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Entwicklungsprojekt: Piasecki H21 Hubschrauber

Anfang 2005 habe ich mein erstes Entwicklungsprojekt begonnen. Nachdem ich bei meinem Heidelberger Hubschrauber-Freund seinen Tandem-Hubschrauber gesehen hatte, wollte ich mir selber auch so einen Hubschrauber bauen. Als ich dann im Herbst 2004 die Möglichkeiten gesehen habe, wie leistungsstark elektrische Antriebe mit der neuen Generation von Lithium-Polymer-Akkus (kurz: Lipos) sein können, stand für mich fest, dass ich den Tandemhubschrauber als elektrischen Hubschrauber bauen werde. Einziges "kleineres" Problem: Bernd konnte mir zwar einen wunderschönen Rumpf mit Verglasung, Höhen und Seitenruder sowie Landegestell bereitstellen, hatte aber keine passende Mechanik. Die Mechanik, die er in seinem Hubschrauber verwendete, war ausschließlich für Verbrennungsmotoren mit Kupplung, Vergaser, Schalldämpfer und Tank vorgesehen - und das sind alles Sachen, die ich bei einem Elektroantrieb mit Sicherheit nicht  brauchen werde.

So fing ich also an, mit Bernd verschiedene Möglichkeiten einer Mechanik zu diskutieren. Gleichzeitig half mir Werner Bittner bei der Auswahl eines geeigneten Elektromotors. Werner besitzt eine eigene Firma in Oberursel, die Elektromotoren industriemäßig herstellt.

Ausgangspunkt aller weiteren Überlegungen war eine Art Seitenansicht des Rumpfes, die Bernd mir zur Verfügung stellte (siehe Bild). Nach den Diskussionen mit Bernd und Werner waren verschiedene Eckpunkte des elektrischen Antriebes sehr schnell klar: Bei einem Abfluggewicht von geschätzt ca. 9kg, sowie zwei 1.60m Rotoren muß ein relativ grosser Elektromotor eingesetzt werden: Der Bittner HB 60-15. Als Akkus werde ich die Batterien nehmen, die ich auch im MP-E einsetze: zwei 4s3p Stangen, die dann in Reihe geschaltet eine Spannung von ca. 32V und eine Kapazität von 6Ah ergeben. Werner empfahl mir weiterhin, einen kombinierten Kreiselbaustein einzusetzen. Dieser Würfel beinhaltet zwei Kreiselelemente, sowie eine elektronische Mischung verschiedener Signale und sorgt so für die richtige Ansteuerung der Servos an den beiden Taumelscheiben.

Als weitere Vorgehensweise wollte ich die mechanischen Komponenten in einen Rahmen aus Sperrholz einsetzen, um damit einen flugfähigen Prototypen zu erstellen. Die Vorteile von Sperrholz sind die leichte Bearbeitbarkeit, die Verfügbarkeit in nahezu jeder Größe und Dicke, sowie die guten Dämpfung von Schwingungen oder Vibrationen.

Zu den Abmessungen: Durch den Rumpf, den ich von Bernd bekommen werde, ergibt sich ein Abstand der beiden Hauptrotoren von genau 119cm; am Anfang werde ich zwei normale Paddelrotorköpfe einsetzen; später ist die Umrüstung auf vorbildgetreue Dreiblattköpfe geplant.

24. Februar 2005

Erstes CAD-Modell

Mittlerweile hatte ich etwas Zeit und habe mit dem CAD-System die Mechanik erstellt. Dabei habe ich festgestellt, dass die ursprüngliche angedachte Lösung zur Kopplung der beiden Rotorwellen nicht optimal ist. Auf Anraten von Bernd wollte ich die beiden Rotorwellen über einen Zahnriemen miteinander verbinden. Bei der Umsetzung dieser Idee hat sich aber gezeigt, dass es schon alleine bei der Beschaffung der Zahnriemen das erste Problem geben würde: ein Zahnriemen dieser Länge ist eine Sonderanfertigung und damit entsprechend teurer.

