Rotorkopf am Hubschrauber


Der Rotorkopf

RC-Helikopter heli-planet.com Rotorkopf T-Rex 600 700 Flybarless FBL auf heli-planet.com

Der Rotorkopf


Als Rotorkopf wird die Gesamtheit der Mechanik auf der oberen Rotorwelle bezeichnet. Der Rotorkopf besteht im Grunde aus der Hauptrotorwelle, auf der auch die Taumelscheibe

sitzt, dem Rotorkopf- Zentralstück, an welchem sich die Blatthalter befinden und dem gesamten Anlenk- Mechanismus, über den die Servokräfte- und -bewegungen bis auf die Rotorblätter übertragen werden.

Es gibt die Gruppe der Rotorköpfe mit Hilfspaddel bzw. Stabilisatorstange. Diese Bauart wird auch Paddel- Rotorkopf genannt. Die zweite Gruppe der Rotorköpfe besitzt keine Stabi- bzw. Paddelstange. Diese Bauart wird Flybarless (FBL) Rotorkopf genannt. Bei FBL erfolgt die Stabilisierung auf elektronischem Wege.

Die im Modellbau überwiegend für Rotorköpfe verwendeten Materialien sind Kunststoff und Aluminium. Wobei anzumerken ist, dass man mit einem Rotorkopf- Zentralstück aus Kunststoff und Kunststoff- Blatthaltern genauso gut fliegen kann wie mit den selben Baugruppen aus Aluminium. Ich merke hier noch einmal an, dass ich hier nicht von billiger Plastik spreche, sondern von hochwertigem faserverstärkten Kunststoff. Der Unterschied in der Materialwahl besteht allenfalls in der Belastbarkeit und Steifigkeit/ Elastizität der Materialien. Dabei kann Kunststoff sogar Vorteile bieten, da dieser über bessere Dämpfungseigenschaften verfügt als hartes Aluminium.

Während ein Rotorkopf aus Kunststoff bei einem mittleren Crash wahrscheinlich fast komplett ersetzt werden muss, überstehen gute Alu- Rotorköpfe selbst mittelschwere Crashs sehr oft völlig unbeschadet. Dafür sind diese jedoch in der Anschaffung meist teurer als Kunststoff.

Auch hier gibt es große Qualitätsunterschiede beim Material. Alu ist nicht gleich Alu und Kunststoff ist nicht gleich Kunststoff. Es sollte sich beim verwendeten Material um solches Aluminium handeln, welches hohe Bruchfestigkeiten und hohe Biegesteifigkeit besitzt. Manche preisgünstige Angebote halten nicht, was sie versprechen!


Rotorblattbelastung

Die Spitzen der am Rotorkopf befestigten Rotorblätter erreichen Umfangs- Geschwindigkeiten von mehreren Hundert km/h. Die dabei vom Rotorkopf aufzunehmenden Fliehkräfte sind sehr hoch.

Für Interessierte gibt es hier das Tool Rotorkopf Drehzahlrechner - einstufige Getriebe , mit welchem ermittelt werden kann, welche enormen Belastungen am Kopf auftreten.

Genereller Aufbau eines Rotorkopfes (hier ein Rotorkopf mit Paddeln)

Zweiblatt Rotor mit Paddel

Hier ein typischer Zweiblatt Rotorkopf mit Paddelstange zur Stabilisierung. Die Paddelebene liegt bei diesem Kopf unter der Rotorblatt- Ebene. Es handelt sich hier um einen nacheilend angesteuerten Kopf. Die Paddelebene kann sich konstruktionsbedingt auch über den Rotorblättern befinden.


Anzahl der Rotorblätter

So gibt es neben den weit verbreiteten 2- Blatt Typen, auch Köpfe, die für 3, 4, 5 oder gar mehr Blätter konstruiert wurden. Umso mehr Blätter der Rotorkopf aufnimmt, umso niedriger ist die nötige Rotor- Drehzahl.

