht und einige Aha-Effekte erlebt. Das was ich herausgefunden habe und hier auch beschreiben möchte, ist wahrscheinlich schon seit sehr langer Zeit bekannt. Ich bin ja noch nicht so lange beim Helifliegen. Allerdings glaubte ich auch, dass manche Methoden auch sehr alt sind und heute in der Form vielleicht gar nicht mehr nötig sind. Das wollte ich mir mal anschauen.

Ich möchte mir auch nicht anmaßen, das "erfunden" zu haben. Die Ergebnisse kann jeder erzielen, der Mathe und Physik anwendet und seine Schlüsse daraus zieht.

 

Ich möchte anderen die Möglichkeit geben, sich hier zu informieren und für sich wichtige Punkte mitzunehmen. Ich versuche dabei so neutral wie möglich zu bleiben. Manchmal lasse ich mir es aber auch nicht nehmen, meine persönliche Einschätzung zu manchen Themen abzugeben. 

 

Ich stelle die Infos hier nach bestem Wissen und Gewissen zusammen. Es kann sich aber irgendwo trotzdem ein (Denk-) Fehler eingeschlichen haben. In diesem Falle bitte kurze Info an mich. Falsche Infos will ich hier keinesfalls verbreiten.

 

Beginnen wir also:

Ich habe bisher acht Jahre lang meine Rotoren, die nach einer ganz einfachen Methode ausgewuchtet waren, geflogen.

Jetzt, nach den ganzen Jahren, bin ich durch eine Diskussion auf RC-Heli.de zum Nachdenken angeregt, darauf gestoßen, dass ich das Auswuchten immer sub-optimal durchgeführt habe.

 

So wie ich das bisher gemacht hatte, hat das zwar immer funktioniert, ich hatte aber auch immer Vibrationen am Heli, die ich darauf geschoben hatte, dass man einen Heli ja wohl nie ganz vibrationsfrei bekommen würde. Die einzigen Blätter, die ich bisher nicht gewuchtet habe, sind die meiner Hughes. Aber auch die zittert am Heck, wenn der Rotor hochläuft. Hier muss ich nacharbeiten.

Dazu möchte ich auch die Hersteller mal anfragen, wie die so ihre Blätter wuchten und was für Grenzen sie sich da setzen.

 

Mit Berechnungen zur Fliehkraft und Unwucht hatte ich also festgestellt, dass man meint gut gewuchtet zu haben, aber immer noch Vibrationen am Heli haben wird.  

Ich habe zwei Punkte gefunden, die die Ursache dafür waren und die auch der Grund sind, das hier alles nochmal aufzuschreiben.

  

Es gibt Methoden des Auswuchtens, die die Fehler kaum entstehen lassen, wenn sie gut durchgeführt werden. Meine "Methode" war da eher weniger gut. Das konnte ich durch Berechnungen auch nachweisen. Wenn also vielleicht zufällig die richtige  Methode gewählt wird, dann hat man vielleicht gar kein Problem. Wenn, wie bei mir eine Methode angewendet wird, die eigentlich gar keine ist, dann hat man halt Vibrationen. 

 

Was mich immer gewundert hat ist, dass jeder hochauflösende Blattwaagen benutzt, die 1mm Streifen an Tesa erkennen kann, dann aber gravierende Fehler durch die Methode selbst gemacht werden. Da hätte man ja gleich nicht mm-weise Tesastreifen aufkleben müssen, wenn der Fehler später wieder zu Vibrationen führt, wie wenn man 2cm oder mehr Tesa falsch geklebt hätte.

Was mich auch sehr gewundert hat, ist dass solche Anmerkungen dazu im Forum eher zu Spott und herablassenden Bemerkungen führen ("ich lausche Deinen weiteren Ausführungen"), als dass sie dankbar aufgenommen und konstruktiv diskutiert werden.

 

Im Forum hat mir einer zu meiner Rechnerei geschrieben: "da kannst Du rechnen was Du willst, es ist einfach so."

