Equilibrado de hélices para mejorar el rendimiento de los UAV - Libro blanco

Por Lauren Nagel

Resumen ejecutivo

Los vehículos aéreos no tripulados (VANT) dependen de hélices bien equilibradas para lograr un rendimiento, una eficiencia y una longevidad óptimos. Sin embargo, incluso los desequilibrios menores de las hélices pueden desencadenar un bucle de retroalimentación positiva de estrés mecánico, lo que provoca un aumento de las vibraciones, una reducción de la eficiencia de empuje, un mayor consumo de energía y un desgaste acelerado de los componentes críticos. Con el tiempo, estos efectos degradan el sistema de propulsión del VANT, los rodamientos, el rendimiento del controlador de vuelo y la integridad estructural, acortando en última instancia su tiempo medio entre fallos (MTTF) y aumentando los costes operativos.

Este informe técnico explora las causas, las consecuencias y las soluciones del desequilibrio de las hélices de los VANT. Examina normas de la industria como la ISO 21940-11:2016, que proporciona directrices sobre el desequilibrio residual admisible.

Para mitigar los riesgos asociados con las hélices desequilibradas, el informe técnico evalúa las técnicas de equilibrado estático frente a las dinámicas. Si bien el equilibrado estático ofrece un método sencillo y de bajo coste para corregir la distribución de la masa, carece de la precisión necesaria para aplicaciones profesionales de VANT. En cambio, el equilibrado dinámico proporciona correcciones basadas en mediciones realizadas mientras la hélice está girando, lo que garantiza un mayor nivel de precisión, el cumplimiento de las normas de la industria y una vida útil prolongada de los componentes. La adopción de soluciones de equilibrado dinámico permite a los fabricantes y operadores de VANT reducir el desgaste, mejorar la eficiencia de vuelo y aumentar la fiabilidad general del VANT.

Al abordar el desequilibrio de las hélices en su origen, los profesionales de los VANT pueden reducir el tiempo de inactividad, disminuir los costes de mantenimiento y garantizar vuelos estables y eficientes en diversos entornos operativos.

Parte 1: Antecedentes

Las hélices bien equilibradas son un componente crucial de los VANT de alto rendimiento. Así como las hélices equilibradas son clave para el éxito, las hélices desequilibradas pueden provocar fallos en forma de rendimiento degradado, estrés en los componentes y una menor competitividad en el mercado.

En los VANT pequeños, las hélices suelen ser baratas y fáciles de reemplazar. Los costes comienzan a acumularse cuando un fallo relacionado con una hélice provoca daños en el VANT en su conjunto, o cuando se produce un fallo en drones más grandes con hélices de tamaño considerable que son más costosas de reemplazar.

Este informe técnico profundiza en las complejidades del equilibrado de hélices, destacando su importancia para mantener la funcionalidad, la fiabilidad y la longevidad del VANT.

1.1 ¿Qué es el equilibrado de hélices?

En términos generales, el equilibrado de hélices describe el acto de lograr el equilibrio en las palas y los ejes de una hélice, con un enfoque en el tamaño, la masa y la generación de fuerza.

Las hélices se equilibran normalmente de una de tres maneras: estática, dinámica y aerodinámica. El equilibrado estático y dinámico consiste en añadir contrapesos a la hélice para lograr una masa uniforme en la hélice cuando está en reposo (equilibrado estático) o a las RPM de funcionamiento (equilibrado dinámico). Estos tipos de equilibrado reparan los desalineamientos entre el centro de masa y el centro de rotación.

En contraste, el equilibrado aerodinámico se centra en lograr una generación de empuje uniforme, ajustando las propiedades físicas de las palas, como la forma de la pala y el ángulo de paso. A menudo se denomina seguimiento. El equilibrado aerodinámico puede detectarse midiendo el par de cabeceo y balanceo en el motor, o siguiendo cada pala durante una rotación para garantizar que ambas sigan la misma trayectoria. 

Este artículo hablará sobre el equilibrado estático y dinámico, que debe realizarse antes del equilibrado aerodinámico.

En la ISO 21940-11:2016, el equilibrado de hélices se define como «un procedimiento mediante el cual se examina la distribución de masa de un rotor y, si es necesario, se ajusta para garantizar que el desequilibrio residual o la vibración en servicio estén dentro de los límites especificados» (ISO, 2016). Una definición más visual del equilibrado de hélices sería describirlo como la adición o eliminación de peso de una hélice para lograr una distribución de masa casi uniforme alrededor del centro.

