Rudervibrationen: Ursachen und Verringerungspotential

Rudervibrationen bei Motorlauf

Aus aktuellen Gründen und für die sich schon abzeichnende Bausaison eine Sammlung der möglichen Ursachen für Rudervibrationen, die im Vergleich zu früher jetzt auf den Flugfeldern viel öfter erkennbar sind.

Die Grundursache ist in Modellen mit "leichterer" Bauweise zu finden, die oft die einfachsten Regeln einer statisch wirkungsvollen Konstruktionsart - zB. bei großen Rudern: nur Halbrippen ohne Diagonalstege und mit dünnster Folienbespannung - unberücksichtigt lassen.

Jetzt beliebtere größere Motore mit größeren Propellern rütteln natürlich auch mehr und die bei
diesen verwendeten relativ geringen Drehzahlen bewegen sich öfter im Eigenresonzbereich von Ruderflächen und führen somit zwangsläufig zu besonders großen Rudervibrationen.

Der jetzt aus Gewichtsgründen vorherrschende Trend zu Einzylindermotoren anstelle der vibrationsärmeren Boxermotoren (echte Boxer, nicht 2-Zylinder Pseudostern) tut natürlich das Seinige dazu. Und der trägheitsdynam. ungünstige hängende Zylinder.
Wie auch große (funfly) Ruderflächen mit ihren großen Ausschlägen und "direkter" Anlenkung mit großem Kraftbedarf, die einer erwünscht möglichst hohen Steiffigkeit des gesamten Systems Rumpf-Servo-Ruder ebenfalls widersprechen.

Weiters führen die immer größeren Motoren und Propeller mit hoher Steigung zu einem immer stärkeren und Blatt-gepulsten Luftschraubenstrahl mit dadurch ausgelöstem Rudergetanze. Selbiges wird zwar mit zunehmender Fluggeschwindigkeit (bei relativ geringerem Blatt-Luftstoß) geringer, stört aber die Ruderflächen-Aerodynamik und die konsistente Wirkung der momentanen Ruderstellung. So wird schon manchmal deswegen der eigentlich unberechtigte Schrei "Stööörung!" im Landeanflug hörbar. Damit könnte man ja leben, aber aufgeschaukelte Vibrationen können auch ohne der weiter u.e. mechan. Zellenschäden die Ursache für fatale Kabelbrüche (auch der Antenne), Servoschäden (Zahnradschäden mit folgender Blockierung) etc. sein.

Das bei leichtgebauten Großmodellen feststellbare Vibrieren des ganzen Seitenleitwerks ist allerdings auf die Drehmomentstöße durch die Motorzündung, auf den blattstoßweisen Luftdrall UND einer zu geringe Drehsteifigkeit des Rumpfhinterteils zurückzuführen. Hat natürlich auch Einfluss auf das Seitenleitwerk samt Servobelastung. Die Praxis wird die Lebensdauer solcher Modelle zeigen.

Zum Kern des Berichts:
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Unabhängig von der auslösenden Ursache hängt die
Größe der Rudervibration KUMULATIV von allen möglichen "Ungünstigkeiten" ab. Je mehr "Luft" in dem Gesamtsystem ist, umso größer selbstverständlich die Vibration. Und je größer diese Vibration, umso mehr tritt "Selbstaufschaukelung" auf, u.U.
bis zu schweren Schäden am Rudersystem - das Ganze wird immer lockerer - oder sogar bis zum Bruch an der schwächsten Stelle des Systems.

Als Entscheidungshilfe für Verbesserungen die folgende, vermutlich unvollständige Sammlung von vibrationsverursachenden oder -fördernden Materialeigenschaften.

Bereich RUDERFLÄCHEN:
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_Weiche torsionsfestigkeitsschwache Ruderflächenbauweise

_Holz unter Ruderhebel zu weich, vor Einbau nicht chem. gehärtet.

_Ruderhebelmontage ohne Harzverwendung

_zu weiche und/oder zu kleine Kunststoff-Ruderhebel

_Ruderhebel mit nebeneinander liegenden Schrauben

_Ganz schlecht: Ruderhebel nicht direkt auf oder knappest neben Scharnier (Scharnierstelle = Ort der geringsten Ausweichmöglichkeit des Ruders)

_kein Versteifungssteg zwischen Ruderhebel-Grundplatte und -Arm

_Von Anfang an besonders leichtgängige (Gabelkopfstift-)Löcher mit Ausschlagneigung

_Bei Kugelkopfverwendung: Manche Ruderhebel wegen leichter Verwindbarkeit ungeeignet!
(Lösung: Doppelruderhörner mit dazwischen liegender Kugel)

_Kugelpfannen mit Spiel unter Last (manche der Aludinger mit der Pfannenfeder!)

