Verständnisfrage zum Rotorkopf

[Jigidy]

Hallo Leute,
ich hab da ein kleines Verständnisproblem. Also der Anstellwinkel bzw. der Auftrieb wird ja über die Taumelscheibe geregelt, die die Anlenkstangen nach oben oder unten schiebt bzw. zieht. Also Taumelscheibe nach oben => mehr Auftrieb. Taumelscheibe nur hinten nach oben => der Heli kippt nach vorne weil er hinten mehr Auftrieb hat.
Soweit is alles klar bei mir.
Was ich mir dabei aber nicht erklären kann is das die Anlenkstangen, die den Anstellwinkel steuern 90° zu den Blatthaltern versetzt sind!
Das müsste ja dann eigentlich bedeuten, wenn die Taumelscheibe nach vorne kippt, kippt der Heli nach links
Kann mir jemand helfen?

[gonyo]

AW: Verständnisfrage zum Rotorkopf

Das heisst Kreiselpraezision und laesst sich wie folgt erkennen (fuehlen):
Die Kreiselpräzession selbst ist nicht ganz so leicht zu verstehen, aber um so leichter zu erfühlen. Vorderad vom Fahrrad ausbauen, mit zwei Händen an der Achse festhalten und auf Drehzahl bringen. Vorsichtig kippen (nicht den guten Anzug dabei versauen!)

Daß der Hubschrauberrotor nicht wie der Kreisel um 90° versetzt ausweicht liegt daran, daß er nicht frei kippen kann. Die Schlaggelenke liegen i.A. nicht genau in der Mitte des Rotors, sondern weiter außen, so daß ein Teil des Drehmomentes nicht den Rotor kippt, sondern als Moment auf die Hauptrotorwelle übertragen wird. Aufgrund der Trägheit des Rumpfes wirkt ein Gegenmoment zurück (also 180° verdreht) auf den Rotor, welchem der Rotor wieder 90° versetzt ausweichen will (macht 90°+180°+90°=360°, also genau in die Richtung, in der der Rotor ursprünglich zu kippen versucht wurde). Da aber nur Teil des Momentes vom Rotor auf den Rumpf übertragen wird, ist dieses Gegemoment kleiner, so daß in der Summe ein Ausweichen um etwas weniger als 90° erfolgt).

Gruss
Peter

[xels]

AW: Verständnisfrage zum Rotorkopf

Weiß nicht ganz was du meinst. Erklär mal genauer bzw. stell ein Foto ein von dem Teil den du nicht verstehst.

[Jigidy]

AW: Verständnisfrage zum Rotorkopf

Das klingt kompliziert aber ich glaub ich verstehs!
Danke für die Antwort

[Jigidy]

AW: Verständnisfrage zum Rotorkopf

@xels
Ich versuchs mal genauer.
Du schaust nen Heli mit FBL-Kopf von hinten an und die Rotorblätter stehn 90° zum Heckrohr.
Dann kippst du die Taumelscheibe nach vorne, was du ja tust um den Heli nach vorn zu kippen.
Dann geht die Anlenkstange die grade hinten steht nach oben und erhöht den Anstellwinkel des Rotorblatts, welches gerade rechts steht.
Und das hab ich nich verstanden weil dann meines Verständnisses nach der Heli nach links kippen müsste

[Aexxl]

AW: Verständnisfrage zum Rotorkopf

Ich versuch es mal einfach zu erklären:

Bei einem drehendem System gibt es eine Phasenverschiebung um 90°.
Das heisst, gibst du einen Impuls vor, z.B. kippen der Taumelscheibe, wirkt der Effekt dieses Impulses erst 90° versetzt.
Also das rechte Blatt geht hoch, aber erst 90° später, also hinten entsteht der Auftrieb. (Beim Rechtsdreher)

Nimm mal ein Pendel in die Hand und lass es gleichmässig im Kreis schwingen.
Du wirst feststellen, das die Bewegung des Pendels gegenüber deiner Hand um genau 90° hinter her hinkt.