Figura 1: Adición de contrapesos a las palas de una hélice para lograr una distribución uniforme de la masa

1.2 Normas de equilibrado de hélices

Actualmente, la norma más consultada para el equilibrado de hélices es la ISO 21940-11:2016, «Procedimientos y tolerancias para rotores con comportamiento rígido».

Reemplaza la norma anterior, ISO 1940-1:2003, con definiciones actualizadas y aplicaciones más amplias.

La nueva norma, establecida en 2016, sigue una premisa sencilla: el nivel de desequilibrio (U) en un rotor se considera aceptable cuando el desequilibrio residual, U_res, es menor o igual a un desequilibrio residual admisible predefinido, U_per.

U_per se define como la tolerancia total en el plano del centro de masa y es proporcional a la masa del rotor:

U_per ∝ m

Se mide en kg·m (kilogramo metros), g·mm (gramo milímetros), kg·mm (kilogramo milímetros) o mg·mm (miligramo milímetros).

La relación de U_per con la masa del rotor se denomina e_per, definida como el desequilibrio específico residual admisible:

e_per = U_per m

Se mide en kg·m/kg (kilogramo metros por kilogramo), m (metros), g·mm/kg (gramo milímetros por kilogramo) o μm (micrómetros), que a menudo es la unidad preferida ya que muchos valores de e_per se encuentran entre 0,1 μm y 10 μm.

Para un rotor con solo un desequilibrio resultante (y un desequilibrio de momento despreciable), e_per es la distancia entre el centro de masa del rotor y el eje del eje.

Se ha observado que e_per generalmente varía inversamente con la velocidad de servicio, n, del rotor:

e_per ∝ 1 n

Para el equilibrado de rotores de VANT, se podría cambiar «velocidad de servicio» por «velocidad de rotación de crucero», o las RPM a las que la hélice opera durante el vuelo de crucero.

Esta relación también puede expresarse como:

e_per = c Ω

donde

Ω = la velocidad angular de la velocidad de crucero, en rad/s

c es una constante

Dicho de otro modo,

Ω = 2πn 60

donde n = velocidad de rotación de crucero en revoluciones/minuto.

La ISO 21940-11:2016 especifica cinco métodos que pueden utilizarse para determinar la magnitud del desequilibrio residual admisible: 

1. Grados de calidad de equilibrado, derivados de la experiencia práctica a largo plazo con un gran número de rotores diferentes
2. Evaluación experimental de los desequilibrios residuales admisibles
3. Fuerzas de rodamientos limitadas debido al desequilibrio
4. Vibraciones limitadas debido al desequilibrio
5. Experiencia establecida con tolerancias de desequilibrio

Para los métodos 3 y 4, los objetivos son, respectivamente, limitar las fuerzas de rodamientos y la vibración. Las tolerancias de calidad de equilibrado se establecen por los límites correspondientes de fuerza de rodamientos y vibración.

Los métodos 2 y 5 son empleados con mayor frecuencia por organizaciones que han acumulado una cantidad significativa de datos de equilibrado para sus rotores específicos, suficientes para establecer internamente las tolerancias de calidad de equilibrado.

El método 1 emplea una norma global basada en «la experiencia mundial y las consideraciones de similitud» para establecer los requisitos de calidad de equilibrado para tipos de maquinaria típicos.

La unidad para el grado de calidad de equilibrado según el método 1 es «G», equivalente a la magnitud de e_perΩ expresada en mm/s (milímetros por segundo). Es decir, si e_perΩ = 6,3 mm/s, entonces el grado de calidad de equilibrado = G 6,3, que resulta ser el grado más consultado para el equilibrado de rotores de VANT.

A continuación se presenta una tabla resumen de los grados de calidad de equilibrado para tipos de maquinaria comunes:

1.3 Causas del desequilibrio de las hélices

Existen muchas variables que pueden crear desequilibrio en una hélice. 

El estrés acumulativo es una causa común del desequilibrio de las hélices durante las operaciones normales. Las imperfecciones minúsculas durante la fabricación pueden exacerbarse con el tiempo, especialmente después de muchas horas de operación a altas RPM. Una hélice desequilibrada provoca un aumento de las vibraciones, lo que puede llevar al aflojamiento de los componentes, desalineamientos, grietas y otros efectos perjudiciales, trabajando en un bucle de retroalimentación positiva que degrada aún más el equilibrado de la hélice.

