Auswuchten von Propellern zur Leistungssteigerung von UAVs – Weißbuch

Von Lauren Nagel

Zusammenfassung

Unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) sind auf gut ausbalancierte Propeller angewiesen, um optimale Leistung, Effizienz und Langlebigkeit zu erreichen. Selbst geringfügige Unwuchten des Propellers können jedoch eine positive Rückkopplung mechanischer Belastung auslösen, die zu erhöhten Vibrationen, verringerter Schubeffizienz, höherem Stromverbrauch und beschleunigtem Verschleiß kritischer Komponenten führt. Mit der Zeit beeinträchtigen diese Effekte das Antriebssystem, die Lager, die Leistung des Flugcontrollers und die strukturelle Integrität des UAVs und verkürzen letztendlich dessen mittlere Zeit bis zum Ausfall (MTTF) und erhöhen die Betriebskosten.

Dieses Weißbuch untersucht die Ursachen, Folgen und Lösungen für Unwuchten von UAV-Propellern. Es betrachtet Industriestandards wie ISO 21940-11:2016, die Richtlinien für zulässige Restunwuchten enthält.

Um die mit unbalancierten Propellern verbundenen Risiken zu mindern, bewertet das Weißbuch statische vs. dynamische Auswuchtverfahren. Während die statische Auswuchtung eine einfache, kostengünstige Methode zur Korrektur der Massenverteilung bietet, fehlt ihr die für professionelle UAV-Anwendungen erforderliche Präzision. Im Gegensatz dazu bietet die dynamische Auswuchtung Korrekturen auf Basis von Messungen, die durchgeführt werden, während der Propeller rotiert, und gewährleistet so ein höheres Maß an Genauigkeit, die Einhaltung von Industriestandards und eine verlängerte Lebensdauer der Komponenten. Die Einführung dynamischer Auswuchtlösungen ermöglicht es UAV-Herstellern und -Betreibern, Verschleiß zu reduzieren, die Flugeffizienz zu verbessern und die allgemeine Zuverlässigkeit des UAVs zu erhöhen.

Indem UAV-Profis die Ursache der Propellerunwucht direkt angehen, können sie Ausfallzeiten reduzieren, Wartungskosten senken und stabile, effiziente Flüge in verschiedenen Einsatzumgebungen sicherstellen.

Teil 1: Hintergrund

Gut ausbalancierte Propeller sind eine entscheidende Komponente leistungsstarker UAVs. So wie ausbalancierte Propeller der Schlüssel zum Erfolg sind, können unbalancierte Propeller zu Ausfällen in Form von Leistungseinbußen, Belastung der Komponenten und verringerter Wettbewerbsfähigkeit auf dem Markt führen.

Bei kleinen UAVs sind Propeller oft billig und leicht austauschbar. Kosten beginnen sich anzusammeln, wenn ein propellerbedingter Ausfall zu Schäden am gesamten UAV führt oder wenn ein Ausfall bei größeren Drohnen mit großen Propellern auftritt, die teurer zu ersetzen sind.

Dieses Weißbuch vertieft sich in die Feinheiten der Propellerauswuchtung und hebt ihre Bedeutung für die Aufrechterhaltung der Funktionalität, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit des UAVs hervor.

1.1 Was ist Propellerauswuchtung?

Im Allgemeinen beschreibt die Propellerauswuchtung das Verfahren, um die Balance über die Blätter und Achsen eines Propellers zu erreichen, wobei der Fokus auf Größe, Masse und Kraftentwicklung liegt.

Propeller werden typischerweise auf eine von drei Arten ausgewuchtet: statisch, dynamisch und aerodynamisch. Statische und dynamische Auswuchtung bestehen darin, Gewichte am Propeller anzubringen, um eine gleiche Masse über den Propeller zu erreichen, wenn er ruht (statische Auswuchtung) oder bei der Betriebsdrehzahl (dynamische Auswuchtung). Diese Arten der Unwuchtkorrektur beheben die Abweichungen zwischen dem Massenschwerpunkt und dem Drehzentrum.

Im Gegensatz dazu konzentriert sich die aerodynamische Auswuchtung darauf, eine gleiche Schubentwicklung zu erreichen, indem die physikalischen Eigenschaften der Blätter wie Blattform und Anstellwinkel angepasst werden. Sie wird oft als Tracking bezeichnet. Aerodynamische Auswuchtung kann durch Messung des Pitch- und Rollmoments am Motor oder durch das Verfolgen jedes Blattes während einer Rotation festgestellt werden, um sicherzustellen, dass sie beide derselben Bahn folgen. 

Dieser Artikel wird die statische und dynamische Auswuchtung behandeln, die vor der aerodynamischen Auswuchtung durchgeführt werden sollte.

In ISO 21940-11:2016 wird die Propellerauswuchtung als „Verfahren definiert, bei dem die Massenverteilung eines Rotors untersucht und gegebenenfalls angepasst wird, um sicherzustellen, dass die Restunwucht oder Vibration im Betrieb innerhalb der festgelegten Grenzwerte liegt“ (ISO, 2016). Eine visuellere Definition der Propellerauswuchtung würde sie als das Hinzufügen oder Entfernen von Gewicht an einem Propeller beschreiben, um eine nahezu gleiche Massenverteilung um den Mittelpunkt zu erreichen.

