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Rotorkopf am Modellhelikopter - Aufbau und Funktion



Funktionale Bauteile von Rotorköpfen

RC-Helikopter heli-planet.com Rotorkopf T-Rex 600 700 Flybarless FBL auf heli-planet.com
Als Rotorkopf wird im Allgemeinen die Gesamtheit der Mechanik auf der oberen Rotorwelle von Helikoptern bezeichnet. Der Rotorkopf als funktionale Gruppe, besteht aus den Hauptbaugruppen Rotorwelle, Taumelscheibe, Rotorkopf- Zentralstück, Blatthaltern und Anlenkungen für Blätter und Taumelscheibe.
Im Bereich der Modellhelikopter unterscheiden wir zwischen Rotorköpfen mit Paddel- Stabilisierung und solchen, die mittels elektronischer Systeme (Flybarless) stabilisiert werden.

Die Rotorkopf- Hauptkomponenten der bemannten Helikopter bestehen hauptsächlich aus Metall, sogar die Rotorblätter. In der Regel wird hier hoch-belastbares Aluminium als Werkstoff verwendet. Im Gegensatz dazu findet man bei Modellhelikoptern auch sehr oft faserverstärkten Kunststoff als Material für Blatthalter und auch für die Rotorblätter. Neben den Materialeigenschaften wie Festigkeit und Haltbarkeit, spielt natürlich auch das Gewicht eine Rolle, weshalb hier Aluminium und faserverstärkte Kunststoffe dominieren. Seltener werden auch Titanbauteile verwendet. Hochzäher und schlagfester Kunststoff bietet gegenüber Aluminium sogar einige Vorteile, da das Material in Grenzen elastisch temporär verformbar ist. Nach dem ersten Crash sind Kunststoffteile leider trotzdem oft zerbrochen, während Aluminium in hoher Qualität höheren Belastungen standhält.

Kunststoff ist nicht gleich Kunststoff ! Und gleiches gilt für alle anderen Materialien wie z.Bsp. auch für Metalle wie Aluminium. Um Geld beim Materialeinsatz zu sparen, werden Aluminium- Teile für den Modellbau oft aus minderwertigem Material gefertigt, ungeachtet des höheren Risikos. Auch wenn es sich hier nur um ein Hobby handelt, schlechte Materialqualität hat im RC Modellbau nichts zu suchen! An einem durchschnittlichen Modellheli- Rotorblatt werden Umfangsgeschwindigkeiten von teilweise über 500km/h erreicht. Minderwertiges Material hat hier absolut nichts zu suchen, schon gar nicht an den Rotorblättern! Billige Kopien einiger fernöstlicher Hersteller schädigen zu Unrecht den guten Ruf qualitativ sehr hochwertiger Ware aus Taiwan und anderen nichteuropäischen Ländern. Um eines klarzustellen - schlechte Qualität hat definitiv nichts mit dem Herkunftsland zu tun!

Für Interessierte gibt es hier das Tool Rotorkopf Drehzahl berechnen für einstufige Getriebe , mit welchem ermittelt werden kann, welche enormen Belastungen am Kopf auftreten

RC Heli Paddelkopf

Zweiblatt Rotor mit Paddel

Im Bild: Ein typischer Zweiblatt Rotorkopf mit Paddelstange zur Stabilisierung. Die Paddel-ebene liegt bei diesem Rotorkopf unter der Rotorblatt- Ebene. Es handelt sich hier um eine Rotorkopf- Konstruktion mit nacheilend angesteuerten Blatthaltern.

Bauarten, Varianten, Besonderheiten

Es gibt unterschiedliche Bauformen von Rotorköpfen, die sich dazu noch in diverse Varianten unterteilen.

Sie unterscheiden sich grundsätzlich bezüglich:

Anzahl der Rotorblätter

Neben den weit verbreiteten 2- Blatt Rotorköpfen gibt es auch Köpfe mit 3, 4, 5 oder mehr Rotorblättern. Eine größere Anzahl an Rotorblättern erhöht die effektive Rotorblattfläche und damit die Tragkraft des Helikopters. Moderne Lastenhelikopter für hohe Traglasten haben in der Regel mindestens 5 Rotorblätter.

Drehrichtung links oder rechts (CW,CCW)

In unseren Breiten dominiert im Modellbaubereich das rechtsdrehende System. Auf die Funktionsweise hat die Drehrichtung keinerlei Einfluss.

