Vibrationen lösen jede noch so feste Verbindung, haben negativen Einfluss auf Gyrosensor und Elektronik und haben materialermüdende Effekte

RC Helikopter heli-planet.com Vibrationen am Heli
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Wie äußern sich Vibrationen am Modellhubschrauber?

Vibrationen sind schwingende Bewegungen, die als Schütteln oder heftiges Zittern wahrgenommen werden. Vibrationen enthalten Energie und sind oft nicht nur zu fühlen, sondern auch zu sehen und zu hören. Die Energie für Vibrationen am RC Helikopter wird ursprünglich immer aus der Antriebsenergie bezogen. Man könnte eigentlich auch von fehlgeleiteter Antriebsenergie sprechen. Vibrationen haben miunter vielfältige Ursachen.

Am Modellhubschrauber finden wir Teile die mit hoher Drehzahl rotieren.

Daher treten Vibrationen im Vergleich zu anderen RC- Modellen relativ häufig auf.

Ein gänzlich Vibrationsfreier Lauf eines Modellhelikopters ist kaum möglich.

Die Ursachen sind oft sogar selbst verschuldet. Meist werden Vibrationen durch mangelnde Genauigkeit oder gar Nachlässigkeit bei Montage- und Einstellungsarbeiten herbeigeführt. Selbst geringe Unwuchten durch Gewichtsunterschiede, unsymmetrische Einstellungen am Rotorkopf oder Verformungen an den Rotorblättern oder anderen Teilen können bereits merkliche Vibrationen hervorrufen. Das schlimme daran ist, dass man mit dem Auge oft nichts entdecken kann, aber fühlen kann man Vibrationen immer.

Um Vibrationsursachen ausfindig zu machen, muss man oft mühsam Teil für Teil kontrollieren und nach dem Ausschlussverfahren vorhen.

Man unterscheidet zwischen niederfrequenten Vibrationen, die sich in einem Schütteln bzw. Wackeln des Helikopters äußern, und hochfrequenten Vibrationen, die sich in einem fühlbaren Summen und Brummen manifestieren. Bereits anhand ihres Erscheinungsbildes kann man auf die Ursache von Vibrationen deuten.


Vibration ist nicht gleich Vibration - Merkmale von Vibrationen

Vibrationen sind durch Merkmale gekennzeichnet. Diese kann man mit dafür bestimmten Geräten messen und damit Rückschlüsse auf die Entstehungsursache ziehen. Diese Möglichkeit steht den wenigsten Modellfliegern zur Verfügung

Frequenz (Schwinggeschwindigkeit)

Die Vibrationsfrequenz gibt an, mit welcher Geschwindigkeit die Vibrationen (Schwingungen) auftreten. Die Einheit für die Frequenz ist Hz (Hertz) = Schwingungen pro Sekunde.

Vibrationen sind allerdings auf keine feste einzelne Frequenz reduzierbar, sondern fast immer eine Mischung aus den unterschiedlichsten Frequenzen, die sich teilweise überlagern können.

Amplitude (Schwingweg)

Die Amplitude bzw. der Schwingweg gibt an, welchen Weg ein schwingendes (vibrierendes) Bauteil während einer Schwingungsperiode zurücklegt. Der Schwingweg wird in mm / s (Millimeter pro Sekunde) angegeben.

Umso höher die Schwing- Frequenz und umso höher die Schwing- Amplitude, umso höher ist der Energieinhalt der Schwingung.