Ich sage: "da kannst Du wuchten wie Du willst, Du machst immer einen Fehler. Und denn kann ich berechnen oder zumindest abschätzen." Die Frage ist nur wie groß ist der Fehler dann am Ende. 

 

Das ist genau die richtige Stelle um noch einen Warnhinweis anzubringen (die einzige belehrende Stelle hoffe ich):

Vibrationen haben schon Modellhelis (und auch echte) zerstört. Jeder ist selbst dafür verantwortlich, dass sein Heli sicher unterwegs ist.

Jeder muss die Grenzen, die er zulässt, selbst definieren. Meine Seite hier gibt nur Anregungen. Ich kann nicht verantwortlich gemacht werden, wenn es einen Heli zerlegt, obwohl er vielleicht nach meinen Vorschlägen gewuchtet wurde.

 

Das Auswuchten scheint ein Thema zu sein, dass von "ich wuchte gar nicht und reklamiere die Blätter zu Not" bis hin zu "man muss auch den Vorlauf korrigieren" reicht.

Jeder muss seinen Weg dazwischen finden. Was zählt ist das, was am Ende am Heli für einen selbst akzeptabel ist.

Jeder muss für sich und seinen Heli selbst definieren, welche Unwucht bzw. welche Vibrationen akzeptiert werden können. Danach kann er eine geeignete Methode wählen. 

 

Ich wollte auch mal die verschiedenen Methoden anschauen und teilweise mathematisch durchrechnen und versuchen Fehlerquellen abzuschätzen. Fehler werden ja bereits gemacht, wenn man nur das Gewicht der Blätter messen will.

Ich habe eine Waage, die gerade mal 0,1g genau anzeigt. D.h. auch wenn die Anzeige der Waage zeigt, dass die Blätter gleich schwer sind, können die knapp 0,1g, unterschiedlich sein. Man denkt also sie seien gleich schwer, sind sie aber nicht.

Das geht mit allem so weiter was wir messen wollen, aber eben auch, wenn wir nur auf der Briefwaage auswiegen wollen.

Eine Blattwaage hat eine Reibung. Ein Lineal kann eigentlich nur auf 0,5mm abgelesen werden usw...

 

Nachfolgend also eine kurze Zusammenfassung meiner Überlegungen.

Während der Zusammenfassung kann man immer in die entsprechenden Unterseiten abzweigen und sich das Thema dort speziell nochmal anschauen. Die betrachteten Methoden und alternative Lösungen sind auf eigenen Seiten beschrieben.

Ich stelle hier mal meine Überlegungen einigermaßen chronologisch dar.

 

Am Anfang meiner Helileidenschaft habe ich die Rotorblätter einfach in eine Blattwaage gespannt und so gut es geht ausgewuchtet.

Wie bereits geschrieben bin ich so jahrelang gut geflogen. Ich hab allerdings auch festgestellt, dass ich immer leichte Vibrationen am Heli habe.

Jetzt habe ich also begonnen mir das erste Mal richtig Gedanken über das Auswuchten von Rotorblättern zu machen.

Ich habe mir eine Excel-Tabelle erstellt, um die Unwuchten und die Kräfte, die dadurch entstehen mal zu berechnen. Ziel war eigentlich, die Fehler, die beim Messen und Auswiegen gemacht werden können, zu bewerten. 

 

Effekt  #1   ich nenne ihn mal "Transferfehler"

Dabei habe ich eher durch Zufall festgestellt, dass nur dadurch eine Unwucht am Rotorkopf entsteht, wenn wir ungleich schwere Blätter auf der Blattwaage ins Gleichgewicht bringen und dann mit Abstand zueinander am Rotorkopf montieren.

Da kann ja jetzt jemand sagen: "ist doch klar, die Blätter sind ja nicht gleich schwer!" Falsch: wie auf der Seite  "einfach(e) nötige Physik"  erklärt, kann ein leichteres Blatt mit einem weiter außen liegenden Schwerpunkt durch ein schwereres mit weiter innen liegendem Schwerpunkt ausgeglichen werden. 

