Equilíbrio de Hélices para Melhorar o Desempenho de UAV - Livro Branco

Por Lauren Nagel

Resumo Executivo

Os Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) dependem de hélices bem equilibradas para alcançar um desempenho, eficiência e longevidade ideais. No entanto, mesmo desequilíbrios mínimos nas hélices podem desencadear um ciclo de retroalimentação positiva de tensão mecânica, levando ao aumento das vibrações, à redução da eficiência de impulso, ao maior consumo de energia e ao desgaste acelerado de componentes críticos. Com o tempo, estes efeitos degradam o sistema de propulsão, os rolamentos, o desempenho do controlador de voo e a integridade estrutural do VANT, reduzindo em última análise o seu Tempo Médio para Falha (MTTF) e aumentando os custos operacionais.

Este documento técnico explora as causas, as consequências e as soluções para o desequilíbrio das hélices dos VANTs. Examina normas da indústria, como a ISO 21940-11:2016, que fornece orientações sobre o desequilíbrio residual admissível.

Para mitigar os riscos associados às hélices desequilibradas, o documento técnico avalia as técnicas de equilíbrio estático versus dinâmico. Embora o equilíbrio estático ofereça um método simples e de baixo custo para corrigir a distribuição de massa, carece da precisão necessária para aplicações profissionais de VANTs. Em contrapartida, o equilíbrio dinâmico fornece correções com base em leituras efetuadas enquanto a hélice está em rotação, garantindo um maior nível de precisão, conformidade com as normas da indústria e uma vida útil prolongada dos componentes. A adoção de soluções de equilíbrio dinâmico permite aos fabricantes e operadores de VANTs reduzir o desgaste, melhorar a eficiência de voo e aumentar a fiabilidade geral do VANT.

Ao abordar o desequilíbrio das hélices na sua origem, os profissionais de VANTs podem reduzir o tempo de inatividade, diminuir os custos de manutenção e garantir voos estáveis e eficientes em diversos ambientes operacionais.

Parte 1: Antecedentes

Hélices bem equilibradas são um componente crucial dos VANTs de alto desempenho. Tal como as hélices equilibradas são fundamentais para o sucesso, as hélices desequilibradas podem levar a falhas sob a forma de desempenho degradado, tensão nos componentes e redução da competitividade no mercado.

Nos VANTs pequenos, as hélices são frequentemente baratas e fáceis de substituir. Os custos começam a acumular-se quando uma falha relacionada com a hélice provoca danos no VANT como um todo, ou quando ocorre uma falha em drones maiores com hélices de grandes dimensões que são mais dispendiosas de substituir.

Este documento técnico aprofunda as complexidades do equilíbrio das hélices, destacando a sua importância na manutenção da funcionalidade, fiabilidade e longevidade dos VANTs.

1.1 O que é o equilíbrio das hélices?

Em termos gerais, o equilíbrio das hélices descreve o ato de alcançar o equilíbrio nas pás e nos eixos de uma hélice, com foco no tamanho, na massa e na geração de força.

As hélices são tipicamente equilibradas de uma de três formas: estática, dinâmica e aerodinâmica. O equilíbrio estático e dinâmico consiste em adicionar pesos à hélice para alcançar uma massa igual em toda a hélice quando em repouso (equilíbrio estático) ou à rotação por minuto (RPM) de operação (equilíbrio dinâmico). Estes tipos de reparação corrigem os desalinhamentos entre o centro de massa e o centro de rotação.

Em contrapartida, o equilíbrio aerodinâmico foca-se em alcançar uma geração de impulso igual, ajustando as propriedades físicas das pás, tais como a forma da pá e o ângulo de passo. É frequentemente chamado de alinhamento. O equilíbrio aerodinâmico pode ser detetado medindo-se o binário de arfagem e de rolamento no motor, ou acompanhando cada pá durante uma rotação para garantir que ambas seguem a mesma trajetória. 

Este artigo irá discutir o equilíbrio estático e dinâmico, que devem ser realizados antes do equilíbrio aerodinâmico.

