Die Taumelscheibe
...das Herzstück des Rotorkopfes

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Die Taumelscheibe (engl. Swash Plate)

Die Taumelscheibe ist ein wesentliches Steuerungselement beim Helikopter, das die Steuereingaben auf den Rotor, bzw. auf die sich drehenden Rotorblätter überträgt. Die Taumelscheibe ist um die Rotorwelle herum gelagert und lässt sich axial (hoch und runter) auf der Rotorwelle verschieben. Auf diese Weise wird der kollektive Pitchwinkel (kollektiver Anstellwinkel der Rotorblätter) gesteuert. Um weitere Steuereingaben weiterzuleiten lässt sich die Taumelscheibe zudem horizontal, also quer zur Rotorwelle in alle Richtungen neigen bzw. kippen. Durch die Neigung werden Roll und Nick- Steuereingaben auf die Blätter übertragen. Die Bezeichnung Taumelscheibe rührt daher, dass der obere Teil, der sich mit dem Rotor mit dreht, bei Neigung je eine Taumelbewegung pro Rotorumdrehung zeigt.

Taumelscheiben, mit denen zyklisches Pitch und kollektives Pitch gesteuert werden kann nennt man auch CCPM Taumelscheiben (Cyclic Collective Pitch Mixing). Im Folgenden beschreibe ich die Funktion von CCPM Taumelscheiben.


Aufbau einer Taumelscheibe

Die Taumelscheibe besteht aus einem inneren und einem äußeren Ring. Am äußeren Ring, der sich nicht mit der Rotorwelle mit dreht, befinden sich die Gelenkkugeln für die Befestigung der Nick- und Rollservo- Gestänge.

In unserem Fall im Bild sehen wir eine H3 120° Taumelscheibe.

Am inneren Taumelscheibenring sind vier Gelenkkugeln zu sehen, je zwei gegenüberliegende für die TS- Mitnehmer, sowie für die Pitch- Gestänge. Im Zentrum der TS ist eine Gleitbuchse angebracht, durch die die Hauptrotorwelle geführt wird und mithilfe derer sich die TS auf der Rotorwelle nach oben und unten bewegen kann. Im Grunde sind Taumelscheiben für Flybar und Flybarless -helis gleich aufgebaut.

Taumelscheibe Animation

  • 1) Innerer TS- Ring
  • 2) Äußerer TS- Ring
  • 3) (a und b) Anlenkpunkte für Roll rechts und Roll links
  • 4) Anlenkpunkt für Nick
  • 5) (a und b) Gelenkkugeln für Taumelscheibenmitnehmer
  • 6) (a und b) Gelenkkugeln für Anlenkgestänge Rotorblattverstellung
  • 7) Gleitbuchse/ Durchführung für die Rotorwelle

Eine solche Taumelscheibe kann sowohl mit dem Anlenkpunkt für Nick in Flugrichtung als auch gegen die Flugrichtung montiert werden.

Innerer und äußerer Taumelscheibenring

Die Taumelscheibe besteht immer aus einem sich drehenden Innenteil und einem sich nicht mit drehenden Außenteil, über den die Steuerbefehle der TS-Servos zunächst auf den inneren Taumelscheibenring und dann über weitere Gestänge an die Rotorblätter übertragen werden.

Taumelscheibe Animation
Innerer und äußerer Taumelscheibenring
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Wunderwerk der Technik, aber eigentlich ganz simpel. Das Bild zeigt den Rotorkopf mit der Taumelscheibe. Der Rotor ist abwechselnd im Stillstand und beim Drehen zu sehen. Es ist gut zu erkennen, dass der äußere (untere) Ring der Taumelscheibe sich nicht mit dreht. Er ist auf dem inneren Ring gelagert und überträgt beim Steuern die Servobewegungen auf den sich mit der Rotorwelle drehenden inneren Ring. Der äußere Ring steht fest und der innere Ring dreht sich mit der Rotorwelle.


Kollektiver Pitchwinkel

Die Taumelscheibe ist um die Rotorwelle herum gelagert und lässt sich axial (hoch und runter) auf der Rotorwelle verschieben. Auf diese Weise wird das kollektive Pitch (kollektiver Anstellwinkel der Rotorblätter) gesteuert.

