Von Mila Kanevsky
Vibrationen sind ein häufiges Hindernis, das bei der Konstruktion von Drohnen überwunden werden muss. Übermäßige Vibrationen können zu Problemen im Flug oder während der Tests führen.
In diesem Artikel stellen wir zwei Ansätze zur Lösung des Vibrationsproblems bei Drohnen-Schubprüfständen vor: Simulation und experimentelle Tests. Die von uns verwendete Lösung zur Veränderung der Grundfrequenzen mithilfe von Dämpfern ähnelt der, die Sie bei einer Drohne verwenden würden.
Zusammenfassung:
- Hintergrund
- Vibrationen des Schubprüfstands
- Vibrationssimulationen
- Experimentelle Tests
- Vibrationen bei Drohnen
Hintergrund - Konstruktion des Flugprüfstands
Wir haben kürzlich den neuen Flight Stand 15/ 50 auf den Markt gebracht, einen Schubprüfstand/Dynamometer zur Prüfung von Drohnen, der Schubkräften von bis zu 50 kgf standhält. Der Prüfstand verfügt über eine hohle Rohrstruktur, um eine bessere Aerodynamik sowie eine verbesserte Kabelverlegung zu ermöglichen, wobei die Kabel im Rohr statt an der Außenseite verlaufen.
Eine große Herausforderung bei der Konstruktion des Schubprüfstands war die Begrenzung der Vibrationen während der Antriebstests. Wie bereits erwähnt, besteht die Grundform des Prüfstands aus einem vertikalen Rohr, in dem eine Kraftmesseneinheit (FMU) untergebracht werden muss und das oben einen Motor und Propeller hält (Abbildung 1).
Der Prüfstand wird zur Prüfung von Motoren und Propellern verwendet, die von Natur aus Vibrationen verursachen und das Gerät potenziell beschädigen können. Um den Prüfstand zu optimieren und zu schützen, haben wir eine Reihe von Vibrationstests durchgeführt, ähnlich wie sie für Drohnenkomponenten wie Quadcopter-Arme verwendet werden. Unser Versuchsverfahren und die Ergebnisse werden in diesem Artikel dargelegt.
Abbildung 1: Frühes Designkonzept des Flight Stand.
Vibrationen des Schubprüfstands
Der Schubprüfstand kann an die Motoren und Propeller des Kunden angepasst werden, was zu Variationen der Konstruktionsparameter führt. Ein Parameter, der einen starken Einfluss auf die Frequenz des Systems hat, ist die Gesamtmasse.
Die untenstehenden Gleichungen zeigen, wie eine Massenzunahme die Eigenfrequenz des Systems verringert. Der Prüfstand kann einen großen Bereich von Schubkräften messen, daher werden verschiedene Massen von Propellern und Motoren verwendet. Je nach Masse des Propellers und Motors des Benutzers ändert sich die Eigenfrequenz [1]:
Aufgrund der Variationen in Masse, Propellergröße und Schub der testbaren Antriebssysteme kann der Schubprüfstand in einem weiten Frequenzbereich betrieben werden.Dabei kann die Resonanzfrequenz der Struktur in den Betriebsbereich des Prüfstands fallen.
Resonanz tritt auf, wenn die Eigenfrequenz einer Struktur angeregt wird, was zu einer größeren Schwingungsamplitude führt oder als stärkere Bewegung in den Strukturen sichtbar ist. Das Beibehalten dieser Frequenz führt zu einer erhöhten Anregung und kann zu strukturellen Schäden oder zum Versagen führen.
Ein häufiges Beispiel für die Gefahr von Resonanz ist der Einsturz der Tacoma-Brücke im Jahr 1940. Obwohl es mehrere Gründe für den Einsturz gab, war ein wesentlicher Faktor die Resonanz, die dazu führte, dass sich die Brücke unkontrolliert verdrehte und bewegte.
Vibrationssimulationen
Bei der Konstruktion des Prüfstands stellten wir fest, dass die Eigenfrequenz in den Betriebsbereich fallen würde. Der Schubprüfstand kann einen Bereich von 1,5 kgf bis 50 kgf messen, was Propellern entspricht, die mit 1.000 bis 10.000+ U/min betrieben werden können, was Frequenzen von etwa 16 Hz bis 200 Hz entspricht.
Wir haben einige Vibrationssimulationen durchgeführt, um die Reaktion des Prüfstands auf verschiedene Vibrationsmodi zu beobachten, die in Abbildung 2 dargestellt sind. Die Vibrationsmodi stellen die Bewegung dar, die auftreten wird, wenn eine bestimmte Vibration beibehalten wird. Es ist wichtig, den Betrieb des Prüfstands in diesen Modi über längere Zeiträume zu vermeiden, um Resonanz zu verhindern.
Abbildung 2: Vibrationsmodi des Schubprüfstands (*Hinweis: Dies sind frühe Tests und spiegeln nicht die aktuellen Werte für den Flight Stand 15 /50 wider*)
Experimentelle Tests
Ein Prototyp des Prüfstands wurde gebaut, um besser zu verstehen, wie sich diese Vibrationen in der Praxis auf den Prüfstand auswirken. Während Simulationen sehr hilfreich sind, ist es wichtig zu sehen, wie der Prüfstand während echter Tests von Vibrationen betroffen ist.