_zu wenige Scharniere (Pro Flosse: HR mindest 3, lange QU mindest 4)

_ungünstiger Scharnierort: Bei 2 Scharnieren schlecht: 25% und 75% der Ruderholmlänge,
bei 3 Scharnieren: +0% mit 50% und mit -100% (Schwingungsknoten!), selbige sind aber die besten Servohebelpunkte. Somit folgt: besser zB. +0%=Scharnier- und Servoort, mit zB. 40% und mit 100% Scharnierstelle).
Je mehr Scharniere, ruderformabhängig umso besser. Eine anfängliche leichte Schwergängigkeit
(bei fluchtenden!! Scharnierachsen) verschwindet ohnedies nach einigen Flügen.

_Scharniere mit Spiel beim Ziehen oder Drücken an den Scharnierflügeln !!

_detto in Längsrichtung

_Beide Scharnierbetten zu viel Luft direkt neben dem Gelenkteil

_Scharnierbett zu weich und/oder ungehärtet (Superkleber vor Einbau günstig)

-überhaupt zu kleine oder zu weiche Scharniere

_Bei fertigfolierten Modellen: mieser Scharniereinbau. Ein Sicherheitsstift
beseitigt nicht das Spiele im Scharniersystem!! Empfehlenswert: die großen, keilförmigen (kleberverpressenden!) Kavanscharniere.

Aussuchen gegen Querspiel (Ausbeute ca. 50%, vergleichbar günstig!) notwendig.

_Höhenleitwerk: weiche Dämpfungsflächen mit schwacher Folie

_HR-Ruder ohne Gewichtsausgleich in aerodynam. Ausgleichsflächen

_Dämpfungsflächen-Rumpfverbindung zu wenig starr, keine Abspannung

_elastischer u/o schwach dimensionierter Rumpfhinterteil (Material, Geometrie)

_abnehmbare Ruder: Montage-bequeme, aber unnötige Luft zwischen Achse und GFK-Teilen o.ä.

Ungünstige SERVO-Details:
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_leicht zu verbiegende Abtriebsachse, besonders bei Servos mit 0 oder 1 Kugellager

_Abtriebszahnrad aus Billigplastik zu wenig verdrehsteif

_unterdimensioniertes weiches Getriebe

_Weiche, schwachdimensionierte Servohebel; bes. schlecht bei Kugelgelenk

_Kugel auf der statisch falschen Seite montiert. Günstiger: Kugel zwischen Hebel und Servogehäuse

_(Feder-) Kugelpfannen mit Spiel unter Last, habe alle wieder ersetzt durch Plastikpfannen

_Servo-Montage ohne Bundnieten

_Bundnieten arbeiten sich ins Brettchen ein, da Bund fälschlich auf der Schraubenkopfseite montiert. Damit wird der Schrauben-Niet-Gummi-Servosteg-Verbund schlicht lockerer.

_Bundniete und (Fremd-)Schrauben mit Durchmesserunterschied

_Ich montiere Servos prinzipiell mit Weichkleberzugabe nach Probemontage (Löcher und Nieten)

_Abtriebszahnrad viel Spiel (schon ausgeschlagen, besonders im Neutralbereich?)

_schnelle Servos zu hart einregelnd in die Neutrallage: führt zu Regelschwingungs-Rudergewackel. Tritt besonders gehäuft bei 5-Zellen-Betrieb auf, aber auch bei schweren Rudern bei 4 Zellen! (Typisch Hi 525, MXP Mikro-speed. Auch ohne(!) laufendem Verbrennungsmotor)

_falsche Servoart; zB. nicht für Motorflug geeignet und somit ohne Gummitüllen
ausgeliefert, wie eben MPX Microspeed.

_Heckmontage an elastischer, unverstärkter Rumpfstelle

_Nur ein (Groß-)Servo bei langen torsionsgefährdeten Großmodellrudern

GESTÄNGE-Fehlermöglichkeiten etc.
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_zu weich, besonders bei langen Gestängen

_lange Gestänge in Rohren zu wenig gegen Durchbiegung abgestützt

_nicht absolut gerade, gebogene Anlenkungen (Gestänge kann durch die Rohrluft zwischen "Kurveninneseite und Kurvenaußenseite" pendeln)

_Nicht fluchtende Ruder- und Servohebel, womöglich noch mit Gestängekröpfungen

_Gabelkopfgewinde nicht mit Mutter fixiert oder Mutter gelockert(!)

