Normas de Equilíbrio de Hélices para Drones

· 4 min de leitura · Admin Staff

ISO 21940-11:2016 rotor balancing standard

Por Lauren Nagel

O equilibragem de hélices é um processo crítico para garantir o funcionamento suave, a fiabilidade e a longevidade dos UAV (Veículos Aéreos Não Tripulados). O desequilíbrio de uma hélice pode provocar vibrações, ruído e um desgaste acelerado dos componentes essenciais, o que pode ter um impacto negativo no desempenho de voo. 

A norma ISO 21940-11:2016 fornece um quadro amplamente referenciado para o equilibragem de rotores, definindo os níveis admissíveis de desequilíbrio para alcançar um desempenho ideal do rotor.

Este artigo explora os principais conceitos da norma ISO 21940-11:2016, os métodos utilizados para determinar a qualidade do equilibragem e os próximos passos para o equilibragem das hélices dos UAV.

Índice

  1. Norma ISO de equilibragem de Rotores

  2. Métodos para Determinar o Desequilíbrio Residual Admissível

  3. Tabela Resumo das Classes de equilibragem

  4. Próximos Passos

Clique nestes links para saber como as hélices desequilibradas causam vibrações excessivas e ruído aumentado nos drones.

Norma ISO 21940-11 de balanceamento de hélices

1. Norma ISO de equilibragem de Rotores

A norma mais referenciada para o equilibragem de hélices é a ISO 21940-11:2016, “Procedimentos e tolerâncias para rotores com comportamento rígido”. Substitui a norma anterior, 1940:1-2003, com definições atualizadas e aplicações mais abrangentes.

A nova norma, estabelecida em 2016, segue uma premissa simples: o nível de desequilíbrio (U) de um rotor é considerado aceitável quando o desequilíbrio residual, U, é inferior ou igual a um desequilíbrio residual admissível predefinido, Uper, definido como a tolerância total no plano do centro de massa e é proporcional à massa do rotor:

Fórmula Uper para balanceamento de rotores

É medido em kg·m (quilogramas metros), g·mm (gramas milímetros), kg·mm (quilogramas milímetros) ou mg·mm (miligramas milímetros).

A razão de Uper para a massa do rotor chama-se eper, definida como o desequilíbrio específico residual admissível:
Fórmula eper para balanceamento de rotores

É medido em kg·m/kg (quilogramas metros por quilograma), m (metros), g·mm/kg (gramas milímetros por quilograma) ou μm (micrômetros), que é frequentemente a unidade preferida, pois muitos valores de eper situam-se entre 0,1 μm e 10 μm.

Para um rotor com apenas um desequilíbrio resultante (e um desequilíbrio de momento desprezível), eper é a distância entre o centro de massa do rotor e o eixo do eixo.

Observou-se que eper varia tipicamente de forma inversa com a velocidade de serviço, n, do rotor: 

Equação eper para balanceamento de rotores

Para o equilibragem de rotores de UAV, poderia-se substituir ‘velocidade de serviço’ por ‘velocidade de rotação de cruzeiro’, a RPM em que a hélice opera durante o voo de cruzeiro.

Esta relação também pode ser expressa como:

Fórmula da constante c para balanceamento de hélices

onde

Ω = a velocidade angular da velocidade de cruzeiro, em rad/s

c é uma constante

Dito de outra forma,
Fórmula da velocidade angular da hélice

onde n = velocidade de rotação de cruzeiro em rotações/minuto.

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2. Métodos para Determinar o Desequilíbrio Residual Admissível

A ISO 21940-11:2016 especifica cinco métodos que podem ser utilizados para determinar a magnitude do desequilíbrio residual admissível: 

  1. Classes de qualidade de equilibragem, derivadas de longa experiência prática com um grande número de rotores diferentes

  2. Avaliação experimental dos desequilíbrios residuais admissíveis

  3. Forças limitadas nos rolamentos devido ao desequilíbrio

  4. Vibrações limitadas devido ao desequilíbrio

  5. Experiência estabelecida com tolerâncias de desequilíbrio

Para os métodos 3 e 4, os objetivos são, respetivamente, limitar as forças nos rolamentos e a vibração. As tolerâncias de qualidade de equilibragem são definidas pelos limites correspondentes de força nos rolamentos e vibração.

Os métodos 2 e 5 são mais comumente empregados por organizações que acumularam uma quantidade significativa de dados de equilibragem para os seus rotores específicos, suficientes para definir internamente as tolerâncias de qualidade de equilibragem.

O método 1 utiliza uma norma global baseada em “experiência mundial e considerações de similaridade” para definir os requisitos de qualidade de equilibragem para tipos típicos de máquinas.

A unidade para a classe de qualidade de equilibragem de acordo com o método 1 é “G”, equivalente à magnitude de eperΩ expressa em mm/s (milímetros por segundo). Por exemplo, se eperΩ = 6,3 mm/s, então a classe de qualidade de equilibragem = G 6,3.

3. Tabela Resumo das Classes de Qualidade de equilibragem


Tipos de máquinas: exemplos gerais

Classe de qualidade de equilibragem (G)

Magnitude (eperΩ mm/s)

Eixos de transmissão para motores a diesel marítimos grandes e lentos, inerentemente balanceados

G 1600

1600

Carros: rodas, jantes, eixos de transmissão

G 40

40

Turbina a gás de aeronave
Motores elétricos com altura do eixo <80mm

G 6,3

6,3

Motores elétricos com altura do eixo ≥80 mm
Turbinas a gás e turbinas a vapor

G 2,5

2,5

Giroscópios

G 0,4

0,4


As hélices dos UAV são tipicamente balanceadas para uma classe de qualidade G 6,3, garantindo baixos níveis de vibração e um funcionamento suave. Isto minimiza o esforço sobre os componentes, prevenindo um desgaste excessivo e evitando interferências no desempenho dos sensores.

4. Próximos Passos

Esperamos que este artigo tenha sido informativo. Se tiver mais alguma dúvida sobre as normas de equilibragem de hélices, deixe-nos saber nos comentários.

Para saber mais sobre as melhores práticas de equilibragem de hélices, consulte o nosso aprofundado Livro Branco sobre Técnicas de equilibragem de Hélices.

Se estiver pronto para começar a balancear as suas hélices, confira o nosso Equipamento de equilibragem Dinâmico de Hélices.