Los daños en las hélices durante impactos o golpes contra el terreno también pueden provocar pérdidas de material que resulten en una hélice desequilibrada. Para los VANT más pequeños con hélices económicas, a menudo es más rentable simplemente reemplazar la hélice. Para los VANT más grandes con hélices más caras, puede valer la pena reequilibrar la hélice en lugar de reemplazarla. Dicho esto, para aeronaves de cualquier tamaño, también se deben considerar los efectos más amplios del daño en el sistema, ya que el motor u otros componentes también pueden haber sufrido daños.

El estrés térmico también puede causar deformaciones en ciertos tipos de hélices, como las de nailon y otros plásticos.

Figura 2: Una pala de hélice de VANT dañada (Bayne, 2022)

Parte 2: Consecuencias de las hélices desequilibradas

2.0 Antecedentes

Las hélices desequilibradas crean un efecto dominó que afecta a muchos sistemas del VANT. Independientemente de la causa del desequilibrio, la rotación a alta velocidad da como resultado una asimetría que se explota una y otra vez, miles de veces por minuto. Por lo tanto, no se necesita mucho tiempo para que los efectos de un pequeño desequilibrio afecten al sistema de propulsión más amplio, los sensores y la estabilidad de la aeronave.

A continuación se presenta un resumen de algunas de las consecuencias más críticas de las hélices desequilibradas en un VANT.

2.1 Vibración

La vibración, resultante de la alta velocidad de rotación de una hélice desequilibrada, es la causa raíz de muchos de los problemas derivados que se discuten en esta sección. Varios estudios anteriores han demostrado cómo el desequilibrio de la hélice puede causar vibraciones desestabilizantes en varios tipos de aeronaves (Best, 1945; Loeffler, 1987; Fu, 2018). Esta vibración conduce a una degradación del rendimiento en los sistemas, lo que resulta en pérdida de empuje, aumento del ruido, degradación acelerada y reducción de la eficiencia de vuelo.

Dentro del mundo de los multirrotores, varios estudios han confirmado que la relación causal entre el desequilibrio de la hélice y la vibración se extiende a los VANT, utilizando métodos que incluyen acelerómetros a bordo (Ghalamchi, 2018) y detección en el rotor (Lin, 2023). Otras investigaciones han tenido como objetivo deducir la vibración y el desequilibrio utilizando métodos sin contacto como el análisis del perfil de ruido (Rangel-Magdaleno, 2018) y la vibrometría láser (Kuantama, 2019).

Tales estudios nos han ayudado a comprender mejor la relación entre el desequilibrio de la hélice y la vibración, incluyendo cuándo se convierte en motivo de preocupación.

En Kuantama (2019), se utilizó un vibrómetro láser Doppler para medir la vibración en hélices de VANT equilibradas y desequilibradas. En el estudio, un rayo láser se enfocó en tres áreas de la hélice, la punta, el centro de la pala y el buje, donde monitoreó el movimiento dinámico de la hélice para derivar la velocidad de vibración. Antes de los experimentos, los autores utilizaron un sistema de equilibrado estático para equilibrar la hélice en dos áreas: el centro de las palas y el buje. La hélice se montó luego en un rotor y se hizo girar a velocidades de rotación de hasta 7.000 RPM.

Figura 3: Configuración de prueba con vibrómetro láser de Kuantama (2019)

Curiosamente, a RPM más altas, la hélice de 14” demostró una división mucho más amplia en la velocidad de vibración entre los modelos equilibrados y desequilibrados en comparación con la hélice de 13”. A 5.000 RPM, la hélice de 13” desequilibrada exhibió una velocidad de vibración un 12% o 0,4 m/s más alta en comparación con la hélice equilibrada. En comparación, esta división alcanzó un 33% o un aumento de 2,3 m/s en la velocidad de vibración entre las hélices de 14” desequilibradas y equilibradas. Los autores notaron que “se produjo un aumento drástico en la velocidad de vibración por encima de 4000 RPM”. 

Figura 4: Velocidad de vibración de una hélice de 13” (izquierda) y una hélice de 14” (derecha) (Kuantama, 2019)

Estos resultados respaldan los hallazgos anteriores de que las vibraciones del desequilibrio de la hélice tienen un mayor impacto a RPM más altas y pueden ser más consecuentes en los VANT con hélices más grandes.

Un estudio más reciente de Salem et al. (2025) tuvo como objetivo abordar los desafíos asociados con la detección del desequilibrio del rotor en entornos dinámicos, como aquellos que involucran turbulencia del viento y ruido ambiental.