Nächstes Problem war die für eine einwandfreie Funktion des Zahnriemens erforderliche Spannung. Die von mir geplante Rahmenkonstruktion der Mechanik würde dieser Spannung so nicht aushalten. Drittes und letztendlich auschlaggebendes Problem war die Positionierung des Motors. Durch die Länge des Motors (immerhin 10cm) kann ich den Motor nicht wie geplant quer im Rumpf einbauen. Daher habe ich mich jetzt für den Einbau einer durchgehenden Kardanwelle entschieden. Dies ist im übrigen auch die Lösung, die Bernd in seiner Piasecki umgesetzt hat.

Auf dem Bild kann man jetzt sehen, dass die Übersetzung zwischen den Wellen über kleine, kurze Zahnriemen erfolgen soll. Der Motor wird sehr weit vorne in der Mechanik längs eingebaut und wäre damit auch im Fall eines Absturzes gut geschützt. Desweiteren sieht man eine Klauenkupplung, die mögliche, kleine Winkelunterschiede zwischen der vorderen und der hinteren Rotorachse ausgleichen soll. Auf der CAD-Zeichnung kann man auch erkennen, dass jede der beiden Taumelscheiben durch jeweils nur zwei Servos angesteuert werden, aber dazu später mehr.

07. März 2005

Die Mechanik ist zum ersten Mal aufgebaut

Heute habe ich die Seitenteile der geplanten Mechanik zum ersten Mal zusammen verschraubt und habe jetzt einen Eindruck von der Größe des fertigen Modells, einschließlich Mechanik und Rotorachsen. Die Seitenteile bestehen noch aus einem Stück, an das vorne und hinten die beiden Rotortürme angeschraubt werden. Der Hauptzweck dieses ersten "Mockups" ist eine erste Überprüfung der bisher nur im CAD-Modell verhandenen mechanischen Konstruktion. Gleichzeitig kann ich mir einen ersten Eindruck der Steifigkeit dieser Konstruktion  verschaffen. Das zweite Bild zeigt den mechanischen Aufbau als CAD-Konstruktion.

In der Zwischenzeit mußte ich den Aufbau des Antriebes neu auslegen. Nachdem ich bisher von einer sehr viel niedrigeren Drehzahl des Antriebsmotors ausgegangen war und folglich eine einstufige Übersetzung ausgereicht hätte, hat mir der Hersteller jetzt mitgeteilt, dass die Drehzahl genau doppelt so hoch sein wird. Dadurch bin ich gezwungen eine zweite Übersetzungsstufe einzubauen. Dies hat dann aber auch zur Folge, dass ich keine Zahnriemen mehr verwenden kann, sondern ganz traditionell auf Zahnräder zurückgreifen werde.

Das Problem bei dieser Konstruktion ist die Kardanwelle, die durch den gesamten Rumpf durchläuft. Durch den markanten Knick im Rumpf der Piasecki H21 verläuft die Kardanwelle auch noch sozusagen diagonal durch den Rumpf. Die notwendige Übersetzung von 18:1 erfolgt jetzt in zwei Schritten. Der Motor überträgt das Drehmoment über ein schrägverzahntes Ritzel auf ein Zahnrad, welches direkt auf der Kardanwelle befestigt ist. Am vorderen und hinteren Ende der Kardanwelle ist dann eine weitere 3:1 Übersetzung mit Kegelrädern eingebaut, die die Kraft dann direkt und formschlüssig auf die beiden Rotorachsen überträgt.

Die Länge des Motors verhindert es im übrigen, den Motor stehend einzubauen. Diese Variante, die bei anderen elektrischen Helis fast schon Standard ist, wird durch die vergleichsweise geringe Höhe des "Bananen"-Rumpfes verhindert. Also liegt der Motor jetzt direkt zwischen den Seitenteilen und ist gut geschützt. Obwohl der Rumpf vorne und hinten unterschiedlich geformt ist, ist es dennoch möglich, für die beiden "Rotortürme" identische Bauteile zu verwenden. Dies hilft mir später hoffentlich, die Anzahl der benötigten Teile zu verringern und damit geringere Kosten zu erreichen.

Einige der wesentlichen Komponenten, die mir bis jetzt noch fehlen, werde ich hoffentlich in dieser oder der nächsten Woche bekommen, sodaß ich dann einen weitere Schritt vorwärts machen kann.