Abbildung 1: Hinzufügen von Gewichten an die Blätter eines Propellers, um eine gleichmäßige Massenverteilung zu erreichen

1.2 Standards für die Propellerauswuchtung

Derzeit ist der am häufigsten zitierte Standard für die Propellerauswuchtung ISO 21940-11:2016, „Verfahren und Toleranzen für Rotoren mit starrem Verhalten“.

Er ersetzt den vorherigen Standard ISO 1940-1:2003 mit aktualisierten Definitionen und breiteren Anwendungen.

Der neue Standard, der 2016 festgelegt wurde, folgt einer einfachen Prämisse: Der Grad der Unwucht (U) in einem Rotor gilt als akzeptabel, wenn die Restunwucht, U_res, kleiner oder gleich einer vordefinierten zulässigen Restunwucht, U_per, ist.

U_per wird als die Gesamttoleranz in der Ebene des Massenschwerpunkts definiert und ist proportional zur Masse des Rotors:

U_per ∝ m

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

Das Verhältnis von U_per zur Rotormasse wird als e_per bezeichnet, definiert als die zulässige spezifische Restunwucht:

e_per = U_per m

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 e_per-Werte zwischen 0,1 μm und 10 μm liegen.

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

Es wurde beobachtet, dass e_per typischerweise umgekehrt proportional zur Betriebsdrehzahl n des Rotors variiert:

e_per ∝ 1 n

Für die Auswuchtung von UAV-Rotoren könnte man „Betriebsdrehzahl“ durch „Kreuzfahrtdrehzahl“ ersetzen, oder die Drehzahl in U/min, bei der der Propeller während des Kreuzfluges arbeitet.

Diese Beziehung kann auch wie folgt ausgedrückt werden:

e_per = c Ω

wobei

Ω = die Winkelgeschwindigkeit der Kreuzfahrtdrehzahl in rad/s

c ist eine Konstante

Anders ausgedrückt:

Ω = 2πn 60

wobei n = Kreuzfahrtdrehzahl in Umdrehungen/Minute.

ISO 21940-11:2016 spezifiziert fünf Methoden, die verwendet werden können, um die Größe der zulässigen Restunwucht zu bestimmen: 

1. Auswuchtgüteklassen, abgeleitet aus langjährigen praktischen Erfahrungen mit einer großen Anzahl verschiedener Rotoren
2. Experimentelle Bewertung zulässiger Restunwuchten
3. Begrenzte Lagerkräfte aufgrund von Unwuchten
4. Begrenzte Vibrationen aufgrund von Unwuchten
5. Etablierte Erfahrungen mit Unwuchttoleranzen

Für die Methoden 3 und 4 sind die Ziele, beziehungsweise, die Begrenzung der Lagerkräfte und der Vibrationen. Die Toleranzen der Auswuchtgüte werden durch die entsprechenden Lagerkraft- und Vibrationsgrenzwerte festgelegt.

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

Methode 1 verwendet einen globalen Standard basierend auf „weltweiten Erfahrungen und Ähnlichkeitsbetrachtungen“, um Auswuchtgüteanforderungen für typische Maschinentypen festzulegen.

Die Einheit für die Auswuchtgüteklasse nach Methode 1 ist „G“, äquivalent zum Betrag von e_perΩ, ausgedrückt in mm/s (Millimeter pro Sekunde). D. h., wenn e_perΩ = 6,3 mm/s ist, dann ist die Auswuchtgüteklasse = G 6,3, was zufällig die am häufigsten zitierte Klasse für die Auswuchtung von UAV-Rotoren ist.

Nachfolgend finden Sie eine Zusammenfassungstabelle der Auswuchtgüteklassen für gängige Maschinentypen:

1.3 Ursachen für Propellerunwuchten

Es gibt viele Variablen, die eine Unwucht in einem Propeller verursachen können. 

Kumulative Belastung ist eine häufige Ursache für Propellerunwuchten während des regulären Betriebs. Winzige Unvollkommenheiten während der Herstellung können im Laufe der Zeit verschlimmert werden, insbesondere nach vielen Stunden des Betriebs bei hohen U/min. Ein unbalancierter Propeller führt zu erhöhten Vibrationen, die zu Lockerungen von Komponenten, Fehlausrichtungen, Rissen und anderen schädlichen Effekten führen können, die in einer positiven Rückkopplung die Auswuchtung des Propellers weiter verschlechtern.

Schäden an Propellern bei Stößen oder Bodenkontakt können ebenfalls zu Materialverlusten führen, die zu einem unbalancierten Propeller resultieren. Bei kleineren UAVs mit günstigen Propellern ist es oft wirtschaftlicher, den Propeller einfach zu ersetzen. Bei größeren UAVs mit teureren Propellern kann es sinnvoll sein, den Propeller neu auszuwuchten, anstatt ihn zu ersetzen. Dennoch muss bei Flugzeugen jeder Größe auch die umfassendere Auswirkung des Schadens auf das System berücksichtigt werden, da der Motor oder andere Komponenten ebenfalls beschädigt worden sein könnten.

Temperaturbelastung kann ebenfalls Verformungen bei bestimmten Propellertypen verursachen, wie z. B. Nylon- und anderen Kunststoffpropellern.

