Wie errechnet man die benötigte Federkraft für ein gefedertes starres Rad am Segler?

Hallo zusammen,

bei meinem aktuellen 4-Meter-Segler Lunak hatte ich mir in den Kopf gesetzt, das vorgesehene feste Rad als gefederte Variante auszuführen.

Meine Idee - von einer amerikanischen Website inspiriert -, als Federung große Stoßdämpfer aus dem RC-Car-Bereich zu verwenden, hat sich als, sagen wir es mal so, noch nicht ausreichend durchdacht herausgestellt.

Ein einzelner Stoßdämpfer ist zu weich - Versuche mit zwei Exemplaren stehen noch aus.

Nun gibt es bei FEMA ja die Formel zur Berechnung der benötigten Federkraft für EZFW.

Allerdings, so Herr Böhler gestern abend am Telefon, treffe diese Formel nicht für die von mir vorgesehene Art der Federung zu.

Bei meiner Konstruktion soll die Kraft, die bei der Landung auf das Rad einwirkt, ohne Umwege (wie bei FEMA) direkt nach oben in den Stoßdämpfer gehen und von diesem abgefedert werden.

Nun meine Frage: Wie berechne ich, welchen Stoßdämpfer ich brauche? (Herr Böhler meinte, die von ihm angebotenen seien wohl zu stark dafür, meine dürfte eher im Bereich von 50 N zu suchen sein.)

Der Segler wiegt flugfertig ca. 7500 gr.

Freue mich auf Eure qualifizierten Antworten!

Hallo,

wenn Dein Modell 7,5 kg wiegt, dann benötigst Du 75 N Federkraft, um das Modell statisch zu halten.

Federkraft = Federsteifigkeit * Vorspannweg

Es stellt sich dann noch die Frage nach der Federsteifigkeit. Diese kann man über die maximale gewünschte Einfederung beim Landen abschätzen.

Modellmasse / 2 * Sinkgeschwindigkeit² =

Federsteifigkeit / 2 * Einfederweg²

Modellmasse in [kg]
Sinkgeschwindigkeit in [m/s]
Federsteifigkeit in [N/m]
Einfederweg in [m]

Den Dämpfer habe ich dabei vernachlässigt, da Du wahrscheinlich mit einem berechneten Kennwert in N/(m/s) ohnehin in keinem Modellbaushop weiterkommst.

Gernot

Hallo Gernot,

wow, das ging ja schnell mit einer qualifizierten Antwort – und lässt mich dennoch ein wenig ratlos zurück, denn:

Ich kenne die Sinkgeschwindigkeit nicht ...

Meine Überlegung geht jetzt dahin, einen 100-N-Dämpfer zu nehmen.

Der hat ja auf jeden Fall genügend Kraft, das Modell statisch zu halten und dann Reserven zum Einfedern (fragt sich natürlich, ob genau richtig, zu viel oder zu wenig).

Der Einfederweg sollte so bei 1 - 1,5 cm liegen (und kann bei meiner simplen Konstruktion mechanisch begrenzt werden.)

Ist dieser Einfederweg realistisch abgeschätzt oder sollte man eher einen größeren wählen?

Wie weit federn EZFWs ein? Ich schätze mal auch nicht viel weiter, denn dann bekommen sie Probleme mit den offenen Klappen ...

Beim Lunak ist vor dem Rad ja auch noch eine Landekufe

Hallo Bie!
Mit einer Formel kann ich dir nicht dienen, aber: ich habe einen Gasdruckdämpfer verbaut, da habe ich bei einem ersten Versuch (Seglergewicht 8 kg) einen mit 100 N genommen, der war viel zu weich. Schlußendlich ist es einer mit 20 N geworden. Er sollte aber auch nur kräftige Landestöße abfangen.
Wili

Hallo Willi,

Mensch, da kommen wir der Sache doch gleich von der praktischen Seite her auch noch mal recht nahe!!!

Also, ein 100-N-Dämpfer hat sich bei dir als zu weich herausgestellt?

Fragt sich natürlich, wie man "zu weich" in etwa beschreiben kann?

Meine Überlegung nach Gernots Antwort war jetzt diese:

Ein 100-N-Dämpfer kann 7500 gr. Masse statisch ausgleichen.