 

Mit meiner Methode hatte ich aber Blätter für einen bestimmten Zustand ausgewuchtet (Masse x Radius ist für beide Blätter gleich) und dann aber den Radius geändert um sie am Rotorkopf zu montieren. Da der Radius für beide Blätter aber gleich verändert wurde, ist das Produkt aus Masse x Radius jetzt für beide Blätter nicht mehr gleich. Das führt zu einer Unwucht am Rotorkopf und damit zu Vibrationen.

Das ist ja eigentlich ganz logisch, ist mir aber erst durch die nähere Betrachtung aufgefallen.

 

weitere Infos dazu unter Berechnungen/Effekt 1 Transferfehler

 

 

Ich glaube, vielen ist der Effekt überhaupt nicht bewusst. Er tritt ja auch nicht auf, wenn man immer das Blattgewicht gleich macht.

Anleitungen gehen darauf auch nicht ein (nur eine ist mir aufgefallen, die das zumindest mal kurz anspricht: Ollis Bastelseite).

 

Damit war für mich jetzt klar, dass ein einfaches Auswuchten mit miteinander verschraubten Blättern auf der Blattwaage noch lange nicht das Optimum erreicht.

Je nach Blattgröße und Gewichtsunterschied der Blätter kann das schnell mehrere 10g Unwucht bedeuten, die alleine durch diesen Effekt erzeugt, bereits in Neutralpitch wirksam werden. Das kann doch relativ einfach vermieden werden. 

 

Also habe ich einfache Lösungen gesucht. Die bisherigen Lösungen (siehe "bisher empfohlene Methoden") waren mir immer zu kompliziert. Ich habe zuerst drei Lösungen gefunden, die gute Ergebnisse am Rotor bei Neutralpitch zeigen sollten.

Alle hatten aber noch unterschiedliche Schwerpunktlagen.  Bis ich dann weiter nachgedacht hatte, war ich von meinen Lösungen richtig überzeugt.

 

Ich habe mir dann Gedanken gemacht, was im Flug dann mit den so gewuchteten Blättern passiert. Im Flug sind die Blätter ja nicht in Neutralpitch. Sie sind angestellt und erzeugen unsere Auftriebskraft, die den Heli hochhebt. Damit verformen sich die Blätter und biegen sich hoch.

Das führte zu den "Forschungen" zum Effekt 2: 

 

 

Effekt #2    den nenne ich mal "Höhenlagenfehler"

Ich habe ausgerechnet wie sich die Kräfte am Rotor verhalten, wenn sich die Blätter hochbiegen.

Angenommen wir haben zwei Blätter mit unterschiedlicher Lage der Schwerpunkte.

Diese sind aber auf einer Blattwaage mit Kopfabstand so ausgewuchtet, das der Effekt #1 nicht mehr auftritt, aber sie haben immer noch unterschiedliches Gewicht und Schwerpunktlagen. 

Da m*r für beide Blätter gleich ist (siehe auch einfach(e) nötige Physik) haben wir die Vibrationen für Neutralpitch auf ein Minimum reduziert.

 

Die Annahme bisher war folgende:

Werden die Blätter hochgebogen, laufen die Schwerpunkte in unterschiedlichen Höhenlagen, weil sie ja unterschiedlich weit von der Rotorachse weg liegen und aber über den annähernd gleichen Konuswinkel hochgebogen werden.

Die Fliehkräfte greifen zwar nicht im Schwerpunkt an (siehe Versuche zum Fliehkraftangriffspunkt und Konuswinkel), deren Angriffspunkt wird aber auch von den Schwerpunkten bestimmt. D.h. sitzt ein Schwerpunkt weiter außen am Blatt, so wird auch der Angriffspunkt der Fliehkraft weiter außen sitzen. Dieser Fliehkraftangriffspunkt wird nun wie die Schwerpunkte auch, mit dem Konuswinkel hochgehoben.