Abbildung 2: Beschädigtes UAV-Propellerblatt (Bayne, 2022)

Teil 2: Folgen unbalancierter Propeller

2.0 Hintergrund

Unbalancierte Propeller erzeugen einen Dominoeffekt, der viele UAV-Systeme beeinträchtigt. Unabhängig von der Ursache der Unwucht führt die Hochgeschwindigkeitsrotation zu einer Asymmetrie, die immer wieder, Tausende Male pro Minute, ausgenutzt wird. Daher dauert es nicht lange, bis die Auswirkungen einer kleinen Unwucht das umfassendere Antriebssystem, die Sensoren und die Stabilität des Fluggeräts beeinträchtigen.

Nachfolgend finden Sie eine Zusammenfassung einiger der kritischsten Folgen unbalancierter Propeller in einem UAV.

2.1 Vibration

Vibration, die aus der Hochgeschwindigkeitsrotation eines unbalancierten Propellers resultiert, ist die Grundursache für viele der nachfolgenden Probleme, die in diesem Abschnitt behandelt werden. Mehrere frühere Studien haben gezeigt, wie Propellerunwuchten destabilisierende Vibrationen über verschiedene Flugzeugtypen hinweg verursachen können (Best, 1945; Loeffler, 1987; Fu, 2018). Diese Vibration führt zu Leistungseinbußen über die Systeme hinweg, was zu Schubverlusten, erhöhtem Lärm, beschleunigter Verschlechterung und verringerter Flugeffizienz führt.

In der Welt der Multirotor-Systeme haben mehrere Studien bestätigt, dass der kausale Zusammenhang zwischen Propellerunwucht und Vibration auch auf UAVs zutrifft, unter Verwendung von Methoden wie Onboard-Beschleunigungssensoren (Ghalamchi, 2018) und Messungen am Rotor (Lin, 2023). Andere Forschungen zielten darauf ab, Vibrationen und Unwuchten mithilfe berührungsloser Methoden wie der Analyse des Geräuschprofils (Rangel-Magdaleno, 2018) und der Laservibrometrie (Kuantama, 2019) abzuleiten.

Solche Studien haben uns geholfen, den Zusammenhang zwischen Propellerunwucht und Vibration besser zu verstehen, einschließlich der Frage, wann sie Anlass zur Sorge gibt.

In Kuantama (2019) wurde ein Laserdoppler-Vibrometer verwendet, um die Vibrationen in ausbalancierten und unbalancierten UAV-Propellern zu messen. In der Studie wurde ein Laserstrahl auf drei Bereiche des Propellers fokussiert, die Spitze, die Mitte des Blattes und die Nabe, wo er die dynamische Propellerbewegung überwachte, um die Vibrationsgeschwindigkeit abzuleiten. Vor den Experimenten verwendeten die Autoren ein statisches Auswuchtungsgerät, um den Propeller in zwei Bereichen auszuwuchten: dem Mittelpunkt der Blätter und der Nabe. Der Propeller wurde dann auf einen Rotor montiert und mit Drehzahlen von bis zu 7.000 U/min gedreht.

Abbildung 3: Laservibrometer-Testaufbau von Kuantama (2019)

Interessanterweise zeigte der 14”-Propeller bei höheren U/min eine viel größere Differenz der Vibrationsgeschwindigkeit zwischen den ausbalancierten und unbalancierten Modellen im Vergleich zum 13”-Propeller. Bei 5.000 U/min wies der unbalancierte 13”-Propeller eine um 12 % oder 0,4 m/s höhere Vibrationsgeschwindigkeit im Vergleich zum ausbalancierten Propeller auf. Im Vergleich dazu erreichte diese Differenz bei den 14”-unbalancierten und ausbalancierten Propellern 33 % oder einen Anstieg der Vibrationsgeschwindigkeit um 2,3 m/s. Die Autoren stellten fest, dass „über 4000 U/min ein dramatischer Anstieg der Vibrationsgeschwindigkeit auftrat“. 

Abbildung 4: Vibrationsgeschwindigkeit eines 13”-Propellers (links) und 14”-Propellers (rechts) (Kuantama, 2019)

Diese Ergebnisse stützen frühere Erkenntnisse, dass Vibrationen durch Propellerunwuchten bei höheren U/min eine größere Auswirkung haben und bei UAVs mit größeren Propellern schwerwiegender sein können.

Eine neuere Studie von Salem et al. (2025) zielte darauf ab, die Herausforderungen im Zusammenhang mit der Erkennung von Rotorenunwuchten in dynamischen Umgebungen zu bewältigen, wie z. B. solchen mit Windturbulenzen und Umgebungsgeräuschen.

Die Unwucht wurde in das System eingebracht, indem eine der Blattsschrauben an einem Propeller gelockert wurde. Die Vibrationsmuster wurden mit einem mikroelektromechanischen System (MEMS)-Sensor aufgezeichnet, der am Rumpf des UAV montiert war, und die aufgezeichneten Daten wurden verwendet, um ihr Multi-Layer-Perceptron (MLP)-Neuronennetzmodell zu trainieren, das später auf einen Testdatensatz angewendet werden sollte.

In ihren Ergebnissen stellten sie fest, dass das Vibrationsprofil des unbalancierten Rotors in allen drei Achsen (X, Y, Z) deutlich stärkere Vibrationen aufwies als der ausbalancierte Rotor. Die Abweichung war in der X-Achse am stärksten ausgeprägt, mit Spitzenwerten von über 2 g, aber die unregelmäßigen Muster, die in den Y- und Z-Achsen beobachtet wurden, deuten darauf hin, dass die Unwucht sekundäre Vibrationen im gesamten System verursachte. 