El desequilibrio se introdujo en el sistema aflojando uno de los tornillos de la pala en una hélice. Los patrones de vibración se registraron utilizando un sistema microelectromecánico (MEMS) montado en el cuerpo del VANT, y los datos registrados se utilizaron para entrenar su modelo de red neuronal MLP Multilayer Perceptron, que luego se aplicaría a un conjunto de datos de prueba.

En sus resultados, observaron que el perfil de vibración del rotor desequilibrado mostraba significativamente más vibración en los tres ejes (X, Y, Z) en comparación con el rotor equilibrado. La desviación fue más pronunciada en el eje X, con picos que superaron los 2 g, pero los patrones irregulares observados en los ejes Y y Z sugieren que el desequilibrio indujo vibraciones secundarias en todo el sistema. 

El autor señala que  “Estas fluctuaciones no solo podrían comprometer la estabilidad del UAV, sino también aumentar el riesgo de falla mecánica si no se abordan.”

Figura 5: Aceleración de vibración para hélices a) equilibradas y b) desequilibradas (Salem, 2025)

Su red neuronal fue capaz de lograr un coeficiente de correlación de 0.9224 en conjuntos de datos de prueba, lo que sugiere que el modelo puede usarse para identificar desequilibrios específicos en otros sistemas de propulsión con datos similares.

Es esencial que la vibración se caracterice con precisión en los sistemas UAV, ya que contribuye a los factores discutidos en las siguientes secciones.

2.2 Pérdida de empuje

Se puede inferir matemáticamente y demostrar experimentalmente que la generación de empuje de la hélice se ve afectada negativamente por las palas desequilibradas.

Matemáticamente hablando, una de las variables clave que contribuyen al empuje de vuelo estacionario (T) es el coeficiente de empuje (C_T), para el cual la geometría de la pala es un contribuyente clave (Rangel-Magdaleno, 2018):

T = C_T ρ A_r r² n²

C_T = T ρ n² D⁴

Donde C_T es el coeficiente de empuje, ρ es la densidad del aire, A_r es el área del disco del rotor, r es el radio de la hélice, n es la velocidad angular y D es el diámetro de la hélice.

La investigación completada en Sedek (2018) y Mizui (2012), ha confirmado este fenómeno experimentalmente.

En Sedek (2018), se demuestra que un desequilibrio que representa el 5% de la masa total de la hélice puede resultar en hasta un 50% de reducción de empuje. Es muy poco probable que una nueva hélice comercial tenga una falla tan alta, pero es factible que una hélice dañada pueda sufrir una pérdida de material que resulte en tal desequilibrio.

Figura 6: Empuje vs. RPM para hélices equilibradas y desequilibradas (Sedek, 2018)

Un escenario más realista se captura en Mizui (2012), donde el desequilibrio de la hélice representa poco más del 1% de la masa total de la hélice. Este desequilibrio resultó en una reducción de empuje en el rango de 2 a 8% a velocidades de operación que van de 2800 a 5600 RPM.

Figura 7: Empuje vs. RPM para hélices equilibradas y desequilibradas (Mizui, 2012)

El operador experimenta así un empuje reducido o un aumento del consumo de energía, como se evidencia en Rangel-Magdaleno et al. (2018), que demostró que el consumo de energía aumentó con el desequilibrio en una hélice de prueba. El equipo utilizó señales sonoras para demostrar que las frecuencias asociadas con el desequilibrio correspondían a RPM donde el consumo de energía era más alto.

Figura 8: Mediana, media y desviación estándar para el consumo de energía de hélices equilibradas y desequilibradas (Rangel-Magdaleno)

2.3 Ruido

Intuitivamente, se asume que las hélices desequilibradas producen una mayor cantidad de ruido que las hélices equilibradas. Sin embargo, para desequilibrios pequeños que no impiden significativamente el vuelo del UAV, los resultados son mixtos.

Por ejemplo, en Pechan (2015), los autores observaron el efecto contrario. Hélices con varias imperfecciones como protuberancias, palas dentadas y desequilibrios de masa fueron probadas para la producción de ruido y rotadas a varios RPM de 3000 a 5500 RPM.

En la mayoría de sus experimentos, las hélices con protuberancias o muescas mostraron, en promedio, una producción de ruido igual o mayor (LZmax) en comparación con la hélice sin daños.

Figura 9: El nivel de ruido más alto detectado (LZmax) de hélices dañadas (B1 - B5), desequilibradas (B6) y lisas

En el caso de la hélice desequilibrada, que tenía material removido de una pala mediante lijado, los resultados mostraron que la hélice equilibrada en realidad produjo más ruido a frecuencias más altas a 5000 RPM. 