09. März 2005

Der Antriebsmotor ist da

Heute habe ich von Werner Bittner den Antriebsmotor geschickt bekommen. Obwohl ich wußte, dass der Motor größer sein würde, als die Motoren, mit denen ich bisher zu tun hatte, so war ich doch stark beeindruckt, als ich den Motor auspackte. 10cm lang und gut 800g schwer, mit einer internen Lüftung. Mit einem Durchmesser von 4,7cm passt der Motor gerade noch zwischen die beiden Steitenteile der Mechanik.

Zum Vergleich habe ich neben den Motor eine CF-Speicherkarte gelegt, die man in MP3-Spielern oder Digitalkameras verwendet. Da wird die Größe des Motors noch einmal ganz deutlich. Zusammen mit dem Motor hat Werner auch das Kreiselelement geschickt. Das ist ein kleiner Würfel, der vier Ein- und vier Ausgänge hat. Die Steuerbefehle, die über den Sender an den Empfänger geschickt werden, werden hier elektronisch gemischt. Am Sender muss man daher nichts mehr einstellen, das Tandem wird behandelt wie ein ganz normaler "Heim"-Hubschrauber. Im Mischer werden dann die Eingangssignale umgesetzt und gleichzeitig noch die Korrekturimpulse der beiden Kreiselelemente verarbeitet.

Die Besonderheit des Würfels liegt in der Ansteuerung der Taumelscheiben. Genau wie auch beim Vorbild werden beim Piasecki-Tandem die Taumelscheiben nur zu den beiden Seiten gekippt, und hoch oder herunter bewegt. Die dritte Bewegungsrichtung, das Kippen der Taumelscheiben nach vorne, ist mechanisch blockiert.

13. März 2005

With a little help from my friends

Gestern war ein sehr erfolgreicher Tag - ich bekam Unterstützung durch meine Freunde. Martin besitzt eine Fräsmaschine und Robert eine Drehbank.

Hier sind die Ergebnisse: Die Delrin-Zahnräder, die ich benutzen werde, haben eine 12mm-Bohrung, ich will sie aber auf einer 10mm-Welle einsetzen. Mein Lieferant Mädler könnte die Zahnräder natürlich auch mit einer anderen Bohrung liefern, aber dann nur gegen eine doch recht hohen Aufpreis. Dieser Mehrpreis sinkt, wenn man größere Mengen bestellt, aber im Moment will ich ja ersteinmal nur einen (1) Prototypen des Tandemhubschraubers bauen. Also brauchte ich einen Adapter, um die Zahnräder trotzdem auf der Welle montieren zu können.

Robert hat jetzt die Adapter aus Aluminium gedreht - einfach perfekt. Die Zahnräder werden mit drei kleinen Schrauben mit dem Adapter verschraubt und der Adapter selber mit einer Madenschraube auf der Welle gesichert.

Mädler hat übrigens seinen gesamten Katalog online verfügbar im Internet. So kann man direkt aus dem CAD-System heraus nach Bauteilen suchen, direkt bestellen und die Geometrie der Bauteile sogar elektronisch auf den eigenen Rechner herunterladen und in das CAD-System einbauen. Damit ist eine größtmögliche Integration und Kontrolle über die Baubarkeit der Konstruktion gegeben.

Mädler hat übrigens seinen gesamten Katalog online verfügbar im Internet. So kann man direkt aus dem CAD-System heraus nach Bauteilen suchen, direkt bestellen und die Geometrie der Bauteile sogar elektronisch auf den eigenen Rechner herunterladen und in das CAD-System einbauen. Damit ist eine größtmögliche Integration und Kontrolle über die Baubarkeit der Konstruktion gegeben.

 

Die nächste Frage, die zu lösen war, ist die Befestigung des Motors in der Mechanik. Zu Testzwecken hatte ich eine Motorplatte aus Holz gefertigt, aber ich bin mir sicher, dass diese keinen einzigen Testflug ausgehalten hätte. Außerdem sind meine momentanen Herstellungsmöglichkeiten sehr stark eingeschränkt,sodass ich im Hinblick auf Präzision der Bohrungen einige Kompromisse hätte machen müssen. Hier hat mir dann Martin geholfen, der mir eine sehr schöne Motorplatte nach meiner Vorlage wiederum aus Aluminium gefräst hat.