Der Autor merkt an: „Diese Schwankungen könnten nicht nur die Stabilität der UAV beeinträchtigen, sondern auch das Risiko eines mechanischen Versagens erhöhen, wenn sie nicht behoben werden.“

Abbildung 5: Vibrationsbeschleunigung für a) ausbalancierte und b) unbalancierte Propeller (Salem, 2025)

Ihr neuronales Netzwerk konnte bei Testdatensätzen einen Korrelationskoeffizienten von 0,9224 erreichen, was darauf hindeutet, dass das Modell verwendet werden kann, um spezifische Unwuchten in anderen Antriebssystemen mit ähnlichen Daten zu identifizieren.

Es ist unerlässlich, dass Vibrationen in UAV-Systemen präzise charakterisiert werden, da sie zu den in den folgenden Abschnitten besprochenen Faktoren beitragen.

2.2 Schubverlust

Es kann mathematisch abgeleitet und experimentell nachgewiesen werden, dass die Schubkraftentwicklung eines Propellers negativ von unbalancierten Blättern beeinflusst wird.

Mathematisch gesehen ist einer der Schlüsselfaktoren für den Schwebeschub (T) der Schubkoeffizient (C_T), wobei die Blattgeometrie einen wesentlichen Beitrag leistet (Rangel-Magdaleno, 2018):

T = C_T ρ A_r r² n²

C_T = T ρ n² D⁴

Wobei C_T der Schubkoeffizient, ρ die Luftdichte, A_r die Rotorflächenfläche, r der Radius des Propellers, n die Winkelgeschwindigkeit und D der Durchmesser des Propellers ist.

In Sedek (2018) und Mizui (2012) durchgeführte Forschungen haben dieses Phänomen experimentell bestätigt.

In Sedek (2018) wird gezeigt, dass eine Unwucht, die 5 % der Gesamtmasse des Propellers entspricht, zu einer Reduzierung des Schubs um bis zu 50 % führen kann. Es ist äußerst unwahrscheinlich, dass ein neuer kommerzieller Propeller einen so hohen Fehler aufweist, aber es ist denkbar, dass ein beschädigter Propeller einen Materialverlust erleidet, der zu einer solchen Unwucht führt.

Abbildung 6: Schub vs. Drehzahl für ausbalancierte und unbalancierte Propeller (Sedek, 2018)

Ein realistischeres Szenario wird in Mizui (2012) dargestellt, wo die Unwucht des Propellers nur knapp über 1 % der Gesamtmasse des Propellers beträgt. Diese Unwucht führte zu einer Schubreduzierung im Bereich von 2 bis 8 % bei Betriebsdrehzahlen von 2800 bis 5600 U/min.

Abbildung 7: Schub vs. Drehzahl für ausbalancierte und unbalancierte Propeller (Mizui, 2012)

Der Bediener erlebt daher einen reduzierten Schub oder einen erhöhten Stromverbrauch, wie in Rangel-Magdaleno et al. (2018) belegt wird, die zeigten, dass der Stromverbrauch bei einem Testpropeller mit zunehmender Unwucht anstieg. Das Team verwendete Tonsignale, um zu zeigen, dass die mit der Unwucht verbundenen Frequenzen den Drehzahlen entsprachen, bei denen der Stromverbrauch am höchsten war.

Abbildung 8: Median, Mittelwert und Standardabweichung für den Stromverbrauch von ausbalancierten und unbalancierten Propellern (Rangel-Magdaleno)

2.3 Lärm

Intuitiv nimmt man an, dass unbalancierte Propeller mehr Lärm erzeugen als ausbalancierte Propeller. Für kleine Unwuchten, die den Flug der UAV nicht wesentlich beeinträchtigen, sind die Ergebnisse jedoch gemischt.

Zum Beispiel beobachteten die Autoren in Pechan (2015) den gegenteiligen Effekt. Propeller mit verschiedenen Mängeln wie Ausstülpungen, Kerben und Massenunwuchten wurden hinsichtlich ihrer Lärmemission getestet und bei verschiedenen Drehzahlen von 3000 bis 5500 U/min gedreht.

In der Mehrheit ihrer Experimente zeigten die Propeller mit Ausstülpungen oder Kerben im Durchschnitt eine gleiche oder höhere Lärmemission (LZmax) im Vergleich zum unbeschädigten Propeller.

Abbildung 9: Der höchste gemessene Lärmpegel (LZmax) von beschädigten (B1 - B5), unbalancierten (B6) und glatten Propellern

Im Fall des unbalancierten Propellers, bei dem Material durch Schleifen von einem Blatt entfernt wurde, zeigten die Ergebnisse, dass der ausbalancierte Propeller bei 5000 U/min tatsächlich bei höheren Frequenzen mehr Lärm erzeugte. 