Dann bleiben noch mal 30 Prozent Reserve (25 N von 75 N) fürs Einfedern beim Landen.

Mhmm, das klingt wirklich nicht nach viel.

Ich würde also den Segler, wenn er steht, mit einer Kraft von 25 N (für mich sind das jetzt einfach mal 2,5 Kg Gewicht) zum Einfedern bis zum Anschlag bringen.

Fragt sich, wie gut ich lande?

So gesehen, wären möglicherweise 150 N die richtige Wahl - das würde (liege ich da mit meiner Vermutung richtig?) bedeuten, dass der Segler mit seinem doppelten Gewicht bis zum Anschlag einfedert. Und das sollte wohl eigentlich nicht bei einer "normalen" Landung passieren, oder?

Bleibt zuletzt auch noch die Frage nach einer Federwegscharakteristik ... Möglicherweise kann man die aber vernachlässigen.

Und: Wo gibt es Stoßdämpfer mit 150 N? Bei FEMA gibt es meines Wissens nach nur welche mit 200, 300 und 400 N lieferbar.

Sollte ich keine anderen auftreiben, werde ich es wohl mit 200 N versuchen.

Hi!
Also, wohlgemerkt: ich habe einen Gasdruckdämpfer genommen, das ist kein Stoßdämpfer im herkömmlichen Sinn (schnell einfahren, langsam aus). Gasdruckdämpfer bekommst du im Autozubehörhandel oder (ich glaube Sebring). Die kleinen Längen müssen sie halt meistens bestellen. Gasdruckdämpfer sind z. B. eingebaut bei Heckklappen im Auto.
Ich habe den Dämpfer nur um harte Stöße abzufangen.
Ich glaube mich erinnern zu können, bei Bruno Rihm einmal gesehen zu haben, daß er 15-N-Gasdruckdämpfer bei seiner ASH 26 (4,5 m) genommen hat. Die Dämpfer ist direkt am Fahrwerk befestigt und am oberen Rumpfbogen an einem Spant abgestützt.

Zu weich heißt: Beim Landen kratzt du mit dem Rumpfboden an der Grasnabe.

Weiche Landungen wünscht
WiLi

PS: Tschuldigung, das heißt glaube ich nicht Gasdruckdämpfer, sondern Gasfeder, siehe hier:
Gasfedern

[ 14. Oktober 2003, 14:48: Beitrag editiert von: wili ]

Hi Willi,

auf den Bruno Rihm hat mich der Herr Böhler gestern auch hingewiesen - schätze, den rufe ich nachher mal an. Vielleicht hat der einen 150-N-Gasdruckdämpfer ...

Danke für den Link!

Hallo,

1G Beschleunigung wird beim Landen wenn man drinsitzt sicher hart empfunden, beim Modell würde ich es noch weich nennen. Wenn man jetzt 100N vorspannt, wird schon ab 0,25G eingefedert und bei 1,7 gehts an den Anschlag (wenn sich die Angabe 200N auf die notwendige Kraft zum Volleinfedern bezieht). Also unter 200N würde ich nicht gehen.

Hans

Hallo,

mit meiner 5M ASW27 mit 10,5 Kg stehe ich vor dem selben Problem.

Da ich eigentlich auschliesslich am Hang fliege und die Wiesen dort nicht immer golfplatzmässig gemäht sind kann ich mit einem normalen Einziehfahrwerk nicht unbedingt etwas anfangen da es mir damit des öfteren die Klappen ausreissen wird.

Kennt jemand einen Hersteller für ein gefedertes starrres Fahrwerk? Oder vielleicht verrät mir ja der Andy wie er seines geplant hat.

Danke, Hans, für den Gedanken!

Matthias,

ich will heute abend mal versuchen, ein Bild zu machen (ist eine Zeitfrage) und es morgen hier reinstellen. Dann ist hoffentlich klar, wie meine Konstruktion aussieht.

Moin moin,

Original erstellt von bie:
Und: Wo gibt es Stoßdämpfer mit 150 N?

Zum Vergrößern anklicken....

Denke dran daß Du das auch mit dem Hebelarm einstellen kannst. Mußt ja nicht die Feder-/Dämpfer-Kombi direkt über die Achse setzen, ein bisschen weiter Richtung Drehpunkt der Aufhängung und schon passt der 200er.