Taumelscheibe Animation

Kollektive Pitchverstellung/ Blattverstellung
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Im Bild die Taumelscheibe eines Flybarless T-Rex 600 Rotorkopfes von seitlich vorn auf den Heli geschaut. Der Nickhebel ist bei diesem Heli hinten. Zu erkennen ist die gleichmäßige Auf- und Abwärtsbewegung der Taumelscheibe. Dazu müssen alle 3 TS Servos sich gleich schnell und gleich weit bewegen. Wer genau hinschaut, der erkennt, dass sich dabei der Anstellwinkel der Rotorblätter ändert.


Zyklischer Pitchwinkel

Während der Kollektive Pitchwinkel über eine gesamte Rotorumdrehung von 360° gleich bleibt, verändert sich der zyklische Pitchwinkel während einer Rotorumdrehung. Zyklisches Pitch wird über das Kippen der TS in beliebige Richtungen erwirkt. Dieses Kippen wird erreicht, indem die TS- Servos unterschiedliche Positionen einnehmen.

Taumelscheibe Animation

Zyklische Pitchverstellung am Beispiel ROLL rechts, Rotorblätter quer
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Taumelscheibe - von vorn auf den Heli geschaut.
Zu sehen ist die Roll- Bewegung der Taumelscheibe nach rechts. Genauso kann die Taumelscheibe nach links (Roll links) gekippt werden. Roll ist eine zyklische Pitch Bewegung. Wer genau hinschaut, der erkennt, dass Roll keinen Einfluss auf den Anstellwinkel der Rotorblätter hat, wenn diese sich seitlich vom Helikopter befinden. Die leichte Bewegung im Bild resultiert nur aus einer nicht genau 90° quergestellten Rotorblattachse.

Taumelscheibe Animation

Zyklische Pitchverstellung am Beispiel ROLL rechts, Rotorblätter längs
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Taumelscheibe - von vorn auf den Helikopter geschaut.

Im Bild die selbe Taumelscheibe und die gleiche Rollbewegung der Taumelscheibe - aber die Rotorblätter stehen diesmal längs zur Flugachse. Klar zu sehen ist, dass in dieser Position sehr wohl ein Einfluss auf den Anstellwinkel vorhanden ist. Das nach vorn zeigende Rotorblatt wird in den negativen Pitchbereich gelenkt, das nach hinten zeigende Blatt wird entgegengesetzt in den positiven Pitchbereich gelenkt.

Taumelscheibe Animation

Zyklische Pitchverstellung am Beispiel NICK
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Taumelscheibe - von der Seite auf den Helikopter geschaut. Zu sehen ist hier eine Push-Pull Anlenkung.

Die Bewegung der Taumelscheibe ist eine Nickbewegung von Nick ganz nach hinten über neutral bis Nick ganz nach vorn und wieder zurück. Nick ist genau wie Roll eine zyklische Pitch- Steuerbewegung. Bei einer reinen Nick- Steuerbewegung dreht der Heli um die Querachse.

Während der kollektive Anstellwinkel der Rotorblätter über die Auf- bzw. Abwärtsbewegung der Taumelscheibe gesteuert wird, hängt der zyklische Blattanstellwinkel lediglich von der Neigung der Taumelscheibe ab. Beides zusammen bestimmt letztendlich den Anstellwinkel der Rotorblätter.

Symmetrie der Taumelscheibenanlenkung

Eine symmetrische Taumelscheibenanlenkung hat Vorteile. Es ist nicht unbedingt erforderlich, dass eine TS- Ansteuerung/ Anlenkung genau symmetrisch erfolgt. Um aber zu verstehen was damit gemeint ist, hier die Erklärung. Selbst wenn eine Taumelscheibe symmetrisch angeordnete Anlenkpunkte hat, wie die erste TS ganz links im Bild (je 120° Abstand), sind die Kraftvektoren noch lange nicht symmetrisch.