Abbildung 10: Lärmspektren von glatten und unbalancierten Propellern bei 3000 (links) und 5000 U/min (rechts)

Die Autoren geben nicht an, wie viel Material von dem Blatt entfernt wurde, und sie geben auch nicht an, ob die Balance des Propellers vor dem Test charakterisiert wurde, daher ist es schwierig zu entscheiden, wie man diese Ergebnisse zu interpretieren hat. Die Propeller, die durch Hinzufügen oder Entfernen von Material beschädigt wurden, wurden ebenfalls nicht im Detail charakterisiert und stellen wahrscheinlich selbst einen unbalancierten Zustand dar.

Die Autoren diskutieren den Unterschied zwischen tonalem und breitbandigem Lärm, den sie wie folgt unterscheiden: „Tonaler Lärm ist mit der Aerodynamik und Kinematik des Blattes in einer gleichförmigen Strömung verbunden, [...] Dicke, Belastung und Quadrupol-Lärm. Breitbandiger Lärm ist komplexer und wird durch die Wechselwirkung zwischen der Strömung und verschiedenen Komponenten des Blattes erzeugt.“ Die tonalen Lärmpegel stellen den größten Beitrag zum Gesamtlärm dar, während der breitbandige Lärm nur einen kleinen Teil ausmacht. Sie stellen fest, dass ein wesentlicher Beitrag zum tonalen Lärm der Dicke-Lärm ist, der durch die Dicke des Propellerblattes bestimmt wird.

Es könnte die Hypothese aufgestellt werden, dass durch die Reduzierung der Dicke des Blattes des unbalancierten Propellers durch Schleifen weniger Dicke-Lärm und eine geringere tonale Lärmproduktion beigetragen haben könnte.

In einer anderen Studie von Iannace (2019) wurden Messungen des Propellerlärms in einer schalltoten Kammer mit einer Quadcopter-UAV mit vier 2-Blatt-Propellern durchgeführt. Der Lärm wurde unter drei Bedingungen verglichen: 1) unveränderte Propeller, 2) Papierklebeband an einem Blatt eines der Propeller, 3) Papierklebeband an beiden Blättern eines der Propeller. Die Masse der UAV, der Propeller und des Papierklebebands wurde nicht angegeben.

Vier Mikrofone wurden an verschiedenen Positionen um die Drohne herum platziert und der lineare Schalldruckpegel wurde in dB gemessen. Interessanterweise gab es keine signifikanten Unterschiede im gemessenen Schall bei den drei verschiedenen Bedingungen. Der durchschnittliche Schallpegel der UAV mit vier ausbalancierten Propellern war tatsächlich etwas höher (1,4 dB Lin) als bei den beiden unbalancierten Bedingungen.

Abbildung 11: Schalldruckpegel in dB Lin für jede der drei Bedingungen

Obwohl sie sehr ähnliche Gesamtlärmpegel hatten, hatte jede der Bedingungen eine einzigartige Lärmsignatur, die das neuronale Netzwerk des Autors mit einer Erfolgsquote von über 97 % unterscheiden konnte.

Eine dritte von Semke (2020) durchgeführte Studie versuchte zu charakterisieren, wie sich Beschädigungen auf die Beschleunigung, die akustischen Pegel und die Flugleistung von UAVs auswirken. Die Tests wurden mit einer DJI Phantom 4 Pro mit vier einzigartigen Propellersets durchgeführt, zwei der Sets hatten ein leises Design und die anderen beiden Sets hatten ein Standarddesign. In jedem Set wurde ein Zentimeter Material von der Spitze eines der Propeller entfernt, um eine Unwucht einzuführen, während der andere unverändert blieb.

Die Ergebnisse zeigten, dass bei zwei der Standardblätter die unbalancierten Propeller eine Lärmpegelzunahme von 4 dB im Vergleich zu den unveränderten Propellern zeigten, 78 dB vs. 74 dB, oder eine Zunahme von 5 %. Im Gegensatz dazu zeigten die leisen Propeller kaum oder gar keinen Unterschied zwischen den beschädigten und unbeschädigten Bedingungen.

Abbildung 12: Schalldruckpegel in dB von UAVs mit unbeschädigten und beschädigten Propellern

Sie verglichen ähnlich die Vibration des Fluggeräts mit einem eingebauten Beschleunigungssensor. Die Ergebnisse spiegeln die akustischen Messungen wider. Alle Fluggeräte zeigten erhöhte Vibrationen, aber die Zunahme war bei UAVs mit den leisen Propellern weniger ausgeprägt.

Abbildung 13: Beschleunigungszunahme zwischen UAVs mit unbeschädigten und beschädigten Propellern

Jede dieser Studien geht davon aus, dass die Propeller und Motoren der UAV vor den Experimenten gut ausbalanciert waren. Es wäre interessant, weitere Studien zu diesen Effekten mit den folgenden Ergänzungen zu sehen: 1) bekannte Propellermasse, 2) bekannte Masse oder Größe der Unwucht, 3) eine Messung der Balance des Propellers gegen einen etablierten Standard vor dem Experiment. 

Es wäre auch interessant, diese Studien an größeren UAVs durchzuführen. Während Pechan (2015) einen 22” Xoar-Propeller getestet hat, verwendeten die beiden anderen Studien kleine Quadcopter.

Die Erkenntnis aus diesen Studien ist, dass kleine Unwuchten in UAV-Propellern die Lärmproduktion wahrscheinlich nicht signifikant erhöhen, große Unwuchten jedoch zu mehr Lärm führen können, insbesondere wenn die Propellergröße und Drehzahl zunehmen.