Übrigens fällt mir hier so ein bisschen auf, daß die Begriffe "Federung" und "Dämpfung" etwas weich gehandelt werden...

Federung ist wenn man einen Stoß bekommt, Weg zum Abfangen zurücklegt und dann die Stoßenergie (mechanische) in entgegengesetzter Richtung wieder mit dem gleichen Weg rückwärts abgibt. Stichwort: "Tennisball fällt auf Boden -> Poing".

Dämpfung ist wenn man einen Stoß bekommt, Weg zum Abfangen zurücklegt und dabei die aufgenommene Stoßenergie (mechanische) in eine andere Form umwandelt (meist thermisch), um ein Rückfedern zu verhindern. Stichwort: "Knete fällt auf Boden -> Plopp"

Schau Dir vielleicht mal dazu die Seiten von ACE an, einer der vielen Hersteller für Stoßdämpferequipment, geben sehr gerne Infos raus, Berechnungsbeispiele, Anwendungsfälle, Kataloge, Infomaterial. Link: www.ace-ace.de

Die waren damals immer in der FH und haben Vorträge dazu gehalten... und ich erinnere mich heute noch daran... gut angelegtes Geld.

Grüße aus Hessen!

Herbert

ps: ACE hat auch kombinierte Feder-/Dämpfer-Elemente und wird Dir (oder einem Kollegen mit "Firma" ) vielleicht ein "Muster" zusenden.

[ 14. Oktober 2003, 17:34: Beitrag editiert von: Herbert Stammler ]

Moin Andy!

Sag mal, was du mit der Federung primär erreichen willst:

- Scalemäßiges Aussehen / Funktion

- oder Schutz vor Überbeanspruchung bei unebener Landewiese (ich habe extra nicht "bei unsanften Landungen" geschrieben )

Im ersten Fall würde ich dir raten, eine Feder zu wählen, die knapp oberhalb einer Belastung durch das einfache Flugzeuggewicht beginnt, einzufedern und einen relativ flachen Kraftanstieg mit dem Federweg hat. Wenn es keine Feder ab 75 N gibt, kannst du, wie von Herbert vorgeschlagen, evtl. mit den Hebelverhältnissen tricksen.

Im zweiten Fall wird es etwas aufwändiger. Hier musst du erstmal festlegen, welche maximale Kraft du der Fahrwerksaufhängung bzw. dem gesamten Flugzeug zubilligen willst und danach die Federkraft bei maximal eingefedertem Federweg festlegen. Ist die Feder erstmal am Anschlag, nimmt natürlich die Belastung schlagartig zu, aber das ist immer noch weniger als hättest du erst gar keine Feder.

Ich habe mal ein Fahrwerk für einen Großsegler ausgelegt und vielleicht kann dich die Vorgehensweise etwas inspirieren. Die Randbedingungen waren damals, dass zum einen das Zusatzlastvielfache aus dem Landestoß nicht größer als 4 G sein durfte und zum anderen die Arbeitsaufnahme der Federung ausreichen musste, um eine Sinkgeschwindigkeit von 1,5 m/s wegzustecken, ohne dass die Federung an den Anschlag kommt (die Zahlen musst du natürlich an deine Ansprüche anpassen aber sie können ja erstmal als Anhaltspunkt dienen).

Aus der ersten Forderung ergibt sich eine maximale Federkraft vom 4-fachen des Flugzeuggewichts (in deinem Fall 300 N) im maximal eingefederten Zustand.

Bei der zweiten Forderung spielt der zur Verfügung stehende Federweg eine Rolle. Es wird zwar immer behauptet, Studenten wüssten nicht, was Arbeit ist, dabei lernt man das im ersten Semester: Arbeit = Kraft * Weg In diesem Fall: Federkraft * Federweg. Da die Federkraft nicht konstant ist, sondern zunimmt, wenn man die Feder zusammendrückt, muss man hier integrieren. Die rote Kurve im folgenden Diagramm zeigt den Zusammenhang zwischen Kraft und Weg einer vorgespannten Feder.