Wie schon auf der CAD-Zeichnung zu sehen war, wird der hintere Teil der Kardanwelle über eine Kupplung mit dem vorderen Teil verbunden. VARIO hat zwar auch eine ähnliche Kupplung im Lieferprogramm, aber nur für eine Heckrotorwelle mit 6mm Wellendurchmesser.

 

Daher habe ich Kupplungen direkt beim Hersteller bestellt. Auch hier ist der Katalog direkt im Internet verfügbar und auch die Bestellung ist online und damit zeitsparend möglich.

Weitere Informationen im Internet

Mädler GmbH bietet alle erdenklichen Antriebselemente in einem schönen Katalog im Internet an.

HB Elektronik in Ober-Ursel stellt Hochleistungs-Elektromotoren her.



Ich bin nicht verantwortlich für den Inhalt externer Internet-Seiten

13. März 2005

Struktur der Seitenteile

Ich habe mit dem Design der Mechanik weitergemacht und weitere Probestücke ausgesägt und montiert. Auf den Bildern kann man den Aufbau der beiden Rotordome sehen, die in denen die vordere, bzw. hintere Rotorwelle befestigt und geführt wird. Diese Rotordome sind für die vordere und hintere Rotorwelle identisch, auch wenn der Rumpf doch sehr unterschiedlich ist. Mein Ziel war, es mit einer Konstruktion auszukommen und dadurch die Anzahl der Teile zu reduzieren. In den beiden Rotordomen sind jeweils alle Befestigungs- und Lagerungsbauteile montiert. Auch die Servos sind sehr gut geschützt zwischen den beiden Seitenteilen eingebaut.

 

Das große Seitenteil der Mechanik habe ich jetzt unterteilt in einen Bereich, in dem der Motor montiert wird, und die eigentlichen Seitenteile, die den vorderen Teil der Mechanik mit dem hinteren Teil verbinden. Dadurch kann ich das Motormodul gegenenfalls einfach austauschen, ohne die großen Seitenteile ändern zu müssen. Im Bereich dieses Motormoduls ist auch die Kupplung der Kardanwelle und die vordere Lagerung der Kardanwelle zu finden.

 

Der vordere Teil der Mechanik mag etwas eigenartig aussehen, aber dies hat einen bestimmten Grund. Auf der durchgehenden Kardanwelle ist auch das große Zahnrad mit dem Freilauf montiert, welches den größten Teil der Übersetzung zwischen der Motordrehzahl und der erforderlichen Kopfdrehzahl der Rotorköpfe erledigt. Um bei einem eventuellen Austausch dieses Zahnrades nicht die Mechanik komplett auseinandernehmen zu müssen, habe ich mich entschieden, die Mechanik an dieser Stelle unten offen zu lassen. Dadurch kann ich das Zahnrad nach unten demontieren.

 

Wie auf den Bildern ersichtlich, fertige ich die Seitenteile momentan noch selber aus Sperrholz mit der Dekupiersäge. Später will ich die Seitenteile aus GFK oder CFK fertigen lassen. Dies sollte sich dann auch in einer höheren Festigkeit und durch die NC-Fertigung in einer wesentlich höheren Toleranz der Bauteile niederschlagen. Mal schauen!

 

Weitere Teile auf den Bildern habe ich entweder neu bei VARIO bestellt oder aber gebraucht bei Ebay gekauft. Das einzige, was man bei Ebay braucht ist Geduld. Wenn man diese Geduld aufbringt, dann kann man fast alle notwendigen Teile irgendwann auch auf Ebay günstig ersteigern!

Die Auswahl des Elektromotors HB60-10 für den Antrieb meines Tandems hat freundlicherweise Werner Bittner erledigt. Werner verwendet diesen Motor in seinem JetRanger mit 1.80 Hauptrotordurchmesser. Aufgrund der beiden etwas kleineren Rotoren mit 1.60m Durchmesser meines Tandems und dem Wegfall des Heckrotors hat er diesen speziellen Motor empfohlen.