2.4 Verschlechterte Leistung des Flugcontrollers

Eine der Auswirkungen unbalancierter Propeller ist eine reduzierte Flugstabilität, die Korrekturmaßnahmen vom eingebauten Flugcontroller erfordert. Dies kann die Form von kompensatorischen Drehmomenteingaben annehmen, um Störungen entgegenzuwirken (Pose, 2024), oder konstante schnelle Anpassungen, um die Stabilität zu erhalten (Vertiq, n.d.). Diese Korrekturen erhöhen die Leistungsanforderungen des Flugcontrollers und verringern dadurch die Effizienz und Flugzeit der UAV.

Ein wichtiges Beispiel ist die Auswirkung der Unwucht auf die Inertiale Messeinheit (IMU), die für die Messung wichtiger Parameter wie Lage, Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit verantwortlich ist. IMUs sind sehr empfindlich gegenüber Vibrationen, und übermäßige Vibrationsbelastungen können zu Ermüdung und Brüchen führen, was zu Ausfällen in Mikroträgern und Metallabgriffen in mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) führt (Xu, 2024). Es wurde festgestellt, dass dies durch eine Synchronisierung der externen Beschleunigungsfrequenz mit der Eigenfrequenz der Verkabelung verursacht werden kann, was zu Resonanz und Spannungskonzentration führt (He, 2019). Eine andere Studie zeigte, dass solche Risse in Mikroträgern die Leistung des Gyroskops und damit die MEMS-Sensormessungen verschlechtern können (Larkin, 2020).

Die Verschlechterung der eingebauten Sensormessungen geht oft einem katastrophalen Ausfall der UAV voraus. In Pose (2024) führte die Vibration aufgrund der Propellerunwucht zu extremem Rauschen in den Trägheitsmessungen, was ungenaue Lageabschätzungen verursachte, die letztendlich zu mehreren Abstürzen führten.

2.5 Beschleunigter Verschleiß an Lagern

Der Zusammenhang zwischen Propellerunwucht und Vibration ist gut definiert, ebenso wie der Zusammenhang zwischen Vibration und Lagerschädigung, insbesondere in älteren Branchen wie der industriellen Fertigung. In Li (2023) wurde eine Testanlage entwickelt, um das Verhalten von Wälzlagern unter Vibrationsanregung zu untersuchen. Die Forschung zeigte, dass diese Anregung die Beschleunigung und die Achsentrajektorie des Lagers signifikant erhöhen und die Lagersteifigkeit reduzieren kann, was die Verschlechterung beschleunigt.

Der Großteil der Arbeit über den Zusammenhang zwischen Vibration und Lebensdauer von Lagern in UAVs konzentriert sich darauf, wie Lagerschädigung zu erhöhter Vibration führt.

In Banerjee (2023) verwendeten Forscher des NASA Langley Research Center eine DJI S1000 UAV, um experimentell Vibrationsanomalien in einem Fluggerät mit beschädigten Lagern zu erkennen. Sie entwickelten eine normalisierte Gesundheitsdiagnosefunktion namens „Vibrational Anomaly Indicator (VAI)“, um Vibrationssignaturen zu identifizieren, die einzigartig für Flüge mit fehlerhaften Lagern sind. Der Indikator verwendete ein Verhältnis von einzigartigen Vibrationsereignissen zu nicht-einzigartigen Ereignissen, um jedes System zu bewerten.

Die Diagnose ermöglichte es ihnen, zwischen intakten und beschädigten Systemen zu unterscheiden, die VAI-Werte von 0,04 (a) und 0,08 (b) für intakte Systeme zeigten, und 0,65 (c) und 0,84 (d) für beschädigte Systeme.

Abbildung 14: Leistungsdichte (PSD), als Indikator für Vibrationen in Systemen mit intakten (a, b) und beschädigten (c, d) Lagern

Zusammenfassung

Ein unbalancierter Propeller löst eine positive Rückkopplungsschleife von verschlechterter Leistung aus, die die mittlere Zeit bis zum Ausfall (MTTF) einer UAV verkürzt. Die Hochgeschwindigkeitsrotation eines unbalancierten Propellers erzeugt übermäßige Vibrationen, die die Schubeffizienz reduzieren, die Lärmproduktion erhöhen und den Stromverbrauch in die Höhe treiben. Diese Vibrationen breiten sich durch den Flugrahmen aus und führen zu beschleunigtem Verschleiß an Lagern, struktureller Ermüdung und Sensorenauigkeiten, die zu einer reduzierten Flugstabilität führen können.

Wenn dies unbehandelt bleibt, kann diese sich selbst verstärkende Schleife zum vorzeitigen Ausfall kritischer UAV-Komponenten führen.

Teil 3: Techniken zur Propellerbalance

3.0 Hintergrund

Um die in der vorherigen Sektion beschriebenen Leistungseinbußen zu mildern, muss man die Ursache angehen: unbalancierte Propeller.

Viele fertige UAVs werden mit vorab ausbalancierten Rotoren geliefert, die nach ISO-Standards eine bestanden Bewertung erreichen würden. Die kleineren Versionen dieser Drohnen sind relativ günstig zu erwerben und haben relativ kostengünstige Ersatzteile. Wenn es um Unwucht bei diesen Modellen geht, wird der Bediener wahrscheinlich einfach die Propeller austauschen.