Die Fläche unter dieser Kurve entspricht der aufgenommenen Arbeit der Feder. Diese Arbeit, die die Feder aufnehmen kann, soll mindestens so groß sein wie die kinetische Energie des Flugzeuges in vertikaler Richtung, also E,kin = 0,5 * m * V²

In deinem Fall also 0,5 * 7,5kg * 1,5² m²/s² = 8,44 Nm (falls du von den 1,5 m/s ausgehen willst). Bei maximaler Federkraft von 300 N bräuchte man also einen Federweg von mindestens 8,44 Nm / 300 N = 0,028 m = 28 mm. Anders herum kann man aus diesem Zusammenhang bei vorgegebenem Federweg die mittlere Federkraft bestimmen. Nehmen wir an, es stehen 50 mm Federweg zur Verfügung, dann müsste die mittlere Federkraft (bei linearer Kraftzunahme der Feder mit dem Federweg genau die Mitte zwischen Anfangs- und End-Federkraft) also 8,44 Nm / 0,05 m = 168,75 N betragen. Als Anfangs-Federkraft erhält man dann 37,5 N und als Federsteifigkeit (Kraftzunahme der Feder mit dem Federweg) 52,5 N/cm.

Die Formeln sind ja alle ganz einfach, so dass du sicher selbst mit den verfügbaren Feder etwas herumprobieren kannst. Und nicht meckern, schließlich hast du gefragt, wie man eine Feder berechnet

Gruß Yeti

Die Feder muss nicht nur die kinetische Energie der Vertikalbewegung aufnehmen, sie muss auch der Impulsänderung in vertikaler Richtung widerstehen.

Impulsänderung = Maximale Ferderkraft

F ges =(m*dv)/dt + m*g = D*s

mit:
D Federkonstante
m Modellmasse 7,5 kg
g Erdbeschleunigung 10 m/s^2
dv Änderung der Geschwindigkeit in vertikaler Richtung 1,5 m/s
s Federweg
dt Zeit für das erste harte Durchfedern beim Landen z.B 0,1 s.

F = 7,5 kg*1,5m/s / 0,1s + 75 N= ca. 200 N

Die Feder muss also der Kraft von ca. 200N beim ersten Landeaufschlag widerstehen können.

Dies decken die in den oberen Beiträgen durchgeführten Abschätzungen für die Federkonstante ab, also kein Problem.

Au, hab beim Schlafen nochmals "nachgedacht".
Die Zeit ist keine unabhängige Variable, sie wird über die Federkonstante festgelegt. Daher steckt in der Energieüberlegung von meinen Vorgängern alles drin.
Sory

Ach du dickes Ei!

Da habe ich mir ja schön was eingebrockt ...

Herbert, du hast Recht, ich verwende die Begriffe Dämpfung und Federung vermutlich nicht ganz orthodox.

Yeti, du hast das ganz genau erkannt: Ich habe nach der Berechnung gefragt. Du ahnst aber wohl auch, dass ich die Sache eher so über den Daumen gepeilt angehe ...

Gerhard, tut mir leid, wenn dich diese Fragen auch noch im Schlaf beschäftigen (geht mir übrigens mit anderen Dingen manchmal auch so ...)

So, ich muss mal ein Geständnis machen: Mathe und Physik sind nicht meine stärksten Fächer in der Schule gewesen - um es mal so auszudrücken.

Ich habe einfach darauf gehofft, dass ich hier eine sofort nachvollziehbare Empfehlung der Art "Nimm einen Gasdruckdämpfer mit xxx N und dann passt das schon!" bekomme (ohne dass ich mir meinen Kopf noch großartig darüber zerbrechen muss).

Allerdings hätte ich wissen müssen, dass die Materie so einfach natürlich nicht ist und man hier auch viel Gehirnschmalz reinstecken kann. Daher erst mal noch einen Zwischendank für alle eure Ausführungen bis hierher!!! Super!

Tja, was will der bie jetzt eigentlich mit dieser Konstruktion erreichen?

Als scale-mäßig muss es nicht sein - ich weiß nicht einmal, ob das beim Original so ist. Ich wollte einfach eine Konstruktion haben, die bei härteren Landungen das Wegspringen durch Einfedern verhindert - also praktisch diesen "Saugeffekt" erreichen, von dem Großseglerpiloten schwärmen, die eine gefedertes (oder ist es ein gedämpftes?) EZFW haben.