Im Bild zu sehen ist der Einfluss der Anordnung der Anlenkpunkte ( am Beispiel einer H3 120° TS) auf die Kraft- Symmetrie der Anlenkung. Nur die dritte Anlenkung ist wirklich symmetrisch bezogen auf das Steuerverhalten. (Schema. Draufsicht auf die Taumelscheibe)

RC- Heli Fliegen Grundlagen

Eine symmetrisch aufgebaute Anlenkung muss nicht automatisch symmetrisch arbeiten! Die dritte im Bild abgebildete Anlenkung (Hirobo SWM 135°/90°) hat zwar einen asymmetrischen Aufbau, ist in der Arbeitsweise jedoch vollkommen symmetrisch. In der Praxis sind symmetrisch aufgebaute Konstruktionen (im Bild links) am häufigsten anzutreffen.

Eine Taumelscheibe mit asymmetrischen Kraftvektoren (auch wenn sie symmetrisch aufgebaut ist) bedeutet in der Praxis, dass trotz Verwendung baugleicher Servos und Servoarme an der Taumelscheibe (und gleich langer Gestänge), die übertragenen Kräfte und Wege im Bezug zum Zentrum der Taumelscheibe bei Nick- und Rollservo nicht identisch sind.

Ich will hier nicht näher auf dieses Thema eingehen, da es nicht so sehr von Belang ist für den Piloten, sondern eher für die Konstrukteure.


Taumelscheiben Typen

Nicht alle Taumelscheiben sind gleich. Es wird zwischen verschiedenen Typen der Anlenkung unterschieden.

So gibt es Taumelscheiben mit 3 und auch Taumelscheiben mit 4 Anlenkpunkten. Diese brauchen dann auch 4 statt nur 3 Servos. Des Weiteren gibt es unterschiedliche Winkel zwischen den Anlenkpunkten. Sehr verbreitet ist die H3 120°. Aber auch H3 140° und H4 90° sind verbreitet. Die H3 90° ist wegen des fehlenden zweiten Nickservo etwas nachteilig was die Kraft der Nickbewegung angeht. Die H4 90°+45° nimmt eine Sonderstellung ein, da jeweils bei Nick- und Rollbewegungen alle vier Servos in Aktion sind. Daher gibt es auch keine Zuordnung Nick bzw. Roll.

Hier die geläufigsten Taumelscheibentypen

Taumelscheibentypen
Im Hobbybereich werden heute bei CCPM - Helis fast ausschließlich 3-Punkt Taumelscheiben verwendet. Das spart zunächst die Kosten für ein viertes Taumelscheibenservo. Die Taumelscheiben mit 4-Punkt Anlenkung benötigen zwar 4 Servos, haben dafür aber einen ganz entscheidenden Vorteil gegenüber den 3-Punkt angelenkten Taumelscheiben. Dieser Vorteil überwiegt die Zusatzkosten für den vierten TS- Servo bei weitem.
Während bei sämtlichen 3-Punkt angelenkten Taumelscheiben schon bei Ausfall eines einzigen Servos die Steuerbarkeit des Helikopters gleich Null ist, kann mit den 4-Punkt angelenkten TS noch mit Notflugeigenschaften weitergeflogen und gelandet werden. Aus diesem Grund besitzen fast alle besseren Scale Modelle eine Taumelscheibe mit 4-Punkt- Anlenkung und natürlich auch 4 Servos. Wer möchte schon einen mehrere tausend Euro teuren Scale Heli, in dem zudem viele hundert Stunden Arbeit stecken, wegen des Ausfalls eines einzigen TS-Servos verlieren?
Es bedarf wohl keiner weiteren Erklärung warum im Hobbysektor trotzdem überwiegend nur 3-Punkt TS Verwendung finden! Mit Ersatzteilen wird sehr viel Geld verdient!

Winkelvorlauf


Wer sich bereits mit dem Thema Heli Pitchwinkel einstellen befasst hat, dem sollte aufgefallen sein, dass der zyklische Pitchwinkel für Nick am quer zur Längsachse zeigenden Rotorblatt eingestellt wird und der zyklische Pitchwinkel für Roll am Rotorblatt, welches parallel zum Heckrohr steht. Doch das macht eigentlich gar keinen Sinn, oder?

Richtig, ist aber trotzdem so!