Die Materialien aus denen ein Rotorkopf gefertigt wird, spielen eine entscheidende Rolle. Neben den Materialeigenschaften wie Festigkeit und Haltbarkeit, spielt natürlich auch das Gewicht eine Rolle, weshalb hier hauptsächlich Aluminium oder verschiedene Kunststoffsorten verwendet werden. Es gibt auch Titanbauteile die am Rotorkopf Verwendung finden, so z. Bsp. an Anlenk- Gestängen. Hochzäher und schlagfester Kunststoff genügt zwar auch, nach dem ersten kleinen Crash sind jedoch die Kunststoffteile leider oft zerbrochen, während Aluminium in guter Qualität einiges wegstecken kann, bevor es zu Bruch geht.

Im Billigsektor wird oftmals am Material bzw. dessen Qualität gespart. Kunststoff ist nicht gleich Kunststoff und gleiches gilt für alle anderen Materialien. Da werden oft Aluminium- Teile, Schrauben und Buchsen mit geringerer Festigkeit verwendet, die schon beim Zusammenbau abbrechen oder sich verbiegen. So etwas hat im Modellbau überhaupt nichts zu suchen! Ich möchte an meinem Helikopter mit Rotorblatt- Umfangsgeschwindigkeiten von über 500km/h kein minderwertiges Material verbaut haben!

Schlechte Kopien und Billigimportware schädigen zu Unrecht den guten Ruf qualitativ sehr hochwertiger Ware aus Taiwan und anderen nichteuropäischen Ländern. Schlechte Qualität hat definitiv nichts mit dem Herkunftsland zu tun!


Die Drehrichtung

Es gibt sowohl links als auch rechts herum drehende Rotorkopfkonstruktionen. In unseren Breiten dominiert das rechtsdrehende System. Auf die Funktion hat das keinen Einfluss.


Die Ausführung der Stabilisierung und der Anlenkungen

Es gibt Köpfe mit Paddelstangen- Stabilisierung (Bell- Hiller Hilfsrotor) und Flybarless- (FBL) Köpfe ohne Paddelstange. Während bei Paddelsystemen die Paddelstange die Stabilisierungsfunktion übernimmt, tut das bei den FBL Systemen eine Elektronik. Eine Stange mit Paddeln sucht man da vergebens. Das spart Teile, Gewicht und Material. Bei Paddel- Systemen kann der Hilfsrotor (Paddel oder nur Stange ohne Paddel) sowohl über als auch unterhalb der Rotorblätter (Rotorkreisebene) angebracht sein.

Auch bei der eigentlichen Anlenkung, sprich der Übertragung der Kräfte und Bewegungen von der Paddelstange auf die Rotorblätter unterscheiden sich die verschiedenen Konstruktionen. Fliegen tun sie aber alle, richtige Einstellung vorausgesetzt.


Die Anzahl und Anordnung der Rotorkreisebenen

Es gibt Rotorköpfe mit einer Rotorkreisebene, wie sie im Modellsport vorrangig Verwendung finden. Es gibt aber auch Rotorköpfe mit zwei Ebenen. Dabei unterscheidet man, ob die Ebenen übereinander auf der gleichen Achse liegen, wie z. Bsp. beim Koaxial- Helikopter, oder in einem Winkel (nicht parallel) zueinander stehen, wie das bei der Flettner- Konstruktion der Fall ist.

Allen Konstruktionen ist gemein, dass sie der Ansteuerung der Rotorblätter dienen und somit wesentlich für die Steuerbarkeit eines Helikopters verantwortlich sind. Daher solltest Du dem Rotorkopf Deines Helikopters ganz besonderes Augenmerk schenken. Das gilt insbesondere für die Einstellung, die peinlich genau erfolgen sollte. Wenn Du bei Einstellungen am Rotorkopf nicht genau arbeitest, dann brauchst Du Dich nicht über Vibrationen, schlechte Steuerbarkeit und unkorrekten Spurlauf wundern nebst allen Nachteilen, die sich daraus wiederum ergeben.