[Jigidy]

AW: Verständnisfrage zum Rotorkopf

Danke für die Erklärungen!
Ich glaub den Begriff Präzession hab ich schonmal vor längerem in der Uni gehört.
Langsam kommt die Erinnerung wieder

[Aexxl]

AW: Verständnisfrage zum Rotorkopf

Gern geschehen
Und wenn du es genauer wissen möchtest:

Helisteuerung

[K e v]

AW: Verständnisfrage zum Rotorkopf

Das wurde mittlerweile so oft falsch erklärt das ich das jetzt mal richtig stellen will.

Aexxels Antwort geht schon mal in die richtige Richtung ohne aber den Hintergrund zu erklären. Den Rest den du gelesen hast vergisst du mal lieber wieder schnell da steckt überall ein Fünkchen Wahrheit drin vermischt mit vielen Halbwahrheiten und noch mehr falschem.
Vorsicht jetzt kommt viel Physik.
Also man kann ein Blatt das am Schlaggelenk was bei uns die Gummidämpfer sind als ein schwingungsfähiges System betrachten. Stell dir das Blatt einfach wie ein Uhrenpendel vor, das ist letztendlich nix anderes nur das das Pendel nach unten hängt. Hier hast du die Schwerkraft als Antrieb. Beim Rotor ist die Zentrifugalkraft äquivalent zur Schwerkraft wenn man das Pendel als vergleichbares Beispiel nimmt.


Um das alles besser zu erklären definier ich mir mal eine Art Koordinatensystem. Also gehen wir von einem Rechtsdreher aus und legen mal fest wenn das Blatt genau vorne über der Haube steht nennen wir das 0 Grad Stellung die über dem Heckrohr 180 Grad Stellung und dazwischen wenn die Blätter quer zum Heli stehen jeweils 90 bzw. 270 Grad Stellung.

Die ßhnlichkeit zum Pendel und die Sinusförmige Ansteuerung weisen schon auf eine Schwingung hin. Man kann es auch mathematisch beweisen.

Letztendlich sind in den Gleichungen die eine Schwingung beschreiben immer ein Sinus (oder Cosinus) drin.

Sie sehen immer ungefähr so aus. Größe=Amplitude*sin(w*t+Phasenverschiebung)
w ist hier die Kreisfrequenz.

Gut wenn du jetzt versuchst den letztendlichen Ausschlagwinkel des Blatts herzuleiten(nicht die Ansteuerung!!!) kommst du auf eine Formel dieser Form womit bewiesen ist das es sich um eine harmonische Schwingung handelt. Für solche Schwingungen gibt es jetzt einige Gesetzmäßigkeiten. Zb gibt es die sogenannte Eigenfrequenz. Man hat sicherlich das Beispiel mit der Brücke und den marschierenden Soldaten schon mal gehört. Letztendlich schaukeln sich die Amplituden wenn das System mit seiner Eigenfrequenz angesteuert wird immer weiter auf bis sie zu groß werden und die Brücke einstürzt. So eine Frequenz gibt es natürlich auch beim Rotorkopf und ist aus der Schwingungsgleichung her leitbar. Für den vereinfachten Fall von dem ich hier schon ausgehe weil mir danach die Mathematik zu umfangreich wird ist die Eigenfrequenz des Systems gleich der anregenden Frequenz. Die Vereinfachungen für diesen Fall sind zum einen das die Schwerkraft vernachlässigt wird (sie ist sowieso um so vieles kleiner als die Zentrifugalkraft), die Luftwiderstände nicht mit eingehen und der Schlaggelenkabstand gleich 0 gesetzt wird. Das hieße praktische das Schlaggelenk liegt genau auf Höhe der Rotorwelle.