_Bowdenzüge zu elastisch, bei Großmodellen keine servo- und seilentlastende Großhebelwippe

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Interessant an dieser sicher unvollständigen Liste ist, dass eigentlich gar nicht das Gestänge DIE potentielle Vibrationsauslösungsgefahr darstellt (besonders da ihm meistens ohnedies die nötige Aufmerksamkeit gezollt wird), sondern gehäuft im Servo- und/oder Ruderbereich Gefahrenstellen vorhanden sind, die selbstverständlich noch einen verschlechternden Einfluss auf das Rudersystem bei Abnutzung, Ausschlagen, Weicherwerden etc. haben.

VERRINGERUNG der Ruderflatterei durch Ursachenreduzierung:
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Für das Geschüttel ist ja öfter ein Glühzünder bis ca. 35 ccm die Ursache. Hier zur Vibrationsreduzierung anzusetzen, ist absolut sinnvoll. Dazu folgende Verbesserunsansätze:

_einfachst: 5-10% Nitro für sauberes Durchzünden auch im Halbgasbereich, dazu eine 1-2 Stufen kältere Kerze, im Vergleich zu GFK nur halb so schwerer Holzpropeller, eventuell eine Zylinderkopfdichtung mehr, wenn man nicht die absolute Spitzenleistung braucht;
und manchmal genügt auch ein kleinerer Prop oder bei Funflyern einer mit kleinerer
Steigung, mit der man dann modellgerecht im "guten" kotzfreien und rüttelarmen oberen Drehzahlbereich fliegt. Leichteste und/oder kleinere oder sogar keine Spinner reduzieren auch Drehmomentstoß-Vibrationen.

_Aufwändigere und teurere Korrekturmöglichkeiten:
Spritpumpe, oder Pumpenvergaser, oder Spezialvergaser: alles überwiegend für einen adaequat kotzfrei einstellbaren Halbgasbereich.
Eigentlich nur ein Kampfmittel gegen die mitgelieferten billigen Einfachstvergaser.

Motorspezialisten werden dazu sicher noch Einiges mehr wissen und mitteilen können. Das Thema verschiedener diskutierbarer Motoraufhängungen habe ich bewusst weggelassen, die o.a. Motormaßnahmen sind ja absolut aufhängungsunabhängig.

Noch einen Grund für extreme Vibrationsspitzen gibt es: Zu weite und immer mehr ausschlagende Flügel- und Leitwerkssteckungen! Bei einem schon öfter geflogenem Holzrumpf (Diablotin 2000) hatte ich beim Auftreten harter Leerlauf-Geräusche einen neuen "zu harten" Motor in Verdacht.
Ohne Flügeln war das Schlaggeräusch weg.
Die Kontrolle ergab: bereits ca. 0.2 mm Spiel Rohr/Rumpflagerung! Beim Erstflug war da sogar eine saugende Passung; die Rumpfwand ist sogar superklebergehärtet.
Spontanhilfe: Tixo Magic; Dauerlösung: Rumpfwand (und ggf. 1.Rippe) ausbüchsen oder, auch genug aber nicht ganz so super, eine Rohrhülse. Ab 0.3mm Luft geht das mit 0.15mm Schrumpfschlauch und ev. weiteres Tixo darunter.
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;) ;) Ich danke den Teilnehmern des Servo-Ruderwackel-threads vor ein paar Wochen für Ihre Anregung zum Nachdenken für einen neuen thread. Da ist er jetzt. Möge er wenigstens 1 Absturz verhindern!

Ergänzende Postings aus Eurem Wissensschatz für uns Rüttelgeschädigte :( sehr willkommen! :)

[ 17. August 2002, 14:24: Beitrag editiert von: Rudolf Fiala ]
 

Gast_0063

User gesperrt
Original erstellt von Rudolf Fiala:

...im Vergleich zu GFK nur halb so schwerer Holzpropeller,...
Irrtum!

Der leichtere Propeller verschiebt den Zündzeitpunkt nach "früh", sorgt für ein Mehr an Vibrationen und erhöht die sichere Leerlaufdrehzahl, will man beides nicht.
Holzpropeller unter 20" haben an einem handelsüblichen Methanol-Gebrauchsmotor nichts verloren, an einem 4-Takter schon gar nicht.
 

Ulrich Horn

Moderator
Teammitglied
Moin,

was heisst denn da 'Irrtum'. Wer tatsächlich glaubt, durch Variation eines Parameters (und seien es Luftschrauben aus Blei) Vibrationen generell in den Griff zu bekommen, hat dieses immer nur in Einzelfällen überprüft.