Hier mehr über Rotor- Bauformen


Rotorkopf mit Paddelstange

Im Gegenteil zu einem FBL Rotorkopf wird beim Kopf mit Paddelstange ein großer Teil der am Rotorkopf entstehenden Kräfte durch die Bell /Hiller- Mischung absorbiert. Das bedeutet, dass die Servo s weniger belastet werden, denn sie lenken nicht direkt die Rotorblatthalter an, wie das bei einem FBL System der Fall ist. Dadurch können unter Umständen Servos mit etwas geringerer Stellkraft verwendet werden.
Ein weiterer Vorteil des Paddelkopfes liegt in der einfachen Anpassbarkeit an die Bedürfnisse des Piloten, zumindest bei guten Paddelköpfen. Um die Vorteile eines Paddelkopfes voll nutzen zu können, sollte dieser präzise und stabil gefertigt sein. Ein Paddelkopf mit viel Spiel macht sicher keine Freude.
Der korrigierende Einfluss der Paddelebene wird direkt und ohne Verzögerung über die Paddelwippe an die Rotorblätter weitergegeben.
Zweiblatt Rotor mit Paddel

Typischer Zweiblatt Rotorkopf mit Paddelstange zur Stabilisierung. Die Paddelebene liegt bei diesem Kopf unter der Rotorblatt- Ebene. Es handelt sich hier um einen nacheilend angesteuerten Kopf.


Bell & Hiller Steuerung

In den meisten Rotorköpfen unserer Modellhelikopter kommt eine Kombination aus Bell und Hiller -Steuerung zum Einsatz.


Bell Steuerung

Die Bell Steuerung ist dabei der Steueranteil der von der Taumelscheibe kommt und direkt an die Blatthalter übertragen wird. Der Bell Steueranteil ist also ein direktes Steuersignal. Die reine Bell Steuerung kommt hauptsächlich bei FBL Systemen zum Einsatz.


Hiller Steuerung

Die Hiller Steuerung wird über die Paddelstange erzeugt. Die Paddelstange läuft aufgrund der Zentrifugalkraft stabil in ihrer Ebene. Diese stabile Umlaufbahn wird jedoch verändert, sobald ein zyklisches Steuersignal von der Taumelscheibe anliegt. Diese zyklische Veränderung wird nun über den Hillerarm als indirektes Steuersignal auf die Anlenkungen der Rotorblätter weitergeleitet.

Bei Fixed Pitch Modellen wird häufig nur eine reine Hillersteuerung eingesetzt. Hierzu ist jedoch eine spezielle Rotorkopfkonstruktion erforderlich.


Bell/ Hiller Steuerung

Heli- Modelle können also sowohl mit indirekter Hiller Steuerung, als auch mit der direkten Bell Steuerung oder der kombinierten Bell/Hiller Steuerung geflogen werden. Eine Bell/ Hiller Steuerung ist also eine Kombination aus Bell und Hiller Steuerung, also eine Steuerung mit direktem und indirekten Steueranteil. Am Hillerarm kann anhand von verschiedenen Einhängpunkten unter anderem auch das Mischverhältnis von Bell zu Hiller eingestellt werden. Auf Grund der stabilisierenden Zentrifugalkraft der sich drehenden Paddelstange erfolgt die Einmischung des Hiller Signals auf die Rotorblätter vergleichsweise weich und sanft.

Paddel Rotorkopf
Je größer der direkte (Bell) Steueranteil ist, umso direkter regiert das Modell auf zyklische Steuereingaben, denn dieser Steueranteil kommt immer direkt an den Rotorblättern an. Durch ein Erhöhen des direkten Steueranteils (Bell) vergrößern sich sowohl die zyklischen, als auch die kollektiven Pitchwerte.
Manche Pitchkompensatoren besitzen Bohrungen um die Hebelwirkung des Kompensators verändern zu können. Damit lässt sich dann der zyklische Ausschlag einstellen. Dies erreicht man, indem die Gestänge näher oder weiter entfernt vom Drehpunkt des Pitchkompensators eingehängt werden. Kleinere Ausschläge machen das System natürlich stabiler aber auch weniger agil.