Figura 10: Espectros de ruido de hélices lisas y desequilibradas a 3000 (izquierda) y 5000 RPM (derecha)

Los autores no especifican cuánto material se removió de la pala, ni indican si el equilibrado de la hélice se caracterizó antes de la prueba, por lo que es difícil decidir cómo interpretar estos hallazgos. Las hélices que fueron dañadas por la adición o remoción de material tampoco fueron caracterizadas en detalle, y probablemente representan un estado desequilibrado por sí mismas.

Los autores sí discuten la diferencia entre el ruido tonal y el de banda ancha, los cuales diferencian de la siguiente manera: “El ruido tonal está relacionado con la aerodinámica y cinemática de la pala en flujo uniforme, [...] espesor, carga y ruido cuadrupolar. El ruido de banda ancha es más complejo y es generado por la interacción entre el flujo y varios componentes de la pala”. Los niveles de ruido tonal representan la mayor parte de la contribución al ruido total, mientras que el ruido de banda ancha representa solo una pequeña porción. Señalan que un contribuyente importante al ruido tonal es el ruido de espesor, determinado por el espesor de la pala de la hélice.

Se puede hipotetizar que al reducir el espesor de la pala de la hélice desequilibrada mediante lijado, pueden haber contribuido a menos ruido de espesor y una menor producción de ruido tonal.

En otro estudio de Iannace (2019), se tomaron mediciones de ruido de hélice en una cámara anecoica usando un UAV cuadricóptero con cuatro hélices de 2 palas. El ruido se comparó en tres condiciones: 1) hélices sin modificar, 2) cinta de papel añadida a una pala de una de las hélices, 3) cinta de papel añadida a ambas palas de una de las hélices. La masa del UAV, las hélices y la cinta de papel no fueron indicadas.

Cuatro micrófonos fueron colocados en diferentes posiciones alrededor del dron y el nivel lineal de presión sonora se midió en dB. Curiosamente, no hubo diferencias significativas en el sonido medido en las tres condiciones diferentes. El nivel de sonido promedio del UAV con cuatro hélices equilibradas fue en realidad ligeramente más alto (1.4 dB Lin) que las dos condiciones desequilibradas.

Figura 11: Nivel de presión sonora en dB Lin para cada una de las tres condiciones

A pesar de tener niveles de ruido total muy similares, cada una de las condiciones tenía una firma de ruido única que la red neuronal del autor fue capaz de diferenciar con una tasa de éxito de más del 97%.

Un tercer estudio realizado por Semke (2020), buscó caracterizar cómo el daño influye en la aceleración, los niveles acústicos y el rendimiento de vuelo de los UAVs. La prueba se realizó usando un DJI Phantom 4 Pro con cuatro conjuntos únicos de hélices, dos de los conjuntos tenían un diseño de bajo ruido y los otros dos conjuntos tenían un diseño estándar. En cada conjunto, se removió un centímetro de material de la punta de una de las hélices para introducir un desequilibrio, mientras que la otra estaba sin modificar.

Los resultados demostraron que para dos de las palas estándar, las hélices desequilibradas mostraron un aumento del nivel de ruido de 4 dB en comparación con las hélices sin modificar, 78 dB vs. 74 dB, o un aumento del 5%. En contraste, las hélices de bajo ruido mostraron poca o ninguna diferencia entre las condiciones dañadas y sin daños.

Figura 12: Nivel de presión sonora en dB de UAVs con hélices sin daños y dañadas

De manera similar compararon la vibración de la aeronave usando un acelerómetro a bordo. Los resultados son paralelos a las mediciones acústicas. Todas las aeronaves exhibieron vibración aumentada, pero el aumento fue menos pronunciado en los UAVs con las hélices de bajo ruido.

Figura 13: Aumento de aceleración entre UAVs con hélices sin daños y dañadas

Cada uno de estos estudios da por sentado que las hélices y motores del UAV estaban bien equilibrados antes de los experimentos. Sería interesante ver más estudios de estos efectos con las siguientes adiciones: 1) masa de hélice conocida, 2) masa o magnitud del desequilibrio conocida, 3) una medición del equilibrado de la hélice contra un estándar establecido antes del experimento. 

También sería interesante realizar estos estudios en UAVs más grandes. Mientras Pechan (2015) probó una hélice Xoar de 22”, los otros dos estudios usaron cuadricópteros pequeños.