Es gibt drei Hauptszenarien, in denen es ratsam ist, Propeller auszubalancieren:
Die Propeller sind groß und teuer zu ersetzen.
Die UAV wird intern gebaut.
Ein Propeller wird mit einem neuen Motormodell kombiniert.

Das erste Szenario ist ziemlich selbstverständlich - wenn der Ersatz von UAV-Propellern Hunderte oder Tausende von Dollar kostet, lohnt es sich, sie auszubalancieren und zu reparieren.

Im zweiten Szenario verlassen sich UAV-Hersteller nicht auf die Balance des Lieferanten und müssen im Rahmen des Produktions- oder Qualitätssicherungsprozesses eine interne Balance durchführen.

Das dritte Szenario spiegelt die Tatsache wider, dass Motoren und Propeller idealerweise zusammen ausbalanciert werden sollten, da ein perfekt ausbalancierter Propeller auf einem unbalancierten Motor immer noch zu höheren Vibrationen und nachfolgender Verschlechterung führen wird.

In diesem Whitepaper behandeln wir zwei Wege, einen UAV-Propeller auszubalancieren – statisch und dynamisch. Die statische Balance wird an einem unbeweglichen Propeller durchgeführt, während die dynamische Balance einen rotierenden Propeller betrifft. Jede Technik hat ihre Vorteile und Einschränkungen, die unten besprochen werden.

3.1 Statische Balance

Die statische Balance besteht typischerweise darin, einen Propeller auf einem unbeweglichen Ständer zu montieren und Anpassungen an den Propellerblättern oder der Nabe vorzunehmen, bis er sichtbar ausbalanciert ist. Magnetische Balancer sind eine beliebte Option unter den statischen Balancern und nutzen entgegengesetzte Magnete, um einen Reibungspunkt zu erzeugen, um den herum der Propeller rotieren kann.

Sobald der Propeller montiert ist, kann der Benutzer den Propeller manipulieren, um Unwuchten sowohl in den Blättern als auch in der Nabe zu identifizieren, und Material kann hinzugefügt oder entfernt werden, um die Unwucht zu minimieren. 

Gängige Methoden zur Reduzierung der Masse eines Propellers umfassen Schleifen, Trimmen oder das Bohren kleiner Löcher. Um Masse hinzuzufügen, gehören zu den gängigen Materialien klare Farbe, Klebstoff, Nagellack, Klebeband oder kleine Schrauben.

Abbildung 15: Ein magnetischer statischer Propellerbalancer

3.1.1 Vorteile

Es gibt mehrere Vorteile der statischen Balance, und sie kann bevorzugt werden, wenn die UAV nicht kommerziell verwendet wird.

Zum Beispiel sind statische Balancegeräte tendenziell weniger teuer als dynamische Balancegeräte, daher gibt es einen wirtschaftlichen Vorteil. Sie ist auch sehr leicht zu erlernen, erfordert praktisch keine technischen Fachkenntnisse und kann ziemlich schnell durchgeführt werden, sobald die Einrichtung konfiguriert ist.

3.1.2 Einschränkungen

Für kommerzielle UAV-Entwickler und Bediener sind die Einschränkungen der statischen Balance erheblich.

Zunächst wird die Arbeit manuell ausgeführt, sodass die Messungen viel weniger präzise sind als bei einem digitalen System. Es gibt auch keine Möglichkeit, die Wucht zu einem Standard wie ISO 21940-11:2016 zu vergleichen, da kein G-Wert erzeugt wird. Darüber hinaus sind bestimmte Propellertypen, wie z. B. klappbare Propeller oder Propeller mit mehr als 2 Blättern, mit einem statischen Wuchtsystem schwieriger auszuwuchten.

3.2 Dynamische Wuchtung

Dynamische Wuchtsysteme benötigen mindestens: 1) einen Sensor zur Messung der Drehzahl des Propellers und 2) einen Beschleunigungssensor zur Messung der Vibrationen. Einige Systeme verwenden eine hochfrequente Positionsmessung anstelle der Beschleunigung.

Auf dem Markt für bemannte Luftfahrt sind mehrere kommerzielle dynamische Wuchtlösungen verfügbar, aber keine speziell für die Charakterisierung von UAVs entwickelt.

Angesichts dieses Bedarfs entwickelte Tyto Robotics ein dynamisches Propeller-Wuchtsystem, das Hardware zur Montage des Propellers, Sensoren zur Aufzeichnung von Messwerten und Software zur Steuerung des Antriebsstrangs und zur Verarbeitung der Daten umfasst, um die erforderlichen Korrekturen abzuleiten.

Hier ist ein illustriertes Beispiel des Wuchtverfahrens:

Schritt 1: Montieren Sie den Propeller auf der Hardware des Schubständers und verbinden Sie den Drehzahlmesser mit der Kraftmesseneinheit.

Abbildung 16: Der dynamische Wuchtteststand Flight Stand mit Propeller und Drehzahlmesser

Schritt 2: Geben Sie die Eigenschaften des Rotors in die Software ein. Dazu gehören die Betriebs-(Kreuzfahrt-)Drehzahl, der Korrekturabstand, an dem das Korrekturgewicht hinzugefügt wird, und die gewünschte Wuchtgüteklasse.

