Vibrationen - Heli Shop

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DON‘T SHAKE IT!
Fehlerdiagnose Schüttelfrost
Hubschraubermodelle sind ständig einer gewissen Vibrationsbelastung
ausgesetzt. Alleine die durch die zyklische
Steuerung entstehende Wechselbelastung an der gesamten
Ansteuerkette kann als Vibration gedeutet werden. Auch der
Antriebsstrang gilt als natürlicher Erzeuger von Vibrationen.
Dazu gesellen sich noch eine ganze Reihe kleinerer Toleranzen,
wie wir sie bei Rotorblättern, Naben, Wellen und vielem
anderen vorfinden. Das Ganze gipfelt dann noch in kleinen
Unpässlichkeiten, die wir selbst fabrizieren. Dazu zählt beispielsweise
eine ungenau zentrierte Paddelstange, ungenau
ausgerichtete Antriebe sowie vieles mehr.
Und trotzdem fliegt er
Aufgrund der eigenen Masse des Modells werden
zahlreiche kleinere Vibrationen soweit aufgefangen,
dass diese mit freiem Auge nicht mehr erkennbar
sind. In der Auffassung der meisten Heli-Flieger ist das
auch ausreichend. Doch Achtung: Die Vibrationen
sind trotzdem da, auch wenn wir sie nicht sehen
können. Dabei gilt: Je höher die Frequenz in der etwas
vibriert, desto weniger sichtbar ist die Schwingung für
das freie Auge.
Wenn es in der Folge noch zusätzlich zu einer sogenannten
Resonanz-Katastrophe kommt, nehmen auch
die feinsten Schwingungen plötzlich Gestalt an. So
kann beispielsweise das Chassis eines Verbrennerhelis
plötzlich Risse bekommen, ein Schalldämpfer bricht
einfach mal so ab, oder eine Heckrotorwelle reißt
scheinbar ganz ohne Grund ab. Oder man klagt über
ein schwingendes Heck … Die Liste wäre an dieser
Stelle noch endlos fortzuführen.
von Wolfgang Maurer
Rotorkopf mit durchgehender Blattlagerwelle:
Weicht ein Rotorblatt über das Schlaggelenk nach
oben aus, wird das gegenüberliegende von der
einteiligen Blattlagerwelle nach unten geführt.
Ist die Dämpfung zu hart, sind die Blätter zu fest
angezogen oder die Paddel zu schwer, kommt es
zu einer schnellen exzentrischen Bewegung. Diese
Bewegung ist zwar nicht als Vibration einzustufen,
ist aber dennoch lästig, wenn sie auftritt
Welche Vibration kommt woher?
Gehen wir einmal davon aus, dass am Modell soweit
alles in Ordnung ist. Es sind keine Teile verbogen und
auch der statische und dynamische Spurlauf (siehe
Hangar RC-Heli-Action Ausgabe 8/2009) sind sauber
eingestellt. Auch ungenau gewuchtete Rotorblätter an
Haupt- und Heckrotor können wir ausschließen. Alles
was von einem gewissenhaften Modellflieger verlangt
wird, wurde sorgfältig erledigt – und doch kommt es
zu einer üblen Vibration. In diesem Falle stellen wir
zuerst fest, wie und wo sich der Fehler offenbart. Bereits
aufgrund des Flugverhaltens in einem einfachen
Schwebeflug können Rückschlüsse auf die Herkunft
beziehungsweise den Auslöser gezogen werden.
Nicht jede Vibration ist auch eine!
Das Modell vollführt eine exzentrische Bewegung
und taumelt dabei gleichmäßig um die Nick– und
Rollfunktionen. Dieses Verhalten wird sehr oft als
Vibration bezeichnet. Dabei handelt es sich in der
Regel jedoch um eine Resonanzschwingung. Diese
Schwingung entsteht meist durch eine zu harte
Dämpfung der Blattlagerwelle. Die Schlagbewegung
(ausweichen des Rotorblattes nach oben oder unten)
von einem Rotorblatt wird über die Blattlagerwelle
zum gegenüberliegenden Blatt übertragen. Verschiedene
Faktoren – wie beispielsweise zu harte Dämpfungsringe,
zu schwere Paddel oder einfach nur zu
fest angezogene Rotorblätter – können nun dafür
sorgen, dass sich eine nicht mehr enden wollende
Schwingung aufbaut.