 

Dadurch, dass nun die Fliehkräfte auf unterschiedlichen Höhen an der Rotorwelle angreifen, erzeugen sie ein Kippmoment an der Rotorwelle. Dieses Kippmoment ist eine echte Momentenunwucht so wie die Unwucht z.B. eines Autoreifens, die eigentlich ein dynamisches Wuchtverfahren erfordern würde. Bei unseren Rotorblättern wird das dadurch gelöst, das die Schwerpunklagen aller Blätter beim Auswuchten möglichst gleich gesetzt werden.

 

Ich habe mir das mal genauer angesehen um zu bewerten, welche Größenordnung dieser Effekt 2 hat und ob er es wirklich nötig macht, die Schwerpunktlagen gleichzusetzen.

Hier die detaillierteren Betrachtungen dazu: Ergebnisse der Berechnungen/Effekt 2 Höhenlagenfehler

 

Ergebnis vom 19.01.2019:

den Effekt 2 gibt es (fast) nicht! Oder sagen wir: er ist definitiv zu vernachlässigen.

Er tritt, wenn überhaupt, nur sehr schwach ausgeprägt auf. Die Blätter biegen sich nur so weit hoch, bis die jeweiligen Auftriebskräfte kompensiert sind. Das ist für jedes Blatt, je nachdem, wo die Fliehkräfte (analog zur Schwerpunktlage) angreifen, unterschiedlich. Am Ende laufen die Fliehkraftangriffspunkte nahezu auf gleicher Höhe und erzeugen damit keine zusätzliche Unwucht durch das Hochbiegen der Blätter.

Nachgewiesen habe ich das jetzt erst durch eine allgemeine Berechnung. Hätte ich die nur schon ganz zu Beginn durchgeführt!

Bisher habe ich immer nur Schritt für Schritt die nächsten interessanten Punkte berechnet und meine Ergebnisse hier vorgestellt.

Leider musste ich meine Gedanken immer mal wieder neu ordnen und bin so Schritt für Schritt auf die richtige Lösung gekommen.

Dabei ist die allgemeine Betrachtung auch nicht so schwer. Hätte ich die gleich gemacht, hätte ich mir viel Arbeit erspart.

Ganz wichtig dabei: Die Berechnung basiert auf einer Vereinfachung: z.B. dass der Cosinus für kleine Winkel fast gleich 1 ist.

Daraus folgt, dass bei großen Konuswinkeln (10°) trotzdem ein kleiner Effekt 2 auftritt.

 

Die Realität könnte zur rein mathematischen Betrachtung zusätzlich etwas abweichen.

Für die Berechnung habe ich ein paar Annahmen treffen müssen, damit die überhaupt durchgeführt werden konnte:

zum Beispiel, dass die Blätter ideal starr sind und in einem Schlaggelenk lose gelagert sind.

In der Realität sind unsere Blätter aber fest eingespannt und können sich biegen.

 

Da aber der Unterschied im Konuswinkel zwischen den Blättern so klein ist (ein paar 1/100°), können wir annehmen, dass der Fehler, der durch die Betrachtung gemacht wurde, ebenfalls nur sehr klein ist.

 

Genau wegen der sehr kleinen Unterschiede im Konuswinkel, die wir im Blattspurlauf kaum feststellen können, ist es sehr wahrscheinlich, dass ein sehr viel größerer Fehler bei der Einstellung des Blattspurlaufes gemacht wird.

 

 

mein persönliches Fazit daraus:

mir ist jetzt klar geworden, warum eigentlich alle Anleitungen das Blattgewicht gleich machen wollen.

Je besser das gemacht wird, umso sicherer kann man sein, dass die beiden oben genannten Effekte nicht mehr auftreten!

 

Dabei wäre aber alleine Effekt #2 dafür verantwortlich, dass die Schwerpunktlagen gut aneinander angeglichen werden müssen, wenn man auch im Flug Vibrationen auf ein Minimum reduzieren möchte. Für Neutralpitch würde es nicht nötig sein, hier so viel Aufwand rein zu stecken.

 

Nach den neuen Erkenntnissen (Stand 19.01.2019) gibt es für mich jetzt überhaupt keinen echten Grund mehr die Schwerpunkte der Blätter aneinander anzugleichen. Der Effekt 2 ist für mich absolut vernachlässigbar. Demnach kümmere ich mich in Zukunft darum, die Blätter passend für einen bestimmten Rotorkopf auszuwuchten.