Na ISO 21940-11:2016, o equilíbrio das hélices é definido como “um procedimento pelo qual a distribuição de massa de um rotor é examinada e, se necessário, ajustada para garantir que o desequilíbrio residual ou a vibração em serviço estejam dentro dos limites especificados” (ISO, 2016). Uma definição mais visual do equilíbrio das hélices descreveria como a adição ou remoção de peso de uma hélice para alcançar uma distribuição de massa quase igual em torno do centro.

Figura 1: Adição de pesos às pás de uma hélice para alcançar uma distribuição de massa igual

1.2 Normas de equilíbrio das hélices

Atualmente, a norma mais referenciada para o equilíbrio das hélices é a ISO 21940-11:2016, “Procedimentos e tolerâncias para rotores com comportamento rígido”.

Substitui a norma anterior, ISO 1940-1:2003, com definições atualizadas e aplicações mais amplas.

A nova norma, estabelecida em 2016, segue uma premissa simples: o nível de desequilíbrio (U) num rotor é considerado aceitável quando o desequilíbrio residual, U_res, é menor ou igual a um desequilíbrio residual admissível predefinido, U_per.

U_per é definido como a tolerância total no plano do centro de massa e é proporcional à massa do rotor:

U_per ∝ m

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

A razão de U_per para a massa do rotor é chamada e_per, definida como o desequilíbrio específico residual admissível:

e_per = U_per m

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, uma vez que muitos valores de e_per situam-se entre 0,1 μm e 10 μm.

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

Observou-se que e_per normalmente varia inversamente com a velocidade de serviço, n, do rotor:

e_per ∝ 1 n

Para o equilíbrio do rotor de VANTs, poderia-se trocar ‘velocidade de serviço’ por ‘velocidade de rotação de cruzeiro’, ou a RPM na qual a hélice opera durante o voo de cruzeiro.

Esta relação também pode ser expressa como:

e_per = c Ω

onde

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

c é uma constante

Dito de outra forma,

Ω = 2πn 60

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

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

1. Graus de qualidade de equilíbrio, derivados de experiência prática de longo prazo com um grande número de rotores diferentes
2. Avaliação experimental dos desequilíbrios residuais admissíveis
3. Forças de rolamento limitadas 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 de rolamento e a vibração. As tolerâncias de qualidade de equilíbrio são definidas pelos limites correspondentes de força de rolamento e vibração.

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

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

A unidade para o grau de qualidade de equilíbrio de acordo com o método 1 é “G”, equivalente à magnitude de e_perΩ expressa em mm/s (milímetros por segundo). Ou seja, se e_perΩ = 6,3 mm/s, então o grau de qualidade de equilíbrio = G 6,3, que por acaso é o grau mais comumente referenciado para o equilíbrio do rotor de VANTs.

Abaixo encontra-se uma tabela de resumo dos graus de qualidade de equilíbrio para tipos comuns de máquinas:

1.3 Causas do Desequilíbrio das Hélices

Existem muitas variáveis que podem criar desequilíbrio numa hélice. 

A tensão cumulativa é uma causa comum de desequilíbrio das hélices durante as operações regulares. Imperfeições minúsculas durante a fabricação podem ser exacerbadas ao longo do tempo, especialmente após muitas horas de operação a altas RPM. Uma hélice desequilibrada leva ao aumento das vibrações, que podem levar ao afrouxamento de componentes, desalinhamentos, fissuras e outros efeitos prejudiciais, trabalhando num ciclo de retroalimentação positiva para degradar ainda mais o equilíbrio da hélice.

Danos nas hélices durante impactos ou colisões com o terreno também podem levar a perdas de material que resultam numa hélice desequilibrada. Para VANTs menores com hélices baratas, é frequentemente mais económico simplesmente substituir a hélice. Para VANTs maiores com hélices mais caras, pode valer a pena reequilibrar a hélice em vez de a substituir. Dito isto, para aeronaves de qualquer tamanho, deve-se também considerar os efeitos mais amplos do dano no sistema, uma vez que o motor ou outros componentes também podem ter sofrido danos.