Häufige Ursachen für Vibrationen an Modellhelikoptern

Die häufigsten Ursachen für Schütteln oder Wackeln des Helikopters bei anlaufendem Rotor und noch niedriger Rotordrehzahl

  • zu fest angezogene Rotorblatthalteschrauben
    • Zu fest sitzende Hauptrotorblätter verhindern ein frühzeitiges selbsttätiges "Geraderichten" der Rotorblätter durch die Fliehkraft. Diese Schwingungen verschwinden bei höherer Drehzahl wieder. Umso fester die Blatthalteschrauben angezogen sind, umso höher muss die Drehzahl steigen bevor sich die Blätter gerade ausrichten! Ein kurzes, ganz leichtes Schütteln des Helikopters während des Anlaufens des Rotors ist aus diesem Grunde durchaus normal. Die Blatthalteschrauben dürfen daher nie zu fest angezogen werden!
  • verbogene Hauptrotorwelle
    • Auch verbogene Hauptrotorwellen können ein Schütteln des Helikopters während des Hochlaufens des Rotors verursachen. Mit steigender Drehzahl steigt auch die Frequenz des Schüttelns. Oft hat man den Eindruck, dass die Vibrationen sich bei höherer Drehzahl vermindern oder gar verschwinden, aber das ist ein Irrtum, da lediglich die Frequenz ansteigt und wir als Menschen dazu neigen, hauptsächlich niederfrequente Vibrationen als "gefährlich" zu erachten.
  • verbogene Blattlagerwellen
    • Verbogene Blattlagerwellen verursachen eine Abweichung im Blattspurlauf. Aber auch Vibrationen können eine Folge verbogener Blattlagerwellen sein.

Häufigste Ursachen für höherfrequente Vibrationen des Helikopters (Vibration wird oft bei höherer Drehzahl schlimmer)

  • zu fest angezogene oder beschädigte unwuchtige Heckrotorblätter
    • Oft äußert sich das in einem kräftigen Summen und Brummen, ähnlich einem anfliegenden Bienenschwarm. Heckrotorblätter müssen immer noch leicht beweglich im Halter sitzen und dürfen keinesfalls klemmen. Da sich der Heckrotor mit 4 bis 5 facher Hauprotordrehzahl dreht, sind hier große Kräfte im Spiel, die wir als Mensch durch die relativ hohe Schwingfrequenz oft als wenig gefährlich betrachten. Doch das Gegenteil ist der Fall. Vorsicht bei solchen hochfrequenten Vibrationen ist geboten!
  • nicht oder schlecht gewuchtete oder beschädigte Hauptrotorblätter
    • Die Schwingfrequenz steigt hier oft mit der Rotordrehzahl an. Gerade Anfänger sollten daher immer auf hochwertige fertig gewuchtete GFK oder CFK Rotorblätter zurückgreifen. Finger weg von Holzrotorblättern! Diese gehören nicht auf moderne Modellhelikopter, sondern allenfalls auf Nostalgie- Drehflügler und in erfahrene Fliegerhände!
  • unrund laufende Zahnräder oder zu wenig Zahnflankenspiel zwischen Ritzel und Hauptzahnrad
    • ein unrundes Hauptzahnrad schlägt mindestens ein Mal je Umdrehung gegen das Motorritzel und erzeugt so eine Schwingung. Diese ändert ihre Frequenz relativ zur Drehzahl des Rotorkopfes. Zu geringes Zahnflankenspiel zwischen Motorritzel und Hauptzahrad kann die selben Effekte haben.
  • defekte Lager
    • Durch defekte Lager verursachte Vibrationen sind zwar höherfrequent, besitzen meistens jedoch nur wenig Energie. Trotzdem sollte man sich bei Verdacht die Arbeit machen und sämtliche Lager prüfen, Folgeschäden sind sonst vorprogrammiert. Lagerschäden an Radiallagern (z.Bsp. Hauptrotorwellen- Lager) entstehen häufig durch starken axialen Druck auf die Lager. Nur Drucklager (Axiallager) können Kräfte in axialer Richtung aufnehmen ohne Beschädigt zu werden.
  • lockere Schraubverbindungen
    • Selbst lockere Schraubverbindungen am Chassis können Vibrationen verursachen, verstärken oder die Charakteristik von bereits vorhandenen Vibrationen beeinflussen, da hierdurch die Verwindungssteifigkeit des Hauptrahmens herabgesetzt wird.

Negative Auswirkungen von Vibrationen

Vibrationen können eine Dynamik entwickeln, so dass rotierende Teile abreißen oder andere Bauteile des Helikopters beschädigt werden. Bereits eine geringe Unwucht an einem Rotorblatt des Heckrotors kann eine solche Kraft entwickeln!

