Normen zur Propellerwuchtung für Drohnen

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ISO 21940-11:2016 rotor balancing standard

Von Lauren Nagel

Die Auswuchtung von Propellern ist ein entscheidender Prozess, um den reibungslosen Betrieb, die Zuverlässigkeit und die Langlebigkeit von UAVs (Unbemannten Luftfahrzeugen) sicherzustellen. Die Unwucht eines Propellers kann zu Vibrationen, Lärm und beschleunigtem Verschleiß an wichtigen Komponenten führen, was die Flugleistung negativ beeinflussen kann. 

Der Standard ISO 21940-11:2016 bietet einen weitverbreiteten Rahmen für die Rotorwuchtung und definiert zulässige Unwuchtwerte, um eine optimale Rotorleistung zu erzielen.

Dieser Artikel untersucht die wichtigsten Konzepte hinter dem Standard ISO 21940-11:2016, die Methoden zur Bestimmung der Wuchtqualität und die nächsten Schritte, wie UAV-Propeller ausgewuchtet werden können.

Inhaltsverzeichnis

  1. ISO-Standard für Rotorwuchtung

  2. Methoden zur Bestimmung der zulässigen Restunwucht

  3. Zusammenfassende Tabelle der Wuchtklassen

  4. Nächste Schritte

Klicken Sie auf diese Links, um zu erfahren, wie unbalancierte Propeller übermäßige Vibrationen und erhöhten Lärm bei Drohnen verursachen.

ISO 21940-11 Propellerwuchtungsstandard

1. ISO-Standard für Rotorwuchtung

Der am häufigsten zitierte Standard für die Propellerwuchtung ist ISO 21940-11:2016, „Verfahren und Toleranzen für Rotoren mit starrem Verhalten“. Er ersetzt den vorherigen Standard 1940:1-2003 mit aktualisierten Definitionen und breiteren Anwendungsbereichen.

Der neue Standard, der 2016 festgelegt wurde, folgt einer einfachen Prämisse: Der Grad der Unwucht (U) eines Rotors gilt als akzeptabel, wenn die Restunwucht U kleiner oder gleich einer vordefinierten zulässigen Restunwucht Uper ist. Uper wird als die Gesamttoleranz in der Ebene des Schwerpunkts definiert und ist proportional zur Masse des Rotors:

Uper-Formel Rotorwuchtung

Sie wird in kg·m (Kilogramm-Meter), g·mm (Gramm-Millimeter), kg·mm (Kilogramm-Millimeter) oder mg·mm (Milligramm-Millimeter) gemessen.

Das Verhältnis von Uper zur Rotormasse wird als eper bezeichnet, definiert als die zulässige spezifische Restunwucht:
eper-Formel Rotorwuchtung

Sie wird in kg·m/kg (Kilogramm-Meter pro Kilogramm), m (Meter), g·mm/kg (Gramm-Millimeter pro Kilogramm) oder μm (Mikrometer) gemessen, wobei μm oft die bevorzugte Einheit ist, da viele eper-Werte zwischen 0,1 μm und 10 μm liegen.

Für einen Rotor mit nur einer resultierenden Unwucht (und einer vernachlässigbaren Momentenunwucht) ist eper der Abstand zwischen dem Schwerpunkt des Rotors und der Wellenachse.

Es wurde beobachtet, dass eper typischerweise umgekehrt proportional zur Nenndrehzahl n des Rotors variiert: 

eper-Gleichung Rotorwuchtung

Für die Rotorwuchtung von UAVs könnte man „Nenndrehzahl“ durch „Kreuzfahrtdrehzahl“ ersetzen, die Drehzahl, bei der der Propeller während des Kreuzfluges betrieben wird.

Diese Beziehung kann auch wie folgt ausgedrückt werden:

c Propellerwuchtungs-Konstantengleichung

wobei

Ω = die Winkelgeschwindigkeit der Kreuzfahrtdrehzahl in rad/s

c ist eine Konstante

Anders ausgedrückt:
Propeller-Winkelgeschwindigkeitsformel

wobei n = die Kreuzfahrtdrehzahl in Umdrehungen pro Minute.

Empfohlen für Sie: Vergleich von Propeller-Schubprüfständen

2. Methoden zur Bestimmung der zulässigen Restunwucht

ISO 21940-11:2016 legt fünf Methoden fest, die verwendet werden können, um den Betrag der zulässigen Restunwucht zu bestimmen: 

  1. Wuchtqualitätsklassen, abgeleitet aus langjähriger praktischer Erfahrung mit einer großen Anzahl verschiedener Rotoren

  2. Experimentelle Bewertung zulässiger Restunwuchten

  3. Begrenzte Lagerkräfte aufgrund von Unwucht

  4. Begrenzte Vibrationen aufgrund von Unwucht

  5. Etablierte Erfahrung mit Unwuchttoleranzen

Für die Methoden 3 und 4 besteht das Ziel jeweils darin, Lagerkräfte und Vibrationen zu begrenzen. Die Wuchtqualitätstoleranzen werden durch die entsprechenden Lagerkraft- und Vibrationsgrenzwerte festgelegt.

Die Methoden 2 und 5 werden am häufigsten von Organisationen angewendet, die eine beträchtliche Menge an Wuchtungsdaten für ihre spezifischen Rotoren gesammelt haben, die ausreicht, um intern Wuchtqualitätstoleranzen festzulegen.

Methode 1 verwendet einen globalen Standard, der auf „weltweiter Erfahrung und Ähnlichkeitsbetrachtungen“ basiert, um Wuchtqualitätsanforderungen für typische Maschinentypen festzulegen.

Die Einheit für die Wuchtqualitätsklasse nach Methode 1 ist „G“, was dem Betrag von eperΩ entspricht, ausgedrückt in mm/s (Millimeter pro Sekunde). Wenn beispielsweise eperΩ = 6,3 mm/s ist, dann ist die Wuchtqualitätsklasse = G 6.3.

3. Zusammenfassende Tabelle der Wuchtqualitätsklassen


Maschinentypen: allgemeine Beispiele

Wuchtqualitätsklasse (G)

Betrag (eperΩ mm/s)

Kurbeltrieb für große, langsame Marine-Dieselmotoren, von Natur aus ausgewuchtet

G 1600

1600

Autos: Räder, Felgen, Antriebswellen

G 40

40

Flugzeug-Gasturbine
Elektromotoren mit Wellenhöhe <80mm

G 6.3

6.3

Elektromotoren mit Wellenhöhe ≥80 mm
Gasturbinen und Dampfturbinen

G 2.5

2.5

Gyroskope

G 0.4

0.4


UAV-Propeller werden typischerweise auf eine Wuchtqualitätsklasse von G 6.3 ausgewuchtet, was niedrige Vibrationsniveaus und einen reibungslosen Betrieb gewährleistet. Dies minimiert die Belastung der Komponenten, verhindert übermäßigen Verschleiß und vermeidet Störungen der Sensoreigenschaften.

4. Nächste Schritte

Wir hoffen, dass dieser Artikel informativ war. Wenn Sie weitere Fragen zu Propellerwuchtungsstandards haben, lassen Sie es uns in den Kommentaren wissen.

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