La conclusión de estos estudios es que los desequilibrios pequeños en las hélices de los UAVs es poco probable que aumenten significativamente la producción de ruido, aunque los desequilibrios grandes pueden resultar en más ruido, especialmente a medida que el tamaño de la hélice y las RPM aumentan.

2.4 Rendimiento Degradado del Controlador de Vuelo

Uno de los impactos de las hélices desequilibradas es la reducción de la estabilidad de vuelo, lo que requiere acciones correctivas del controlador de vuelo a bordo. Esto puede tomar la forma de entradas de torque compensatorias para contrarrestar perturbaciones (Pose, 2024) o ajustes rápidos constantes para mantener la estabilidad (Vertiq, n.d.). Estas correcciones aumentan los requisitos de energía del controlador de vuelo y por lo tanto disminuyen la eficiencia y el tiempo de vuelo del UAV.

Un ejemplo clave es el impacto del desequilibrio en la Unidad de Medición Inercial (IMU), responsable de medir parámetros clave como actitud, aceleración y velocidad angular. Las IMUs son altamente sensibles a las vibraciones, y las cargas de vibración excesivas pueden llevar a fatiga y fracturas, resultando en fallas en microvigas y cables metálicos en sistemas microelectromecánicos (MEMS) (Xu, 2024). Se encontró que esto puede ser causado por una sincronización de la frecuencia de aceleración externa con la frecuencia natural del cableado, resultando en resonancia y concentración de estrés (He, 2019). Otro estudio demostró que tales grietas en microvigas pueden degradar el rendimiento del giróscopo y por lo tanto las lecturas de los sensores MEMS (Larkin, 2020).

La degradación de las lecturas de los sensores a bordo a menudo precede la falla catastrófica del UAV. En Pose (2024), la vibración debido al desequilibrio de la hélice llevó a ruido extremo en las mediciones inerciales, causando estimaciones de actitud imprecisas que en última instancia resultaron en varios choques.

2.5 Desgaste Acelerado en Rodamientos

La relación entre el desequilibrio de la hélice y la vibración ha sido bien definida, al igual que la relación entre la vibración y la degradación de los rodamientos, especialmente en industrias más antiguas, como la fabricación industrial. En Li (2023), se diseñó un banco de pruebas para estudiar el comportamiento de los rodamientos de rodillos bajo excitación de vibración. La investigación demostró que esta excitación puede aumentar significativamente la aceleración y la trayectoria del eje del rodamiento y reducir la rigidez del rodamiento, acelerando así la degradación.

La mayoría del trabajo sobre la relación entre la vibración y la vida útil de los rodamientos en UAVs se enfoca en cómo la degradación del rodamiento lleva a un aumento de la vibración.

En Banerjee (2023), investigadores del Centro de Investigación Langley de la NASA usaron un UAV DJI S1000 para detectar experimentalmente anomalías de vibración en una aeronave con rodamientos dañados. Desarrollaron una característica de diagnóstico de salud normalizada llamada “Indicador de Anomalía Vibracional (VAI)”, para identificar firmas de vibración únicas de vuelos con rodamientos defectuosos. El indicador empleó una proporción de eventos de vibración únicos a eventos no únicos para calificar cada sistema.

El diagnóstico les permitió diferenciar entre sistemas intactos y dañados, los cuales mostraron valores de VAI de 0.04 (a) y 0.08 (b) para sistemas intactos, y 0.65 (c) y 0.84 (d) para sistemas dañados.

Figura 14: Densidad espectral de potencia (PSD), como un indicador de vibración en sistemas con rodamientos intactos (a, b) y dañados (c, d)

Resumen

Una hélice desequilibrada desencadena un bucle de retroalimentación positiva de rendimiento degradado, acortando el tiempo medio a la falla (MTTF) de un UAV. La rotación de alta velocidad de una hélice desequilibrada genera vibración excesiva, lo que reduce la eficiencia de empuje, aumenta la producción de ruido y eleva el consumo de energía. Estas vibraciones se propagan a través de la estructura, llevando a un desgaste acelerado en los rodamientos, fatiga estructural e inexactitudes de los sensores que pueden llevar a una reducción de la estabilidad de vuelo.

Si no se aborda, este bucle de autorrefuerzo puede llevar a la falla prematura de componentes críticos del UAV.

Parte 3: Técnicas de Equilibrado de Hélices

3.0 Antecedentes

Para mitigar las degradaciones de rendimiento descritas en la sección anterior, se debe abordar la causa raíz: hélices desequilibradas.