Stabilisierung und Anlenkungen - Paddel oder FBL

Es gibt Rotorköpfe mit Paddelstangen- Stabilisierung (Bell- Hiller Hilfsrotor), sowie Flybarless- (FBL) Rotorköpfe ohne Paddelstange. Während bei Paddelsystemen die Paddelstange die Stabilisierungsfunktion auf rein mechanische Weise übernimmt, erfolgt die Stabilisierung bei den FBL Systemen auf elektronischen Wege durch eine Sensor- Elektronik, die die Ansteuerung der Taumelscheibe übernimmt. 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.

Anzahl und Anordnung der Rotorkreisebenen

Es gibt Rotorköpfe mit nur 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 derselben Achse liegen, wie z. Bsp. beim Koaxial- Helikopter, oder in einem definierten Winkel zueinander stehen, wie das bei der Flettner- Konstruktion der Fall ist, wo zwei Rotoren ineinander "kämmen".

Hier mehr über Rotorkopf- Bauformen

Paddelstange - Bell/ Hiller

Im Gegensatz zu einem FBL- Rotorkopf wird beim Rotorkopf mit Paddelstange ein großer Teil der am Rotorkopf entstehenden Kräfte durch die Bell /Hiller- Mischung absorbiert. Dadurch können für Paddelrotorköpfe auch Servos mit etwas geringerer Stell- und Haltekraft verwendet werden, als für FBL- Rotorköpfe. Das war's dann aber auch schon mit den Vorteilen von Rotorköpfen mit Paddelstangen- Stabilisierung

Zweiblatt Rotor mit Paddel

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

Bell- und Hiller- Steuerung an Modellhubschraubern

An den meisten Paddel- 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 direkt an die Blatthalter übertragen wird. Der Bell Steueranteil wirkt direkt auf die Blattverstellung.

Hiller- Steuerung

Die Hiller- Steuerung erfolgt entgegen der Bell- Steuerung indirekt über die Paddelstange auf die Blatthalter. Die Paddelstangen- Ebene rotiert aufgrund der Zentrifugalkraft relativ stabil in ihrer Ebene. Diese stabile Rotation in der Ebene wird gestört bzw. verändert, sobald eine zyklische Steuerbewegung über die Taumelscheibe erfolgt. Diese zyklische Einsteuerung wird dann über ein als Hille- Arm bezeichnetes Rotorkopf- Element, als indirektes Steuersignal auf die Anlenkungen der Rotorblätter übertragen.

Bei Fixed Pitch Helikoptern wird eine reine Hiller- Steuerung eingesetzt. Hierzu ist jedoch eine spezielle Rotorkopf- Konstruktion erforderlich.

Bell-Hiller- Steuerung

Modellhelikopter können sowohl mit indirekter Hiller- Steuerung, als auch mit der direkten Bell- Steuerung, oder einer kombinierten Bell-Hiller- Steuerung geflogen werden. Eine Bell-Hiller- Steuerung ist eine Kombination aus Bell- und Hiller- Steuerung, mit direktem und indirektem Steueranteil. Am Hiller- Arm guter Paddelrotorköpfe kann durch Verwendung verschiedener Einhängepunkte der Hebel verändert werden. so wird unter anderem das Mischverhältnis von Bell zu Hiller eingestellt. Auf Grund der stabilisierenden Zentrifugalkraft der rotierenden Paddelstange erfolgt die Einmischung des Hiller Signals auf die Rotorblätter vergleichsweise weich und sanft.

Paddel Rotorkopf

Je größer der direkte (Bell) Steueranteil, umso direkter regiert das Modell auf zyklische Steuereingaben. Durch Erhöhung des direkten Steueranteils (Bell) vergrößern sich sowohl die zyklischen, als auch die kollektiven Pitchwerte.
Manche Pitchkompensatoren besitzen am Hiller- Arm diverse Bohrungen, um durch Veränderung der Einhängepunkte der Anlenkungen die Hebelwirkung des Kompensators verändern zu können. Damit lässt sich der zyklische Ausschlag einstellen. Kleinere Ausschläge machen das System stabiler aber auch weniger agil.

Elektronische Stabilisierung ohne Paddelstange (Flybarless- FBL)

In der heutigen Zeit findet man fast ausschließlich Modellhelikopter mit elektronischer Stabilisierung mittels sogenannter Flybarless- Systeme. Im direkten Vergleich mit Paddelrotorköpfen haben FBL- Rotorköpfe eine ganze Reihe an Vorteilen. Sie bieten mehr Stabilität im Flug, gleichen Windeinflüsse größtenteils aus und kommen mit sehr wenigen mechanischen Bauteilen am Rotorkopf aus. Sie beherrschen teilweise eine Rettungsfunktion, die auf Knopfdruck am Sender den Helikopter aus jeder erdenklichen Fluglage wieder in die Horizontale steuert und dadurch ein zusätzliche Sicherheit für Anfänger bringt.