So sieht die von mir gewählte Konstruktion aus - ich hoffe, es ist aus den Bildern ersichtlich.

Hier fehlt das Rad und dessen Aufnahme (zwei Alu-Schienen), die zwischen den Schenkeln läuft.





Am oberen Spant erkennt man die beiden Alu-Winkel, die die Achse aufnehmen, an der der Dämpfer oben befestigt wird. Die Winkel am unteren Spant haben "Schlitze" mit ca. 2,5 cm Länge. Darin können sich die Aufnahmen des Rades nach oben bewegen.

Alles klar? Ansonsten kommen morgen noch einmal Bilder, die die Konstruktion im Ganzen zeigen.

Hi Andy!

Nimm eine Gasdruckfeder mit 50 N Anfangskraft im ausgefederten Zustand und 300 N im voll eingefederten Zustand, Federweg 50 mm und dann passt das schon!

Aber was ist daran nachvollziehbar?

Gruß Yeti

[ 17. Oktober 2003, 00:29: Beitrag editiert von: Yeti ]

Großes Fragezeichen ...

Tja Andy,

der Lösungsvorschlag oben ist ja im Prinzip der selbe wie vorher, nur ohne jegliche Begründung. Die Frage ist, ob dir das weiterhilft?

Es gibt ja zwei Möglichkeiten, einen brauchbaren Tipp zu erhalten. Entweder schreibt jemand, der genau das selbe Problem bereits erfolgreich gelöst hat und du brauchst das nur nachzumachen (gleich schweres und großes Modell und am besten die Bestellnummer der Feder dazu). Oder man beschreibt, wie du selber bestimmen kannst, welche Feder geeignet ist.

Mit einer pauschalen Ansage alleine wie "nimm die Feder XY, dann klappt das schon..." würde ich mich jedenfalls nicht zufrieden geben.

Gruß Yeti

Tach zusammen, vielleicht hilft dies, bie's grosse Fragezeichen aufzuhellen:

Wir nehmen Gernods richtigen Ansatz und setzen ein:

Modellmasse 8 kg
Gleitzahl zur Landung: schlechte 20
Fluggeschw. 10 m/s

Dann iss die Vertikalgeschw. w = 0,5 m/s und die aufzunehmende Energie 10 J (g=10m/s**2)

Sollen diese 10 J bei 5 cm = 0,05 m Federweg aufgenommen werden, so ist nach Gernod die Federsteifigkeit F':
F' = 20J / 0,05m^2 = 8000 N/m oder 80N/cm oder olle ca 8 N/Kilo...

Die Rechnung gilt für eine Feder ohne Vorspannung Bei Vorspannung von F0 aendert sich Gernods Energieaufnahme (E) in:
E = F0*s + F'/2*s^2

Oben sind dann die 20J zu ersetzen durch
20J - F0*0,05m = 20J - 2,5J = 17,5J, mit F0 = 50N, womit die Vorspannung nicht viel ausmacht.

Bei maximalem Einfedern haengt also 'ne Kraft von 400N dran oder etwa 4 Bierkästen, womit Yetis Zahlen schon passen, und die Landung ziemlich derb ist

Viele Gruesse, Wolfgang

Original erstellt von Wolfgang Kouker:
Dann iss die Vertikalgeschw. w = 0,5 m/s und die aufzunehmende Energie 10 J (g=10m/s**2)

Zum Vergrößern anklicken....

Moin Wolfgang,

jetzt habe ich mich aber gerade gewundert, warum du bei kleinerer Sinkgeschwindigkeit und gleichem Federweg eine höhere Federkraft herausbekommst. Aber der Fehler steckt oben im zitierten Text.

Sinkgeschwindigkeit w = 0,5 m/s
Masse m = 8 kg

E,kin = 1/2 * m * w² = 0,5 * 8 kg * 0,5² m²/s² = 1 kg m²/s² = 1 Nm = 1 J

Die Erdbeschleunigung, die bei dir zu offensichtlich zu einem um den Faktor 10 zu großen Wert führt, taucht bei der kinetischen Energie gar nicht auf.

Gruß Yeti