Der Prüfstand in Abbildung 3 wurde mit einer anpassbaren Motorhalterung oben anstelle der FMU zusammengebaut und getestet. Ein einseitig getrimmter Propeller wurde verwendet, um eine Unwucht im System zu erzeugen.
Abbildung 3: Prototyp des Schubprüfstands für Vibrationstests
Die Vibrationsdynamik wurde mit der Flight Stand-Software aufgezeichnet. Eine wichtige Beobachtung war die Bedeutung einer stabilen Basis. Wenn der Prüfstand nicht sicher am Boden befestigt ist, erfährt die Basis mehr Bewegung, was zu einer niedrigeren Resonanzfrequenz und höheren Vibrationsmesswerten führt.
Abbildung 4 zeigt, wie die Resonanzfrequenzen durch Tests bestimmt werden können. Nachdem der Motor gestartet und die Propellergeschwindigkeit langsam erhöht wurde, können während des Tests große Sprünge in der Vibration beobachtet werden, die mit Resonanz in Verbindung gebracht werden können.
Abbildung 4: Vibration des Schubprüfstands bei zunehmender Propellergeschwindigkeit
Typische Dämpfungsmethoden wie Sandwich-Halterungen wurden in Betracht gezogen, jedoch müssen Vibrationsdämpfer in die gleiche Richtung eingesetzt werden, in die die Vibration auftritt. Die auf dem Prüfstand verfügbaren Stellen für die Montage von Dämpfern sind in vertikaler Richtung, aber Vibrationen treten hauptsächlich lateral auf, was eine Herausforderung darstellt.
Die ersten Tests wurden an einem Prototyp durchgeführt, der im Haus entworfen und zusammengebaut wurde. Eine zweite Testreihe wurde mit einem offiziellen Prototyp durchgeführt, der in einer Werkstatt mit korrekten Toleranzen und Passform gefertigt wurde. Während dieser Tests gab es nur minimale Geräusche und der Prüfstand war sehr steif. Wie beim vorherigen Test stellten wir fest, dass die Stabilität der Basis sehr wichtig war.
Mit dem Prüfstand, der direkt in Beton verankert war, erfuhr der Prüfstand nur sehr geringe Vibrationen und es gab nur minimale Geräusche bei der höchsten aufgezeichneten Vibration. Bei der Montage an den Schienen gab es immer noch minimale Geräusche und Bewegungen im Prüfstand, aber der Vibrationsmesswert war höher und der Prüfstand war etwas weniger stabil.
Wenn es bei der Montage des Prüfstands an den Geländern erhebliche Vibrations- oder Geräuschprobleme gibt, empfehlen wir, weitere Betonbefestigungen hinzuzufügen, um die Bewegung in den Schienen zu begrenzen.
Vibrationen bei Drohnen
Zwischen den beim Schubprüfstand beobachteten Vibrationen und denen bei Drohnen lassen sich Ähnlichkeiten finden. In beiden Fällen werden Vibrationen durch die Bewegung des Propellers und Motors verursacht, wobei Drohnen zusätzliche Komplexität aufweisen, da sie für konstante Bewegung ausgelegt sind und empfindliche Elektronik transportieren.
Drohnen sind mit vielen Sensoren ausgestattet, um das System zu überwachen und nützliche Daten über die Position und Geschwindigkeit des Fahrzeugs bereitzustellen, aber zusätzliche Tests im Labor können helfen, vibrationsbedingte Schäden an der Struktur und an den empfindlichen elektronischen Komponenten vorherzusagen und zu verhindern.
Abbildung 5: Eine Drohne im Flug mit Kamerazug
Die Vibrationsanalyse eines Multirotor-Rahmens wird in Referenz [2] ausführlich erklärt, mit einigen Ähnlichkeiten zu den in diesem Artikel beschriebenen Tests. Zuerst wird ein Antriebsexperiment durchgeführt, um die Drehzahl zu bestimmen, bei der der Propeller die meisten Vibrationen verursacht.
Mit dieser Information wird eine Simulation der Modalanalyse durchgeführt, gefolgt von einem Anregungsexperiment, um zu sehen, wie sich die Frequenzen auf das System auswirken.
Unwucht ist eine Hauptquelle für Vibrationen bei Drohnen. Sehen Sie sich unser Whitepaper an, um mehr zu erfahren: Auswirkungen von Propeller-Unwucht auf die Drohnenleistung.
Fazit
Wie gezeigt, ist der Vibrationsprüfprozess für Schubprüfstände und Drohnenkomponenten ähnlich. Simulation und Berechnungen sind ein wichtiger Teil des Prozesses, gefolgt von experimentellen Tests.
Diese Experimente können wichtige Erkenntnisse für Konstrukteure liefern und letztendlich dazu beitragen, Vibrationen in Prüfgeräten und den von ihnen getesteten Luftfahrzeugen zu reduzieren.
Weiterführende Literatur: Wie man einen Schubprüfstand baut (Lager und Gelenke)
Referenzen
[1] Engineering ToolBox, (2017). Beams Natural Vibration Frequency. [online] Verfügbar unter: https://www.engineeringtoolbox.com/structures-vibration-frequency-d_1989.html
[2] J. Verbeke, S. Debruyne, “Vibration analysis of a UAV multirotor frame,” In Proc. ISMA2016, 2016, pp.2329-2338.