Gerade bei Scale- Modellen können Vibrationen gravierende Schäden verursachen. Das ist dann der Fall, wenn die Vibrationsenergie sich an einer Stelle am Heli bündelt und überlagert. So verändern sich bereits vorhandene leichte Vibrationen (meist am Heck sichtbar) oft schlagartig in ein so starkes Schütteln des RC Helikopters, dass ganze Baugruppen brechen, abfallen oder zumindest stark beschädigt werden. Es ist daher dringend anzuraten, Scale- Hubschrauber absolut vibrationsfrei zu halten und jeder sichtbaren Vibration auf den Grund zu gehen!

Es gibt auch immer wieder Fälle, bei denen Modellhubschrauber durch Vibrationen niederer Frequenz (Schütteln) umgeworfen und beschädigt werden. Gerade FBL Systeme können derart negativ durch Vibrationen beeinflusst werden, dass sie im Extremfall vorhandene Vibrationen noch verstärken.

Vibrationen haben nicht nur direkte Folgen, sondern wirken auch indirekt negativ auf Sensoren ein, wie wir sie z. Bsp. in FBL Systemen und Heckkreiseln finden. Auch elektronische Bauteile wie Regler, Empfänger und BEC können durch Vibrationen beschädigt werden, da sich interne elektronische Bauteile durch Vibrationen lösen können, bzw. beschädigt werden.

Vibrationen sind der häufigste Grund für das Lösen von Verschraubungen.


Kritische und unkritische Vibrationen am Modellheli

Wie bereits unter "Merkmale von Vibrationen" erläutert, unterscheiden sich Vibrationen in der Höhe der Amplitude und der Schwingfrequenz. Je höher die Amplitude und je höher die Frequenz, umso größer die Stärke der Vibration.

Die Mischung aus Amplitude und Frequenz macht den Unterschied zwischen gefährlichen Vibrationen und weniger gefährlichen Vibrationen.

Vibrationen einer geringeren Frequenz mit einem geringen Schwingweg sind weniger energiereich als Vibrationen mit höherer Frequenz und größerem Schwingweg.

Vibrationen nur anhand der visuellen Beobachtung zu beurteilen wäre grob fahrlässig.


Vibrationen am Heli auf der Spur - die Ursachensuche

Hat man einmal Vibrationen sollte man die folgenden Punkte abchecken:

  • Sind die Rotorblätter richtig gewuchtet und nicht beschädigt? Holzrotorblätter nicht verwenden! Ich empfehle etwas teurere, dynamisch gewuchtete GFK oder CFK Blätter, die bereits als zusammengehörendes Paar bzw. Set angeboten werden. Finger weg von Billigware - die muss unter Umständen auf andere Weise teuer bezahlt werden! Heute muss niemand mehr wirklich Blätter selbst wuchten. Das bekommt man auch selbst keinesfalls annähernd so gut hin, wie die Hersteller hochwertiger Rotorblätter.
  • Sind die Rotorblätter auch nicht zu fest oder zu locker angezogen? Sie müssen sich unbedingt gerade noch mit der Hand im Halter bewegen lassen, sollten jedoch so fest angezogen sein, dass sie sich nicht von selbst bewegen, wenn man den Heli zur Seite kippt! Sind sie zu fest, kann sich der Heli beim Anlauf des Hauptrotors (bei noch nicht 100% gerade ausgerichteten Blättern) schütteln und unter Umständen sogar umfallen. Sind die Blätter zu locker, verdrehen sie sich beim Anlauf des Rotors und dies führt ebenfalls zu Unwuchten. Blätter also ausreichend stark anziehen, vor dem Start beide Blätter so weit wie möglich am Ende mit den Händen packen und kräftig ziehen, um die Blätter so gut wie möglich gerade auszurichten. Eine leichte Unwucht während der ersten 2 bis 3 Rotorumdrehungen ist nicht weiter schlimm. Danach richten sich die Blätter durch die mit steigender Drehzahl steigende Fliehkraft von selbst weiter gerade aus.
  • Haben die Blatthalter Spiel zur Blattlagerwelle? Hier sollte möglichst kein Spiel vorhanden sein!
  • Ist die Haupt- oder Heckrotorwelle, oder die Blattlagerwelle bzw. sonstige Wellen verbogen? Hier hilft manchmal nur Ausbau und ein Glasplattencheck. Dabei wird die Welle über eine Glasplatte gerollt. Wenn sie eiert, dann weg damit!
  • Ist die Paddelstange krumm? Wer mit verbogener Paddelstange fliegt, riskiert Vibrationen und noch viel mehr!
  • Ist die Paddelstange auf beiden Seiten ganz exakt gleich lang? Ist sie das nicht, dann entstehen unterschiedliche Fliehkräfte auf beiden Seiten der Paddelstange! Dadurch entstehen Vibrationen.
  • Haben eventuell an der Paddelstange angebaute zusätzliche Paddelgewichte den gleichen Abstand zur Rotorwelle und sind beide Gewichte identisch?
  • Sind die beiden Paddel exakt identisch in Form, Abmessungen und Gewicht - und weisen sie auch keine Beschädigungen auf?
  • Sind die Paddel vom Winkel her auf beiden Seiten exakt gleich eingestellt?
  • Sind die Anlenkungen aller Rotorblätter gleich eingestellt? Spurlauf- Ungenauigkeit deutet hier schon auf gravierende Fehler hin!
  • Sind die Dämpfergummies in Ordnung?
  • Ist genügend Flankenspiel zwischen Antriebsritzel und Hauptzahnrad vorhanden? Mehr Flankenspiel ist immer besser im Sinne der Vibrations- Vermeidung! Ist das Flankenspiel zu gering, dann kann schon ein nur sehr geringfügig eierndes Hauptzahnrad zu Vibrationen führen. Daher auch auf die Qualität, Maßhaltigkeit und den Rundlauf des Hauptzahnrades achten. Die Zahnräder möglichst flach liegend lagern, bei nicht zu hohen Temperaturen, sonst droht ein Verziehen.
  • Sind alle Teile richtig angeschraubt und nichts locker?
  • Sind alle Lager in Ordnung? Regelmäßige Lagerkontrolle und Lagerwechsel sind wichtig.
  • Bei FBL- Helis mit langen Kugelköpfen an den Blatthaltern sind diese Kugelköpfe manchmal nach einem nur leichten Crash direkt über dem Gewinde verbogen. Auch wenn man mit bloßem Auge nichts erkennt, hier hilft zur Kontrolle nur Herausschrauben der Kugelköpfe. Wenn der Kugelkopf beim Ausdrehen eiert, dann muss er unbedingt gewechselt werden. Lässt er sich ohne eiernde Bewegung herausdrehen, dann kann er erneut mit Schraubensicherung wieder eingeschraubt werden.
FBL Kugelkopf Blatthalter verbogen - Vibrationen und unstimmiger Blattspurlauf können die Folge sein

Heftiges Schütteln bei geringer Drehzahl beim Anlaufen und beim Auslaufen des Rotors

Problem

Dein Helikopter schüttelt sich nach dem Start des Rotors schon bei geringer Drehzahl, so als wolle er gleich umfallen? Bei steigender Drehzahl verschwinden die Vibrationen wieder oder schwächen ab?

Mögliche Ursachen und Abhilfen

Ursachen Abhilfe
das Hauptzahnrad läuft unrund oder hat zu wenig Spiel Flankenspiel erhöhen, oder Zahnrad wechseln
Blattlagerwelle ist krumm prüfen, evtl. wechseln
Unterschiedliche Längen an den Rotorgestängen Gestänge kontrollieren, Spurlauf- Ungenauigkeit deutet hier schon auf gravierende Fehler hin!
Paddelstangen ungleich lang oder krumm, Gewichte und/oder Paddel haben ungleichen Abstand zur Welle oder sind ungleich schwer nachmessen, Gewichte kontrollieren, Stange gegebenenfalls wechseln
Hauptrotorwelle krumm oder Kopf-Zentralstück locker bzw. schief aufgeschraubt oder verbogen ausbauen und prüfen, evtl. wechseln
Lose Teile alles auf festen Sitz kontrollieren
starke Unwucht der Rotorblätter Rotorblätter ausbalancieren, Holzrotorblätter meiden, nur qualitativ hochwertige, fertig gewuchtete Blätter verwenden