Die Zahnräder des Hauptgetriebes sind nicht immer perfekt rund. Je größer
der Durchmesser des Zahnrads, desto größer sind in der Regel auch die radialen
Abweichungen. Ein unrundes Hauptzahnrad ist für sich alleine noch kein
unmittelbarer Auslöser von Vibrationen. Erst wenn das Zahnrad mit zu gering
oder zu stramm eingestelltem Flankenspiel auf eine weitere Getriebestufe trifft,
kommt es zu ungewollten Verspannungen. Oft wird das übersehen oder
vernachlässigt. In der Folge kommt es zu einer andauernden Wechselbelastung
des Chassis. Vom Chassis werden derartige Belastungen direkt an alle
angrenzenden Bauteile übertragen
Bei zunehmender Rotordrehzahl kann sich eine
derartige Schwingung verstärken oder abschwächen.
Meist tritt dieses Verhalten nur in einem bestimmten
Drehzahlbereich auf. Ober– und unterhalb dieser
kritischen Drehzahl lässt sich das Modell hingegen
schwingungsfrei betreiben. Um das Schwingungsverhalten
generell zu entschärfen, kann eine weichere
Rotorkopf-Dämpfung verbaut werden.
„Unsichtbare“ Vibrationen
Dabei handelt es sich vermutlich um eine der tückischsten
Fehlerquellen, die bei einem Heli auftreten
kann: Die eigentliche Vibration wird optisch nicht
wahrgenommen. Die Folge-Erscheinungen sprechen
jedoch Bände und können zum Totalverlust eines
Modells führen. Bei unsichtbaren Vibrationen ist
die Ursache in so gut wie allen Fällen in der Kette
des Antriebsstrangs zu suchen. Nur hier entstehen
aufgrund der hohen Drehzahlen derart hochfrequente
Schwingungen, die vom Auge nicht wahrgenommen
werden. Wie oben bereits angeschnitten, reicht das
Repertoire der Folge-Erscheinungen von Materialrissen
aller Art bis hin zu mysteriösen Ausfällen von Servos.
Sobald man den Motor abstellt, werden die betroffenen
Rudermaschinen wieder einwandfrei arbeiten.
In einem derart gelagerten Fall ist der gesamte
Antriebsstrang auf Rundlauf zu überprüfen. Besonders
bei Modellen mit Verbrennungsmotor ist auf eine
exakt montierte Kupplungsnabe zu achten. Auf der
Kupplungsnabe sitzt in vielen Fällen ein gewichtiger
Kupplungsläufer – also das Fliehgewicht. Durch die
hohe Masse des Kupplungsläufers wird die entstehende
Vibration noch wesentlich verstärkt.
Vibrationen ohne Auslöser?
Das gesamte Chassis vibriert, das Landegestell federt
heftig auf und ab – an einen normalen Flug ist nicht
zu denken. Und obwohl scheinbar alles Erdenkliche
überprüft wurde, ist kein offensichtlicher Fehler auszumachen.
Als Ursache entpuppt sich nicht selten ein
zu eng eingestelltes Zahnflankenspiel am Hauptgetriebe
in Kombination mit einem unrund laufenden
Zahnrad. Das unrunde Hauptzahnrad ist für sich
gesehen kein unmittelbarer Auslöser von Vibrationen.
Erst wenn das unrunde Rad zu dicht auf ein weiteres
Zahnrad trifft, entsteht eine mit jeder Umdrehung
wiederkehrende Spannung, die das gesamte Chassis
verwindet. In der Folge kann sich sehr schnell eine
Resonanz-Katastrophe entwickeln die es erschwert,
den ursprünglichen Fehlerherd auszumachen.
Ein ähnliches Verhalten kann auch bei riemengetriebenen
Heckrotoren entstehen. Immer dann, wenn ein
Riemenrad unrund läuft, kommt es zu einem Wechsel
der Zahnriemenspannung. Dies muss nicht unbedingt,
kann aber wiederrum ein Auslöser für weitere
Schwingungen sein.