Rotorkopf ohne Paddelstange (Flybarless- FBL)

Zweiblatt Rotor mit Paddel

Typischer FBL Kopf. Die Paddelebene fehlt gänzlich. Die Anlenkung der Rotorblätter erfolgt direkt von der Taumelscheibe aus ohne Umlenkungen. Es handelt sich hier, nebenbei bemerkt, um einen voreilend angesteuerten Kopf.

Mehr Info über FBL gibt es unter Unterschied zwischen Flybarless und Paddelstangen Heli


Vor- oder Nacheilende Ansteuerung der Rotorblätter

Voreilende Ansteuerung der Rotorblätter

Voreilende Anlenkung der Rotorblätter
Das Bild zeigt die Draufsicht auf den Rotorkopf. Bei dieser Art der Ansteuerung befindet sich die Rotorblatt- Anlenkung in Drehrichtung gesehen vorne. Die Anlenkung eilt dem angesteuerten Rotorblatt voraus. Diese Bauart ist relativ einfach im Aufbau und der mechanischen Einstellung. Die Hiller Rate (das Mischverhältnis der Paddelebene) bei voreilend angesteuerten Paddelköpfen ist im Normalfall auf einen Wert von max. 50% begrenzt. Dies spielt jedoch keine wichtige Rolle, solange wir nicht auf Wettbewerbsniveau fliegen und wirklich das allerletzte aus der Ansteuerung herauszaubern wollen.

Nacheilende Ansteuerung der Rotorblätter

Voreilende Anlenkung der Rotorblätter

Das Bild zeigt die Draufsicht auf den Rotorkopf. Bei dieser Art der Ansteuerung befindet sich die Blattanlenkung in Drehrichtung gesehen hinter dem angesteuerten Rotorblatt. Die Anlenkung eilt also dem Blatt hinterher. Mit nacheilender Ansteuerung kann man die Hiller Rate bei Paddelköpfen deutlich erhöhen. Wozu eine höhere Hiller Rate gut ist, werden wir später noch erfahren.


Rotorkopfzentralstück - Dämpfung/ Blatthalter

Rotorkopf- Dämpfung – Aufhängung der Blatthalter

Blattlager

Unabhängig davon ob der Kopf vor – oder nacheilend angesteuert ist, unterscheidet man, ob die Blatthalter gemeinsam über eine durchgehende Blattlagerwelle verbunden sind, oder ob jeder Blatthalter eine eigene Blattlagerwelle mit Dämpfung besitzt.

Einzeln gedämpfte Blatthalter sind bei Zweiblattköpfen heute nicht mehr üblich. Vorwiegend findet man Systeme mit durchgehender Blattlagerwelle auf dem Markt. Eine solche durchgehende Blattlagerwelle ist im Rotorkopfzentralstück mittels beidseitiger Dämpfer (Gummibuchsen) mehr oder weniger "weich" gelagert. Ausschlaggebend ist hier die "Härte" der Dämpfergummis. Diese Rotorkopfdämpfung hat die Aufgabe, dem Rotorblatt im Flug ein Ausweichen nach oben oder unten zu ermöglichen. Diese Bewegung des Blattes wird als "Schlagbewegung" bezeichnet. Die so ermöglichte "Schlagbewegung" des Blattes bei entsprechender Krafteinwirkung auf das Blatt ist wichtig für einen schnellen Geradeausflug, denn durch die "Schlagbewegung" werden unterschiedliche Anström- Geschwindigkeiten von vorlaufendem und rücklaufenden Rotorblatt ausgeglichen.

Für Rundflug und Schwebflug sind "weiche" Dämpfergummies gut geeignet, für harte Flugstile wie 3D setzt man vorwiegend "harte" Dämpfergummies ein. Die Härte wird in Shore angegeben. Umso größer die Shorezahl, umso härter der Gummi. Der Fachhandel hält hier eine große Auswahl bereit.