Abbildung 17: Parameter-Eingabebildschirm der dynamischen Wuchtsoftware

Schritt 3: Führen Sie einen ersten Testlauf durch und erhöhen Sie die Leistung, bis der Propeller die angegebene Betriebsdrehzahl erreicht. Nehmen Sie einen Messwert auf und lassen Sie den Propeller zur Ruhe kommen.

Schritt 4: Fügen Sie das Kalibriergewicht in Form von Klebeband, klarem Nagellack usw. hinzu, wie von der Software angegeben. Die Software gibt die erforderliche Masse und die Blattnummer an, an der das Gewicht am Korrekturabstand hinzugefügt werden sollte.

Abbildung 18: Softwareanweisungen zum Hinzufügen von Gewicht zum Propeller für den Kalibrierungsdurchlauf

Schritt 5: Führen Sie den Kalibrierungsdurchlauf durch und erhöhen Sie die Leistung, um die Betriebsdrehzahl zu erreichen.

Abbildung 19: Propeller-Leistungsregelung im dynamischen Wuchtsoftware

Schritt 6: Fügen Sie das endgültige Korrekturgewicht zum Propeller hinzu, wie von der Software angegeben. Das in diesem Schritt hinzugefügte Korrekturgewicht wird wahrscheinlich ausreichen, um die angestrebte Wuchtgüte zu erreichen.

Abbildung 20: Endbildschirm, der anzeigt, dass die endgültige Güteklasse innerhalb der Toleranz des festgelegten Standards liegt

Schritt 7: Wenn der Propeller die angestrebte Wuchtgüte nicht erreicht hat, fügen Sie das von der Software empfohlene zusätzliche Korrekturgewicht hinzu und drehen Sie den Propeller erneut, um die Wuchtung zu überprüfen.

3.2.1 Vorteile

Für professionelle UAV-Anwendungsfälle ist die dynamische Wuchtung aus mehreren Gründen fast immer die bevorzugte Methode.

Erstens ist sie äußerst genau. Wenn die Folgen von unausgewogenen Propellern so hoch sind, sind genaue Daten zur Wuchtung absolut notwendig. Dynamische Systeme liefern außerdem einen G-Wert und halten sich an veröffentlichte Standards, was für UAV-Entwickler, die Kunden oder Stakeholdern die Einhaltung nachweisen möchten, entscheidend sein kann.

Darüber hinaus ist die dynamische Wuchtung mit automatisierten Wuchtsystemen einfach durchzuführen und wird relativ schnell abgeschlossen, in nur 5 Minuten oder weniger pro Propeller.

Schließlich sind dynamische Wuchtsysteme nicht durch die Blattanzahl oder den Propellertyp begrenzt und können Propeller mit einer beliebigen Anzahl von Blättern auswuchten, einschließlich eines einzelnen Blattes oder einer Scheibe wie dem Motor.

3.2.2 Einschränkungen

Um einen Propeller dynamisch auszuwuchten, sind einige technische Kenntnisse erforderlich. Zum Beispiel müssen Benutzer bei den meisten dynamischen Wuchtsoftwares Variablen wie die Kreuzfahrtdrehzahl und die angestrebte G-Wuchtgüteklasse eingeben. Die wichtigere Kenntnis ist, wie man den Propeller sicher montiert und modifiziert, wobei die Sicherheit beim Umgang mit aktiven Stromsystemen und rotierenden Propellern gewährleistet wird.

Darüber hinaus sind die für die dynamische Wuchtung verwendeten Geräte tendenziell teurer als statische Geräte, daher ist eine größere Investition erforderlich.

Fazit

Die Auswirkungen der Propellerunwucht in UAVs sind weitreichend und betreffen die Flugstabilität, Effizienz, Sensorgenauigkeit und Komponentenlebensdauer. Übermäßige Vibrationen, die bereits durch geringfügige Unwuchten entstehen können, können zu Schubverlusten, erhöhtem Stromverbrauch, beschleunigtem Verschleiß der Lager, struktureller Ermüdung und einer verschlechterten Leistung des Flugcontrollers führen. Wenn diese Probleme nicht behoben werden, tragen sie zu einer verkürzten mittleren Zeit bis zum Ausfall (MTTF), verringerter Zuverlässigkeit und höheren Betriebskosten bei.

Die dynamische Propellerwuchtung bietet eine praktische und äußerst effektive Lösung zur Minderung dieser Risiken. Im Gegensatz zur statischen Wuchtung, die nur eine grundlegende Massenkorrektur bietet, erkennt und korrigiert die dynamische Wuchtung Unwuchten präzise, während der Propeller rotiert, und gewährleistet so einen hohen Grad an Genauigkeit und die Einhaltung von Industriestandards wie ISO 21940-11:2016. Dieser Prozess reduziert Vibrationen an der Quelle, was zu ruhigeren Flügen, verbesserter Effizienz und längeren Lebensdauern der Komponenten führt.

Für UAV-Hersteller und -Betreiber, die nach optimaler Leistung, reduzierten Wartungskosten und erhöhter Sicherheit streben, ist die Einführung der dynamischen Wuchtung als Standardpraxis ein entscheidender Schritt nach vorn. Durch die Übernahme dieses Ansatzes können UAV-Systeme mit maximaler Effizienz arbeiten und eine größere Zuverlässigkeit, geringere Lärmemissionen und eine verlängerte Lebensdauer gewährleisten.

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