Rudolf hat sehr ausführlich eine Menge Parameter genannt, an denen man praktisch arbeiten kann, um Vibrationen zu verhindern.

Die Ursache für Vibrationen ist eher nebensächlich. Verantwortlich dafür sind am Modell angreifende Kräfte, also sowohl der Motor als auch die Luft.
Der Grund liegt in jedem einzelnen beweglichen Teil. Jedes dreidimensionale Bauteil hat mindestens drei Längs-, drei Torsions- und drei Stauchungschwingungsebenen (mindestens deswegen, weil es auch in sich schwingen kann). Das macht im Zweifelsfall 27 Resonanzfrequenzen, und für jede Einzelne kommen noch die Oberwellen hinzu.

Wären diese Schwingungen nicht gedämpft, würde ein Modell sich prompt in seine Einzelteile zerlegen. Die Dämpfung ist immer vorhanden (durch das Material selbst, seine Lagerung, seine Anlenkung). Es kommt aber immer wieder vor, dass eine periodische Kraft ein schlecht gedämpftes System mit der passenden Resonanzfrequenz trifft, und schon rappelt es.

Was tut man in dem Fall? Ich finde Rudolfs Checkliste hervorragend dafür.

Grüße, Ulrich Horn
 

Gast_0063

User gesperrt
Hallo Ulrich,

der Irrtum von Rudi bezog sich auf die Annahme, durch die Verringerung der Schwungmasse die Vibrationen zu verringern.
Das das der einzige beeinflussbare Parameter ist, hab' ich nicht behauptet.
 

mec

User
>>Der leichtere Propeller verschiebt den Zündzeitpunkt nach "früh", <<

wie ist das zu verstehen??

bei meinem motorrad habe ich die zündungsgrundplatte verstellt, um den richtigen zündzeitpunkt zu finden. aber es hatte auch keinen propeller.

mec

ok, war ja auch kein selbstzünder. dennoch?
 

Gast_0063

User gesperrt
Hi mec,

das ist eigentlich recht simpel:
Du hast ja beim Glühzünder keinen fix definierten Zündzeitpunkt wie bei Deinem Motorrad, sondern das Gemisch zündet in Abhängigkeit von der Zusammensetzung, der Temperatur, der Verdichtung usw. zunächst mal "irgendwann". Klar?

Der Propeller, als Schwungmasse resp. Drehmomentspeicher, dreht sich während einer Umdrehung nicht mit konstanter Geschwindigkeit, sondern wird beim Verdichtungshub von der zunehmenden Kompression wieder abgebremst, nach der Zündung wieder beschleunigt und so fort. Auch klar.

Ein "leichter" Prop, im Sinne von weniger Schwungmasse, speichert weniger Drehmoment und wird also entsprechend stärker beschleunigt, resp. abgebremst, hat also einen höheren Ungleichförmigkeitsgrad. Natürlich bleibt das eigetliche Motordrehmoment gleich, daran haben wir ja nix verändert.

Wenn jetzt unser "Denkmodell Propeller" mangels Schwungmasse, resp. gespeichertem Drehmoment, während des Kompressionshubes stärker abgebremst wird, vergeht vom Augenblick der Zündung (Zündzeitpunkt) bis zum Erreichen des oberen Totpunktes mehr Zeit, also die Zündung erfolgt früher, auf den gesamten Umlauf betrachtet.
Das betrifft aber NUR Motoren mit ungesteuerten Zündanlagen!!!

Bei Motoren mit hohem Ungleichförmigkeitsgrad (1-Zylinder 4-Takter) nutzt man den Drehmomentspeicher Schwungmasse in erster Linie dazu, einen möglichst ruhigen Gang sicherzustellen.
Um bei der KFZ-Technik zu bleiben:
Lanz Bulldog, oder Moto Guzzi Falcone
 

S.R.

User
Hallo Andy!

Fliege einen superleichten Holzpropeller oder hohlen Kohle Propeller auf einem OS91FX. Geht super, warum sollte das net gehen????

Gruß
Stefan
 

Gast_0063

User gesperrt
Hallo Stefan,

ich habe nicht behauptet, das es NICHT geht... ;)
Bei Wettbewerbsmotoren gibt es üblicherweise wenig Schwungmasse, um den Motor schneller hochdrehen zu lassen.
Ein möglichst niedriger, sicherer Leerlauf und ein ruhiger Gang sind ja in diesem Fall auch nicht gefragt.