Zweiblatt Rotor mit Paddel

Im Bild: Ein typischer FBL Kopf. Die Paddel-ebene fehlt. Die Anlenkung der Rotorblätter erfolgt direkt durch die Taumelscheibe ohne Umlenkungen.

FBL Systeme, Flybarless System Vergleich

Voreilende Anlenkung und Nacheilende Anlenkung der Rotorblätter

Voreilende Anlenkung der Rotorblätter

Voreilende Anlenkung der Rotorblätter

Das Bild zeigt die Draufsicht eines Rotorkopfes. Bei dem gezeigten Rotorkopf befindet sich die Rotorblatt- Anlenkung bezogen auf die Drehrichtung vor dem Blatt. Die Anlenkung eilt dem angesteuerten Rotorblatt voraus und wird daher voreilende Anlenkung genannt. Das ist unabhängig davon, ob es sich um einen Rotorkopf mit Paddeln oder einen FBL- Rotorkopf handelt.

Bei Paddel- Rotorköpfen ist der Hiller- Anteil (indirekter Anteil), bezogen auf das Bell-Hiller- Mischverhältnis, bei voreilend angesteuerten Paddelköpfen auf einen Wert von max. 50% begrenzt.

Voreilende Anlenkung der Rotorblätter

Nacheilende Anlenkung der Rotorblätter

Das Bild zeigt die Draufsicht des Rotorkopfes. Die Blattanlenkung befindet sich in Drehrichtung gesehen hinter dem angelenkten Rotorblatt. Sie eilt dem Blatt nach. Man spricht von nacheilender Blattanlenkung.

Bei Paddel- Rotorköpfen kann mit einer nacheilenden Blattanlenkung der Hiller- Anteil (indirekter Steueranteil) deutlich erhöht werden.

Rotorkopf Zentralstück mit Blattlagerwelle, Dämpfung und Blatthalter

Blattlager

Rotorkopfdämpfung – Aufhängung der Blatthalter

Bei Zweiblatt- Rotorköpfen von Modellhelikoptern verwendet man in der Regel eine durchgängige Welle, an deren Enden die Blatthalter befestigt sind. Diese Welle wird als Blattlagerwelle bezeichnet und ist an beiden Enden in einem Gummidämpfer gelagert. Diese Rotorkopfdämpfung hat die Aufgabe, dem Rotorblatt im Flug eine minimale Bewegung nach oben oder unten zu ermöglichen. Dies ist wichtig für einen schnellen und stabilen Geradeausflug, denn durch die "Schlagbewegung" werden unterschiedliche Anström- Geschwindigkeiten von vorlaufendem und rücklaufendem Rotorblatt ausgeglichen.

Die Gummidämpfer moderner Rotorköpfe von Flybarless- Helikoptern sind im Vergleich zu den Gummidämpfern von Paddel- Rotorköpfen relativ hart und erinnern eher an Hartplastik als an Gummi. Das findet seinen Grund in der Arbeitsweise der Flybarless- Systeme. Diese verwenden PID Regelkreise und sind daher auf eine möglichst direkte Reaktion angewiesen. Jegliches Spiel in den Anlenkungen und jede weiche Dämpfung, würden zu Verzögerungen der Reaktionsbewegung des Helikopters führen, und somit für Probleme im PID Regelkreis sorgen. Das hätte unmittelbare Auswirkungen auf die Flugstabilität.

An Rotorköpfen mit mehr als zwei Rotorblättern sind die Blatthalter an angeflanschten Blattlagerzapfen befestigt.

Für Paddel- Rotorköpfe gilt:

Die Gummi- Härte wird in Shore angegeben. Umso größer die Shorezahl, umso härter der Gummi. Der Fachhandel hält hier eine große Auswahl bereit.

Blattlager Detail

Im Bild zu sehen ist die Darstellung eines Rotorblatthalters. Dieser ist drehbar gelagert und ermöglicht so eine Veränderung des Pitchwinkels.

Flugstabilität und Agilität am Paddel- Rotorkopf einstellen

Am Paddel- Rotorkopf wirken sich viele Faktoren direkt und indirekt auf die Flugstabilität und die Agilität des Helikopters aus. Durch Verändern einzelner Parameter kann man die Flugeigenschaften beeinflussen. Erst das Zusammenspiel aller Parameter ergibt das Gesamt- Flugverhalten. Im Folgenden sind einige Faktoren näher erläutert:

Die maximal zulässige Länge der gesamten Paddelstange (von einem Ende zum anderen Ende gemessen) ist etwa 30% des Rotorkreisdurchmessers.

"Probieren" geht hier manchmal über "Studieren".