Muchos UAVs comerciales vienen con rotores preequilibrados que lograrían una calificación aprobatoria según los estándares ISO. Las versiones más pequeñas de estos drones son relativamente económicas de adquirir con repuestos de costo bastante bajo. Cuando se trata de desequilibrio en estos modelos, el operador probablemente simplemente reemplazará las hélices.

Hay tres escenarios principales donde es aconsejable equilibrar las hélices:
Las hélices son grandes y caras de reemplazar.
El UAV está construido internamente.
Una hélice se empareja con un nuevo modelo de motor.

El primer escenario es bastante autoexplicativo - si las hélices de un UAV cuestan cientos o miles de dólares de reemplazar, vale la pena intentar equilibrarlas y repararlas.

En el segundo escenario, los fabricantes de UAVs no confían en el equilibrado del proveedor y necesitan realizar el equilibrado internamente como parte del proceso de producción o aseguramiento de calidad.

El tercer escenario refleja el hecho de que los motores y hélices idealmente deberían equilibrarse juntos, ya que una hélice perfectamente equilibrada en un motor desequilibrado aún resultará en mayor vibración y degradación posterior.

En este documento técnico cubrimos dos formas de equilibrar una hélice de UAV – estática y dinámica. El equilibrado estático se realiza en una hélice estacionaria, mientras que el equilibrado dinámico aborda una hélice rotatoria. Cada técnica tiene sus ventajas y limitaciones, discutidas a continuación.

3.1 Equilibrado Estático

El equilibrado estático típicamente consiste en montar una hélice en un soporte inmóvil y hacer ajustes a las palas de la hélice o al buje hasta que esté visiblemente equilibrada. Los equilibradores magnéticos son una opción popular dentro de los equilibradores estáticos, utilizando imanes opuestos para crear un punto de pivote de baja fricción alrededor del cual la hélice puede rotar.

Una vez que la hélice está montada, el usuario puede manipular la hélice para identificar desequilibrios tanto en las palas como en el buje, y se puede añadir o remover material para minimizar el desequilibrio. 

Los métodos comunes para reducir la masa de una hélice incluyen lijado, recorte o perforar pequeños agujeros. Para añadir masa, los materiales comunes incluyen pintura transparente, pegamento, esmalte de uñas, cinta adhesiva o tornillos pequeños.

Figura 15: Un equilibrador magnético estático de hélice

3.1.1 Ventajas

Hay varias ventajas del equilibrado estático, y puede ser preferible en situaciones donde el UAV no se usa comercialmente.

Por ejemplo, el equipo de equilibrado estático tiende a ser menos costoso que el equipo de equilibrado dinámico, por lo que hay una ventaja económica. También es muy fácil de aprender, requiriendo prácticamente ninguna experiencia técnica, y puede realizarse bastante rápido una vez que la configuración está configurada.

3.1.2 Limitaciones

Para desarrolladores y operadores de UAVs comerciales, las limitaciones del equilibrado estático son significativas.

En primer lugar, el trabajo se realiza manualmente, por lo que las mediciones son mucho menos precisas que las de un sistema digital. Tampoco hay forma de comparar el equilibrado con una norma como la ISO 21940-11:2016, ya que no se genera ningún valor G. Además, ciertos tipos de hélices, como las hélices plegables o las hélices con más de 2 palas, son más difíciles de equilibrar con un equilibrador estático.

3.2 Equilibrado dinámico

Los sistemas de equilibrado dinámico requieren, como mínimo: 1) un sensor para medir la velocidad de rotación de la hélice y 2) un acelerómetro para medir la vibración. Algunos sistemas utilizan la medición de posición de alta frecuencia en lugar de la aceleración.

Existen varias soluciones comerciales de equilibrado dinámico disponibles en el mercado de la aviación tripulada, pero ninguna está diseñada específicamente para la caracterización de UAV.

Ante esta necesidad, Tyto Robotics desarrolló un sistema de equilibrado dinámico de hélices que incluye hardware para montar la hélice, sensores para registrar las mediciones y software para controlar la transmisión y procesar los datos con el fin de obtener las correcciones necesarias.

A continuación, se muestra un ejemplo ilustrado del proceso de equilibrado:

Paso 1: Monte la hélice en el hardware del soporte de empuje y conecte el sensor de RPM a la unidad de medición de fuerza.

Figura 16: El banco de pruebas de equilibrado dinámico Flight Stand con hélice y sensor de RPM

Paso 2: Introduzca las propiedades del rotor en el software. Esto incluye las RPM de funcionamiento (crucero), la distancia de corrección donde se añadirá el peso de corrección y el grado de calidad de equilibrado deseado.