Häufigste Ursache

Die Rotorblätter kann man von Hand vor dem Start nicht millimetergenau ausrichten. Das ist auch gar nicht nötig. Die Rotorblätter richten sich bei höherer Drehzahl durch die stark zunehmende Fliehkraft von selbst fluchtrecht aus. Eventuell sind die Rotorblätter zu fest angeschraubt. Hat man den Rotor aber einmal hochgefahren, dann sind die Blätter ausgerichtet und beim Runterfahren der Drehzahl nach dem Landen und bei einem folgenden Neustart sollten die Vibrationen dann verschwunden sein.

Weitere Ursachen

Sollte sich jedoch nach dem Landen, beim Abstellen des Rotors der ganze Heli genau wie beim Hochlaufen des Rotors schütteln, dann kommen folgende weitere Ursachen dafür in Frage?


Vibrationen bei höherer Drehzahl

Problem

Der Helikopter vibriert bei höheren Drehzahlen, die Vibrationen sind im niederen Drehzahlbereich nicht oder nur wenig spürbar.

Mögliche Ursachen und Abhilfen

Ursachen Abhilfe
Lager defekt kontrollieren und gegebenenfalls wechseln, Lager der Hauptrotorwelle und der Blatthalterwelle regelmäßig kontrollieren und wechseln, Motorlager prüfen
Zahnräder ausgefressen kontrollieren und gegebenenfalls wechseln
Blattlagerwelle krumm kontrollieren und gegebenenfalls wechseln
leichter Schlag an der Hauptrotorwelle ausbauen und prüfen, evtl. wechseln
Lose Teile alles auf festen Sitz kontrollieren
Heckrotorwelle verbogen oder Lager defekt (man hört ein Brummen) kontrollieren und gegebenenfalls wechseln
Heckrotorblätter nicht i. O. (man hört ein Brummen) kontrollieren und gegebenenfalls wechseln, Wuchtkontrolle, Gewichtskontrolle
Heckriemen zu stark gespannt oder Zähne ausgebrochen kontrollieren und gegebenenfalls wechseln
Paddel und Paddelstange nicht i. o. (evtl. Paddel verdreht) kontrollieren und gegebenenfalls wechseln
leichte Unwucht der Rotorblätter

Rotorblätter ausbalancieren, kontrollieren


Vibrationen am Haupt- Rotorkopf

Treten Vibrationen am Rotorkopf auf, dann geht man schrittweise nach dem Ausschlussverfahren vor und prüft die folgenden Punkte ab:

  • Rotorblätter abbauen (auch Heck) - Rotor ohne Blätter laufen lassen - Vibrationen weg?
Vibrationen am Modellhelikopter beseitigen, wie geht das?
OK - Ursache identifiziert
  • Ursache an den Rotorblättern suchen!
Vibrationen am Modellhelikopter beseitigen, wie geht das?
OK - Ursache identifiziert
  • Paddelstange abbauen - Rotor ohne Paddelstange laufen lassen - Vibrationen weg ?
Vibrationen am Modellhelikopter beseitigen, wie geht das?
OK - Ursache identifiziert
  • Ursache an der Paddelstange und den Paddeln suchen!
Vibrationen am Modellhelikopter beseitigen, wie geht das?
OK - Ursache identifiziert
  • Rotorkopfzentralstück inklusive Taumelscheibe abbauen - Nur Rotorwelle laufen lassen - Läuft die Rotorwelle tadellos rund ?
Vibrationen am Modellhelikopter beseitigen, wie geht das?
OK - Ursache identifiziert
  • Ursache am Rotorkopf und dessen Befestigung, der Taumelscheibe, den Anlenkgestängen und Kugelköpfen und vor allem Kugelköpfen mit Verlängerung z. Bsp. bei FBL suchen!
Vibrationen am Modellhelikopter beseitigen, wie geht das?
OK - Ursache identifiziert
  • Rotorwelle und Lager sowie Lagerspiel kontrollieren und gegebenenfalls wechseln, Hauptzahnrad und dessen Flankenspiel zum Ritzel kontrollieren / gegebenenfalls wechseln, die parallele Ausrichtung der Lager kontrollieren - kannst Du die Welle leicht durch alle Lager schieben?