Rotorkopfdämpfung – Aufhängung der Blatthalter im Detail

Blattlager Detail

Hier noch einmal die Darstellung des Rotorblatthalters. Dieser ist drehbar gelagert und ermöglicht so eine Veränderung des Pitchwinkels.

Hier mehr über Rotorblätter am Modellhelikopter


Flugstabilität oder Agilität am Paddelkopf einstellen

Wenn also der indirekte (Hiller) Steueranteil erhöht wird, dann führt das zu mehr Flugstabilität. Ein ganz wichtiger Faktor dabei ist jedoch der Ausschlag der Paddel. Ist der Ausschlag der Paddel größer, dann ist das sehr förderlich für die Agilität unseres Helis. Bei vielen guten Paddelkopf- Modellen sind daher die Steuerwege der Paddel über verschiedene Einhängepunkte einstellbar.

Umso länger die Paddelstange ist - umso höher ist demzufolge die Umfangsgeschwindigkeit der Paddel. Dadurch steigt die Zentrifugalkraft / Fliehkraft der Paddelebene und das Modell fliegt stabiler. Auf Grund der höheren Umlaufgeschwindigkeit werden die Paddel aber auch stärker von der Luft angeströmt. Das hat eine Vergrößerung der zyklischen Kräfte am Kopf zur Folge. Die maximal zulässige Länge der gesamten Paddelstange (von einem Ende zum anderen Ende gemessen) ist etwa 30% des Rotorkreisdurchmessers. Viel länger sollte die Stange nicht sein. Bei 1m Rotorkreisdurchmesser sind das also 30cm.

Durch Vergrößern des Paddelgewichtes (Zusatzgewichte oder schwerere Paddel) erhöht sich ebenfalls die Fliehkraft - der Helikopter fliegt stabiler und gutmütiger, reagiert aber auf Grund von Trägheit der Masse der Paddel und Zusatzgewichte auch träger auf zyklische Eingaben. Nimmst Du jedoch Paddel mit einer größeren Oberfläche, dann reagiert der Heli heftiger auf zyklische Steuereingaben, da die Paddel durch die größere angeströmte Fläche auch größere Schubkräfte in die entsprechende Richtung entwickeln und zyklische Steuersignale so "aggressiver" eingemischt werden.

Willst Du den Helikopter agiler bekommen, dann montiere leichte Paddel. Soll er zahmer werden und stabiler fliegen, dann nimm schwere Paddel oder montiere Zusatzgewichte.

"Probieren" geht hier manchmal über "Studieren". Beachte die oben genannten Grundregeln und versuche mal verschiedene Änderungen am Rotorkopf zu machen. Du wirst schnell sehen welchen Einfluss die Änderungen haben. So kannst Du Dir die für Dich und Deinen Flugstil optimalen Rotorkopfeinstellungen "erfliegen". Es muss nicht immer Flybarless sein! Ein guter Paddelkopf bietet viele Möglichkeiten.


Rotordrehzahl und - Belastung

Die Rotordrehzahl ist maßgeblich für die Umfangsgeschwindigkeit der Rotorblätter. Was schätzt Du wie hoch wohl die Dreh- Geschwindigkeit an den Blattspitzen ist? Finde es hier mit unserem Blattgeschwindigkeit und Kreisflächenbelastung berechnen heraus.

Die Rotordrehzahl ist abhängig von folgenden Faktoren

Beim Messen der Rotordrehzahl mit einem elektronischen Gerät bitte immer äußerste Vorsicht walten lassen und genügend Sicherheitsabstand halten !

Für alle die kein Risiko eingehen wollen, hier mein Tipp:

  • Man kann die Rotordrehzahl auch ohne Rotorblätter messen. Dazu Haupt- und Hackrotorblätter ausbauen und die Drehzahl an den Blatthaltern messen! Das ist genau genug und man kann davon ausgehen, dass mit Blättern die Drehzahl auch nicht allzu viel niedriger sein wird.