Figura 17: Pantalla de introducción de parámetros del software de equilibrado dinámico

Paso 3: Realice una prueba de rotación inicial, aumentando el acelerador hasta que la hélice alcance las RPM de funcionamiento indicadas. Capture una lectura y deje que la hélice se detenga.

Paso 4: Añada el peso de calibración, en forma de cinta, esmalte de uñas transparente, etc., según lo indique el software. El software proporcionará la masa necesaria y el número de pala donde se debe añadir el peso en la distancia de corrección.

Figura 18: Instrucciones del software para añadir peso a la hélice para la prueba de calibración

Paso 5: Realice la rotación de calibración, aumente el acelerador para alcanzar las RPM de funcionamiento.

Figura 19: Sistema de control del acelerador de la hélice en el software de equilibrado dinámico

Paso 6: Añada el peso de corrección final a la hélice, según lo indique el software. El peso de corrección añadido en este paso probablemente será suficiente para alcanzar el grado de equilibrado objetivo.

Figura 20: Pantalla final que indica que el grado de calidad final está dentro de la tolerancia con la norma establecida

Paso 7: Si la hélice no alcanzó el grado de equilibrado objetivo, añada el peso de corrección adicional recomendado por el software y haga girar la hélice de nuevo para verificar el equilibrado.

3.2.1 Ventajas

Para casos de uso profesionales de UAV, el equilibrado dinámico es casi siempre el método preferido por varias razones.

En primer lugar, es muy preciso. Cuando las consecuencias de las hélices desequilibradas son tan graves, disponer de datos precisos sobre el equilibrado es absolutamente necesario. Los sistemas dinámicos también proporcionan un valor G y se adhieren a las normas publicadas, lo que puede ser crucial para los desarrolladores de UAV que desean demostrar el cumplimiento a los clientes o partes interesadas.

Además, con los sistemas de equilibrado automatizados, el equilibrado dinámico es fácil de realizar y se completa relativamente rápido, en solo 5 minutos o menos por hélice.

Por último, los sistemas de equilibrado dinámico no están limitados por el número de palas o el tipo de hélice y pueden equilibrar hélices con cualquier número de palas, incluyendo una sola pala o un disco como el motor.

3.2.2 Limitaciones

Se requiere cierto conocimiento técnico para equilibrar una hélice dinámicamente. Por ejemplo, la mayoría de los softwares de equilibrado dinámico requieren que el usuario introduzca variables como la velocidad de rotación de crucero y el grado de equilibrado G objetivo. La parte más importante del conocimiento es cómo montar y modificar la hélice de forma segura, garantizando la seguridad al trabajar con sistemas eléctricos activos y hélices en rotación.

Además, el equipo utilizado para el equilibrado dinámico tiende a ser más caro que el equipo estático, por lo que se requiere una mayor inversión.

Conclusión

Los efectos del desequilibrio de las hélices en los UAV son de gran alcance, ya que afectan a la estabilidad del vuelo, la eficiencia, la precisión de los sensores y la longevidad de los componentes. La vibración excesiva, resultante incluso de desequilibrios menores, puede provocar pérdida de empuje, aumento del consumo de energía, desgaste acelerado de los rodamientos, fatiga estructural y degradación del rendimiento del controlador de vuelo. Si no se abordan, estos problemas contribuyen a un tiempo medio entre fallos (MTTF) más corto, una fiabilidad reducida y mayores costes operativos.

El equilibrado dinámico de hélices proporciona una solución práctica y altamente efectiva para mitigar estos riesgos. A diferencia del equilibrado estático, que ofrece solo una corrección de masa básica, el equilibrado dinámico detecta y corrige con precisión los desequilibrios mientras la hélice está rotando, garantizando un alto grado de precisión y cumplimiento con las normas de la industria como la ISO 21940-11:2016. Este proceso reduce las vibraciones en la fuente, lo que conduce a vuelos más suaves, una eficiencia mejorada y una vida útil más larga de los componentes.

Para los fabricantes y operadores de UAV que aspiran a un rendimiento óptimo, costes de mantenimiento reducidos y una seguridad mejorada, implementar el equilibrado dinámico como una práctica estándar es un paso crucial hacia adelante. Al adoptar este enfoque, los sistemas UAV pueden operar con la máxima eficiencia, garantizando una mayor fiabilidad, menores emisiones de ruido y una vida útil prolongada.

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