 

 

 

Ergebnis vom 16.03.2019:

Um den Effekt 2 zu vermeiden, hilft uns das Schwerpunktangleichen der Blätter leider nicht so viel. Da die Fliehkraft nicht im Schwerpunkt angreift, ist es möglich (besser: sehr wahrscheinlich), dass der Angriffspunkt der Fliehkraft trotzdem an unterschiedlichen Orten liegt.

Die Schwerpunktlage ist aber für den Effekt 2 nicht relevant, sondern nur wo die Fliehkräfte ansetzen. 

 

Wie bereits berechnet ist der Effekt 2 sowieso kaum vorhanden. Zum Glück. Schließlich könnten wir den Angriffspunkt der Fliehkraft nur sehr schwer an die richtige Stelle schieben.

 

Auf der Unterseite Vergleich Fliehkraft und Schwerpunkt gibt es dazu mehr zu lesen.

 

Ergebnis vom 17.10.2019:

mit einem Versuchsaufbau habe ich nachgewiesen, dass es den Effekt 2 nicht gibt, bzw. für unsere Helis wahrscheinlich völlig vernachlässigbar ist. Meine Berechnungen dazu konnten also bestätigt werden.

Mehr Infos dazu auf der Seite "Rotorprüfstand".

 

 

 

Lösungen

Effekt 1:

Meiner Meinung nach ist es im ersten Schritt wichtig, den Transferfehler von der Blattwaage zum Rotorkopf (Effekt 1) zu eliminieren.

Ich habe viele Videos zum Thema "Rotorblätter auswuchten" im Netz gesehen, die einfach auf der normalen Blattwaage (oder ähnliches wie Gläser ...)  miteinander verschraubte Blätter auswuchten. So erzeugt man eben genau diese Unwuchten am Heli, obwohl man doch gut gewuchtet hat. 

 

Der Effekt 1 ist durch verschiedene Maßnahmen zu beseitigen:

* entweder Schwerpunktlagen (und das Gewicht) der Blätter gleichsetzen

* oder mit einer Blattwaage auswuchten, die den Rotorkopf-Durchmesser berücksichtigt.

 

Effekt 2:

da es den Effekt 2 nach neuesten Berechnungen (Stand 19.01.2019) nicht gibt, oder nur sehr schwach, macht es eigentlich keinen Sinn mehr Schwerpunktlagen der Rotorblätter am Modellheli anzupassen.

Nachtrag 17.03.2019:

abgesehen davon würde Schwerpunktlagen angleichen den Effekt 2 auch nicht beseitigen,  weil es nicht den Angriffspunkt der Fliehkraft korrigiert. Auch wenn die Schwerpunktlagen gleich sind, ist es sehr wahrscheinlich, dass die Fliehkräfte der Blätter an unterschiedlichen Orten angreifen.

Der Angriffspunkt der Fliehkraft kann durch die Methode "Schwerpunktlagen angleichen" sogar unterschiedlicher sein, als wenn gleich auf einer Blattwaage mit Kopfabstand gewuchtet worden wäre.

Unwucht durch unterschiedlichen Angriffspunkt der Fliehkraft entsteht daraus aber nicht. Wo die Fliehkraft am Blatt wirklich angreift ist völlig egal. Es zählt nur, dass sich die Fliehkräfte der Blätter so gut wie möglich gegenseitig aufheben.

 

 

 

 

Universelle Blätter:

Wer universelle Blätter braucht, also Blätter, die er auf mehreren Helis mit unterschiedlichem Kopfdurchmesser verbauen möchte, der muss zwangsläufig die Blattschwerpunkte aneinander angleichen, weil nur dadurch der Effekt 1 für alle Kopfdurchmesser vermieden werden kann.

 

 

 

Mehr Infos zu verschiedenen Spezial-Themen dazu findet ihr in den Unterseiten zum Thema Rotorblätter auswuchten.