Es ist halt immer die Frage, was man will...
 
Hallo Andi,

stimmt absolut Deine Anmerkung, sofern man nur diesen einen Propellergewichtsparameter verändert.
Im Zusammenhang mit Kompressionsverringerung, eventuell kühlerer Kerze und 5% Nitro ist ein leichterer Holz-Prop sicher nachdenkenswert.
Der Momentan-Ungleichlauf würde ja auch gegen die Kohlelatten sprechen gegenüber einer zB. APC. Bin gespannt ob irgendwer einmal die ZÜNDUNGSOPTIMALSTEN UND VIBRATIONSÄRMSTEN Latten prinzipiell heraussucht. Aber bei den vielen mitspielenden Parametern ist das eigentlich ohnedies nicht erwartbar. Es wird wohl ewig der "KUNST" des Besitzers überlassen bleiben.

Kunst? Klar! Gerade in dem Schwungmassenproblem geht ja auch VOLL die Problematik der starren oder elastischen Motoraufhängung und ihrer Auslegung ein. Weiters auch die Fundamentmasse= Flugmodell und ihre Trägheitsmomentenverteilung (zB schwere/leichte Flügel als Stützmassenanteil mit großem Moment) Etc. etc.

Eines gegen die Halbgasbeutelei habe ich tatsächlich vergessen :rolleyes: :
Eine gute Gemischregelung mittels Servo.

Off topic: Habe vor ca 3 Stunden die Jakodofski Turboprop-Turbine mit Verstellpropeller (auch negativ) auf einer Veranstaltung im Flug bewundert. DER Sound, phänomenal!! :D

;) Herzlichst an alle zum Wohle Aller Mitarbeitenden ;) ,
Grüße aus Wien, Rudolf

[ 24. August 2002, 19:26: Beitrag editiert von: Rudolf Fiala ]
 

Marco

User
Hi!

Ich denk unausgewuchtete Props spielen auch ne Große Rolle bei den Vibrationen..... ;) ich seh immer mehr Piloten, die Kaufen ne Luftschraube un montieren die gleich aufs Modell, auswuchten wär manchmal ganz sinnvoll :)

MfG Marco
 
Hi Marco,

nicht "manchmal", IMMER !!!

Danke für Deine Hinweis!

Und bei Holzprops NOCHMALS nach ein paar Flugstunden samt ihren Temperatur- und Feuchtigkeitswechsel.

Ich habe mal einen Prop gehabt, von dem musste ich 1 (einen!) cm einseitig versuchsweise abschneiden, dass er halbwegs in statischer Wucht war! So unterschiedlich war die Holzdichte. War KEINE Menz!

Dass der natürlich nie auf ein Modell kam, erwähne ich nur sicherheitshalber.

@ Alle:
Habe leider ein vibrationsfreudiges Materialdetail vergessen, da bei mir nicht in Verwendung:

:( Achsenlose Biegescharniere, die sich natürlich Ruderspalt-abhängig beliebig verformen können. :(

Quasi das Biege-U überlagert mit einem Scherungs-S.

Grüße aus Wien,
Rudolf

[ 11. September 2002, 08:46: Beitrag editiert von: Rudolf Fiala ]
 

mec

User
bei unserer turboprop ist mir erstmals bewußt geworden, welche folgen ein unwuchtiger propeller haben muß.
unser antrieb läuft bauartbedingt ohne jegliche vibrationen. umso dümmer schaute ich, als nach genauer wuchtung des propellers und anschließendem probelauf die maschine rüttelte und schüttelte. die folgenden probeläufe nützten wir für genaues nachwuchten im flugfertigen zustand.
meine statische wuchtmaschine (ausgestattet mit kugellagern) war einfach zu ungenau. man merkte zwar sofort jedes kleine stückchen tixo (2 cm lang) oder einen eizigen sprüstoß aus der spraydose, aber das war bei einem 21x12 prop eben zu ungenau.
dazu kamen damals noch differenzen im blattspurlauf, sodass ein wuchten überhaupt erfolglos blieb. zur zeit erachte ich einen blattspurlauf von unter 1mm differenz als unentberlich. das genaue auswuchten bei diesem prop liegt dann im 2-3mg bereich und ist zur zeit nur an der maschine möglich.

ich wollte damit eigentlich nur darauf hinweisen, dass ein unwuchtiger prop für enorme vibrationen an der antriebseinheit und rumpf sorgt. diese addieren sich dann natürlich im schlimmsten fall zu den schütteleien des hubkolbenmotors.

mec
 
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