Gefährliche Vibrationen am Heckrotor

Hier kann man ähnlich vorgehen wie beim Hauptrotor.

  • Da der Heckrotor mit der vielfachen Drehzahl des Hauptrotors dreht, ist ihm ganz besondere Beachtung zu schenken!
  • Vibrationen am Heckrotor sind höherfrequent und erscheinen uns dadurch weniger gefährlich, aber das ist ein Trugschluss. Bereits durch geringe Beschädigungen der Blätter kann eine Unwucht entstehen, die sich zunächst durch ein Surren bzw. Brummen äußert und später zum Totalverlust eines oder beider Heckrotorblätter führen kann. Davonschießende Heckrotorblätter können beträchtliche Geschwindigkeiten erreichen.
  • Für Heckrotoren und die Heckrotor- Blätter gilt also das gleiche, wie für die Hauptrotorblätter. Qualität! Das bedeutet nicht, dass man nicht qualitativ hochwertige Kunsstoffblätter am Heck eines Modellhelikopters benutzen darf.
  • Vibrationen am Heckrotor können durch die enorm hohe Drehzahl so hohe Kräfte entwickeln, dass sich ein oder beide Blätter nebst Blatthalter verabschieden. Mit spürbaren Vibrationen am Heckrotor also keinesfalls fliegen.

Vibrationen bei Verbrennermodellen

Bei Verbrennermodellen kommen noch durch den Verbrennerantrieb des Kolbenmotors erzeugte unvermeidbare Vibrationen dazu.

Mögliche vermeidbare Ursachen am Verbrennermotor sind ausgeschlagene Motor- Lager, lockere Schrauben und andere typische Quellen von Vibrationen, wie bereits oben beschrieben. Jedoch werden beim Verbrenner selbst durch den Zünd- und Verbennungsprozess Vibrationen am Helikopter erzeugt. Die Stärke dieser Vibrationen ist zum einen abhängig vom Nitroanteil im verwendeten Sprit, aber auch von der Einstellung des Vergasers und der Drehzahl.

Der Nitroanteil im Sprit hat Einfluss auf die Vibrationsfreudigkeit des Motors. Natürlich wird dies auch von der Bauart des Motors beeinflusst. Mehr Nitroanteil bedeutet mehr Leistung aber auch stärkere Vibrationen. Ein nicht optimal eingestellter Motor kann jedoch auch selbst schon Vibrationen erzeugen, unabhängig vom Nitroanteil im Sprit.

Eventuell probiert man verschiedene Einstellungen am Motor und verschiedene Spritsorten mit unterschiedlichem Nitroanteil.

Die motorbedingten Vibrationen beim Verbrenner wird man nie ganz beseitigen können. Ziel muss es jedoch sein, die Vibrationsstärke so gering wie möglich zu halten, und die Frequenz der nicht zu vermeidenden Vibrationen in einen Bereich zu verlagern, wo kein negativer Einfluss der Vibrationen auf z. Bsp. den Heckgyro oder FBL Sensoren vorhanden ist. Hier geht Probieren über Studieren! Man muss einfach verschiedene Drehzahlen testen und wird ganz schnell herausfinden, ob der Einfluss auf Gyrosensoren weniger oder mehr wird.

Tipp: Ein doppeltes Klebepad mit Metalllatte in der Mitte kann zumindest den Kreisel oder das Flybarless System von den Vibrationen entkoppeln.