Die anregende Frequenz ist letztendlich die Rotordrehfrequenz sprich die Drehzahl... umso schneller sie ist umso kleiner wird die Umlaufzeit eines Blattes bis es einmal 360 Grad gedreht ist. Dabei wird es durch die Taumelscheibe jedes mal angesteuert.

So jetzt kommen wir zu den 90 Grad. Generell gesagt gibt es bei schwingenden Systemen eigentlich immer eine Phasenverschiebung. Das heißt so viel wie das die angeregte Frequenz der anregenden immer einen Tick oder auch mehr hinter hereilt. Wieder Beispiel Pendel, die Anregung ist letztendlich die Schwerkraft und wie sie sich in Bewegungsrichgung des Pendels aufteilt. Also wenn das Pendel ganz oben waagerecht steht entwickelt die Schwerkraft ihre "volle Wirkung" und wenn das Pendel senkrecht unten steht hat die Schwerkraft keinerlei Auswirkung, zwischendrin nimmt sie ab. Man kann sich die Kraft vektoriell also so zerlegen und merkt das die Schwerkraft auf das Pendel letztendlich Cosinus oder Sinusförmig wirkt je nachdem wo du den Startpunkt festlegst. Das ist also die anregende Frequenz. Wenn wir uns die von der Schwerkraft erzeugte Geschwindigkeit ansehen ist es genau andersrum wenn das Pendel waagerecht steht ist sie gleich 0 und ist maximal genau ganz unten. Du siehst also die Angeregte Schwingung sprich Geschwindigkeit eilt der Anregung hinterher.

Wie weit die angeregte nun hinterher hängt ist abhängig vom Verhältnis der Frequenz der anregenden Schwingung zur Eigenfrequenz. Also zurück zum Heli. In unserem Idealisierten Fall habe ich gesagt das die Eigenfrequenz gleich der anregenden ist also ist f/f0=1
f als Frequenz und f0 als Eigenfrequenz.

Hier jetzt ein Bild dazu. Achte erst einmal nur auf das untere.
Leider habe ich kein besseres gefunden und es ist alles ein bisschen andersrum bzw. andere Achsen als das Bild was ich hier vor mir hab. Deswegen ist es genau gespiegelt und deswegen stehen an den Achsen auch Minus 0 Grad zb obwohl es natürlich +0 Grad bzw+90 Grad sind. Die vielen Linien sind das Verhalten bei verschiedenen Dämpfungsgraden der Schwingung. Bei der X-Achse musst du wissen das 10 hoch 0 =1 ist. Sie haben es halt nur in Zehnerpotenzen geschrieben. Hier siehst du das jede Schwingung bei einen Frequenzverhältniss von 1 egal mit welchem Dämpfungsgrad eine Phasenverschiebung von 90 Grad hat. Bei dem vereinfachten Fall beträgt die Dämpfung 0 also die rote Linie.


Ja jetzt sollte man sich natürlich Fragen. Einen Heli genau mit der Eigenfrequenz zu betreiben und noch dazu mit einer Dämpfung von 0 müsste eine Katastrophe auslösen. Dem wäre auch so. Auf dem Bild hier siehst du angedeutet für Schwingungen die Amplitude bei Eigenfrequenz abhängig von der Dämpfung


Bei Dämpfung 0 gehen sie ins Unendliche und wären untragbar. Aus diesem Fall muss man natürlich in der Realität raus. Man hat zwar die Dämpfung die die Amplituden mindern in der Realität aber sie sind immer noch zu hoch. Also muss man den Heli so bauen das man den Heli nichtmehr in der Eigenfrequenz betreibt man muss also von dem Verhältnis f/f0=1 weg. Andererseits darf man sich davon nicht zuweit entfernen weil die Nähe zur Resonanz prompte und schnelle Steuerreaktionen ermöglicht. In der Realität hast du als Dämpfung den Luftwiderstand und den Schlaggelenkabstand. Dadurch kommst du aus der Resonanz raus was aber auch dazu führt das die Phasenverschiebung nichtmehr=90 Grad ist. ßber verschiedene konstruktive Maßnahmen kannst du trotzdem wieder 90 Grad erreichen oder einfach mit einer anderen Phasenverschiebung leben und die Anlenkgestänge entsprechend korrigieren. So hat zb die BO105 eine Phasenverschiebung von 72 Grad wenn ich mich recht entsinne.