 

Die Bestimmung der notwendigen Übersetzung des Getriebes war etwas aufwendiger, aber letztendlich mit den zur Verfügung stehenden Zahlen nicht unbedingt schwierig. Ursprünglich hatte mir Werner folgende Messwerte für diesen Motor genannt: spezifische Drehzahl 360 U/min*Volt. Nachdem ich dann das Getriebe entsprechend berechnet hatte, hat mir Werner kurze Zeit darauf aber eine etwas andere Zahl genannt, da der Regler 32-55K der Firma Schulze, den ich verwenden werde, den Motor wohl etwas höher drehen lässt. Als ich auch diese neue Drehzahl getriebetechnisch umgesetzt hat, hat mir Werner empfohlen, den Motor in der Sternschaltung zu betreiben, wodurch sich die Drehzahl noch einmal um den Faktor 1.4 (Wurzel aus 2) erhöht. Da der Motor aber bei einer solchen Anwendung unbedingt mit den höheren Drehzahlen, also in der Sternschaltung betrieben werden sollte, ergab sich jetzt die Notwendigkeit, das einstufige Getriebe noch einmal zu ändern und eine zweite Getriebestufe einzubauen.

 

Die weitere Größe, die bei der Auslegung des Antriebes eine wesentliche Rolle spielt, sind die verwendeten Akkus. Da ich aus Kostengründen die bereits vorhandenen Akkupacks aus meinem 3DMP verwenden werde, war auch diese Wahl relativ schnell erledigt. In meinem 3DMP verwende ich Lithium-Polymer Akkus in einer 4s3p Konfiguration. Damit erreiche ich eine Spannung von ca. 28 Volt. Wenn in dieser Konfiguration die Ströme zu hoch werden (mehr als 50A), dann gibt es immer noch die Möglichkeit, die Spannung durch weitere 2s oder 3s Packs zu erhöhen. Damit würde man dann eine Spannung von 36V oder mehr erreichen. Sowohl Motor als auch Regler können diese höhere Spannung sehr gut verarbeiten.

 

Die Auslegung des Getriebes wird dann auf der anderen Seite bestimmt durch die Drehzahl der Rotorköpfe, die man erreichen will. Bernd Fischer hat mir gesagt, dass eine Drehzahl von ca. 1300 U/min für einen normalen Paddelkopf benötigt wird. Ein vorbildgetreuer dreiblättriger Rotorkopf braucht dagegen etwa 1600 U/min. Damit ergibt sich die benötigte Übersetzung einfach durch Division der Ausgangsdrehzahl am Motor mit der gewünschten Kopfdrehzahl.

 

Der letzte Punkt bei der Auslegung des Getriebes betrifft die Art des Getriebes und der verwendeten Zahnräder. Die Übersetzung von der Kardanwelle auf die beiden Hauptrotorwellen muss das größte Drehmoment übertragen. Daher verwende ich hierbei Zahnräder mit einem relativ hohen Modul (2). Normalerweise wird empfohlen, dass eines der beiden Zahnräder aus Kunststoff und das andere aus Stahl ist; allerdings wiegt das 45 Zähne 1:3 Kegelzahnrad aus Stahl bereits etwa 1 kg. Daher werde ich beim Testaufbau und bei den ersten Testflügen eine Delrin/Delrin-Kombination einsetzen.

 

In der ersten Stufe, der Übersetzung zwischen dem Antriebsmotor und der Kardanwelle, folge ich dem Stahl/Kunststoffprinzip. Da ich durch den Elektroantrieb bereits ein insgesamt recht leises Antriebssystem habe, will ich diesen Effekt nicht durch ein lautes Getriebe wieder zunichte machen. Daher habe ich mich für ein schrägverzahntes Zahnrad entschieden mit einem entsprechenden Stahlritzel auf der Motorwelle. Dies ist im Übrigen dieselbe Kombination, die auch Jan Henseleit bei seinem neuen kleinen Elektrohubschrauber 3DMP verwendet. Da das zu übertragende Drehmoment bei dieser Stufe sehr viel geringer ist, reicht hier ein Zahnradmodul von 1.

 

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