Vibrationen mit „anderem“ Ursprung
Ein Heckausleger schwingt kräftig auf und ab. Der
Heckrotor wurde überprüft und ausgewogen – daran
sollte es also nicht liegen. Trotzdem ist der Heckausleger
nicht ruhig zu bekommen. In einem derartigen
Fall kommt mit großer Wahrscheinlichkeit der
Hauptrotor als Ursache in Frage. Genauer gesagt:
eine statische Abweichung am Rotorkopf.
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Eine statische Abweichung, die in vielen Fällen durch
ein krummes Rotorkopf-Zentralstück entsteht, hat zur
Folge, dass ein Rotorblatt höher läuft, als das andere.
Diese statische Abweichung ist in vielen Fällen nicht
sichtbar, da der dynamische Spurlauf (Anstellwinkel)
und die Zentrifugalkraft das Blatt in die passende
Umlaufhöhe bringen. Dabei kommt es jedoch bei
jedem Umlauf zu einer nicht sichtbaren Verwindung
des Rotorblattes. Der Hauptrotor läuft scheinbar
perfekt, dennoch entsteht ein periodisches Moment,
das an die Mechanik und auch an den Heckausleger
übertragen wird. Die Schwingung nimmt ihren Lauf
und manifestiert sich am Heckausleger.
Am letztgenannten Beispiel können wir deutlich erkennen,
dass es stets unser Ziel sein muss, die Ursache
zu hinterfragen und zu beseitigen. Oberflächlich
betrachtet hätten möglicherweise auch besser dimensionierte
Heckabstützungen und ein strammeres
Heckrohr scheinbare Besserung bringen können. Die
eigentliche Ursache wäre damit aber nicht behoben.
Vibrationen suchen sich stets das schwächste Glied
einer Kette aus, um sich bemerkbar zu machen. Ist
eine Mechanik sehr solide und steif aufgebaut, wird
die Vibration einfach an eine der folgenden Baugruppen
weitergegeben. Und wenn kein Teil mehr
dran ist das nachgibt, flattert einfach die Haube, das
Landegestell zittert und der Heli fliegt sich allgemein
nicht gut. Und zu guter Letzt reißt dann auch doch
ein Bauteil ab.
Um alle Eventualitäten, die auftreten können, detailliert
zu beschreiben, müssten ganze Buchbände
gefüllt werden und systemabhängige Handbücher
geschrieben werden. Viel wichtiger ist es jedoch, die
Abläufe verstehen zu lernen und richtig zu deuten.
Einfach die Kirche im Dorf zu lassen. Meistens sind die
einfachsten Diagnosen auch die richtigen. �
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Unrund montierte Kupplungsnaben und Antriebsteile verfügen über ein zerstörerisches
Potential. Da diese Teile mit voller Motordrehzahl betrieben werden, ist die entstehende
Frequenz meist so hoch, dass diese mit bloßem Auge nicht wahrnehmbar ist. Bei Verbrennermodellen
ist gegebenenfalls ein Aufschäumen des Kraftstoffes sichtbar. Als Faustregel gilt: Alle
Teile, die mit voller Motordrehzahl drehen, sind auf Rundlauf zu prüfen. Der Kupplungsläufer
eines Verbrennermodells wiegt oftmals weit über 100 Gramm. Aus diesem Grunde sollte die
Kupplungsnabe (je nach Konstruktion), die den Läufer trägt, mit einer Messuhr eingerichtet
werden. Es sollte dabei eine Toleranz von etwa zwei hundertsel Millimeter erreicht werden
Auch wenn der statische Spurlauf (rot) nicht stimmt, ist es trotzdem möglich, den dynamischen Spurlauf (blau) auf den ersten Blick passend
einzustellen. Sowohl Zentrifugalkraft als auch der vorgegebene Einstellwinkel (dynamischer Spurlauf) sorgen für eine gleichbleibende Umlauf höhe.
Liegt ein statischer Fehler vor, so verwinden sich die Rotorblätter bei jeder Umdrehung. Dies erzeugt je nach Rotorblatttype sehr hartnäckige
Vibrationen, die üblicherweise direkt an den Heckausleger weitergegeben werden und dort sichtbar sind