So ich hoffe das war jetzt einigermaßen verständlich und das wäre für einige Zeit genau festgehalten. Bevor jetzt wieder Diskussionen ala das ist doch ganz anders aufkommen möchte ich sagen. Ich habe mich jetzt über 2 Jahre mit der Physik und Aerodynamik von Hubschraubern beschäftigt und das Beste was ich bis jetzt gelesen habe und woher ich den Großteil meiner Informationen habe ist das Buch "Flugmechanik der Hubschrauber" von Walter Bittner. Dieses Buch ist die begleitende Literatur zu einer Vorlesung mit dem gleichem Namen die an der TU München gehalten wird. Der Autor war vorher Leitender Ingenieur des Vorentwurfs bei MBB und hat die BO105 mitentwickelt. Ich denke er sollte als Quelle nahezu unantastbar sein.

So lang genug geschrieben. Alles nicht leicht zu verstehen aber so ist es nun mal. Wer mehr wissen möchte sollte sich das oben genannte Buch zulegen auch wenn es ca 100€ kostet. Dort ist auch die gesamte Mathematik mit aufgeführt auch für die Fälle mit Schlaggelenkabstand Schwerkraft und Luftwiderständen.

Gruß Kevin

[firehead]

AW: Verständnisfrage zum Rotorkopf

Dem, was Kevin geschrieben hat, kann man nichts mehr hinzufügen ... selten so eine perfekte Erklärung zu dem Thema gelesen (würde dir gerne mehr als nur ein einziges "Danke" geben ). Wer alles mal Regelungstechnik an der Uni gehört hat, dem wird das bekannt vorkommen. Dass die 90° nicht aus der Kreiselwirkung resultieren kann man in unserem Hobby z.B. auch an den Koaxen sehen. Diese haben bauartbedingt nämlich nur eine Phasenverschiebung von 45° zwischen Anregung und Reaktion.

Gruß
Michael

[K e v]

AW: Verständnisfrage zum Rotorkopf

Ich hab einen kleinen Fehler entdeckt der sich eingeschlichen. Vor dem Bild mit der Phasenverschiebung sage ich das in dem idealisiertem Fall die Dämpfung 0 ist und das der roten Linie entspricht. Es entspicht nicht der roten Linie! Dämpfung 0,05 und 0,2 sind zb eingezeichnet. Dämpfung 0 selber nicht aber mit 0,2 und 0,05 kann man sich vorstellen wo genau 0 Dämpfung verlaufen würde.

Gruß Kevin

[Jigidy]

AW: Verständnisfrage zum Rotorkopf

Sehr schöne Erklärung Kev!

[Pirelli]

AW: Verständnisfrage zum Rotorkopf

Boooaaahhh......Richtig harter Toback........
Um das zu verstehen brauchts ja doch ein wenig Grips.
Zugegeben, bei mir ist die Erleuchtung noch nicht angekommen.

[Klaus13]

AW: Verständnisfrage zum Rotorkopf

Nur gut, dass mein Heli auch fliegt, ohne dass ich das vollständig verstehe (aber das war natürlich nicht die Frage). Schon klasse, welche Experten wir hier haben, Hut ab und Danke.

Gruß Klaus

[Mazzen]

AW: Verständnisfrage zum Rotorkopf

Wow, interessante Frage und klasse Antworten! Ich seh zwar den Wald vor lauter Bäumen nicht mehr aber das macht Spaß es zu lesen und an zu fangen es zu verstehen. Dank euch.