A tensão térmica também pode causar deformações em certos tipos de hélices, como hélices de nylon e outros plásticos.

Figura 2: Uma pá de hélice de VANT danificada (Bayne, 2022)

Parte 2: Consequências das Hélices Desequilibradas

2.0 Antecedentes

Hélices desequilibradas criam um efeito dominó que afeta muitos sistemas de VANTs. Independentemente da causa do desequilíbrio, a rotação em alta velocidade resulta numa assimetria que é explorada repetidamente, milhares de vezes por minuto. Portanto, não demora muito para que os efeitos de um pequeno desequilíbrio afetem o sistema de propulsão mais amplo, os sensores e a estabilidade da aeronave.

Abaixo encontra-se um resumo de algumas das consequências mais críticas das hélices desequilibradas num VANT.

2.1 Vibração

A vibração, resultante da rotação em alta velocidade de uma hélice desequilibrada, é a causa raiz de muitos dos problemas subsequentes discutidos nesta secção. Vários estudos anteriores demonstraram como o desequilíbrio da hélice pode causar vibrações desestabilizantes em vários tipos de aeronaves (Best, 1945; Loeffler, 1987; Fu, 2018). Esta vibração leva à degradação do desempenho em vários sistemas, resultando em perda de impulso, aumento do ruído, degradação acelerada e redução da eficiência de voo.

No mundo dos multirotores, vários estudos confirmaram que a relação causal entre o desequilíbrio da hélice e a vibração se estende aos VANTs, utilizando métodos que incluem acelerómetros de bordo (Ghalamchi, 2018) e deteção no rotor (Lin, 2023). Outras pesquisas tiveram como objetivo deduzir a vibração e o desequilíbrio utilizando métodos sem contacto, como a análise do perfil de ruído (Rangel-Magdaleno, 2018) e a vibrometria a laser (Kuantama, 2019).

Tais estudos ajudaram-nos a compreender melhor a relação entre o desequilíbrio da hélice e a vibração, incluindo quando isto se torna motivo de preocupação.

Em Kuantama (2019), um vibrómetro Doppler a laser foi utilizado para medir a vibração em hélices de VANT equilibradas e desequilibradas. No estudo, um feixe de laser foi focado em três áreas da hélice, a ponta, o centro da pá e o cubo, onde monitorizou o movimento dinâmico da hélice para derivar a velocidade de vibração. Antes dos experimentos, os autores utilizaram um sistema de equilíbrio estático para equilibrar a hélice em duas áreas: o centro das pás e o cubo. A hélice foi então montada num rotor e girada a velocidades de rotação de até 7.000 RPM.

Figura 3: Montagem de teste de vibrómetro a laser de Kuantama (2019)

Curiosamente, a RPMs mais elevadas, a hélice de 14” demonstrou uma divisão muito maior na velocidade de vibração entre os modelos equilibrados e desequilibrados em comparação com a hélice de 13”. A 5.000 RPM, a hélice de 13” desequilibrada exibiu uma velocidade de vibração 12% ou 0,4 m/s superior em comparação com a hélice equilibrada. Em comparação, esta divisão atingiu 33% ou um aumento de 2,3 m/s na velocidade de vibração entre as hélices desequilibradas e equilibradas de 14”. Os autores observaram que “ocorreu um aumento dramático na velocidade de vibração acima de 4000 RPM”. 

Figura 4: Velocidade de vibração de uma hélice de 13” (esquerda) e uma hélice de 14” (direita) (Kuantama, 2019)

Estes resultados apoiam descobertas anteriores de que as vibrações do desequilíbrio da hélice têm um impacto maior a RPMs mais elevadas e podem ser mais consequentes em VANTs com hélices maiores.

Um estudo mais recente de Salem et al. (2025) teve como objetivo abordar os desafios associados à deteção do desequilíbrio do rotor em ambientes dinâmicos, como aqueles que envolvem turbulência do vento e ruído ambiental.

O desequilíbrio foi introduzido no sistema ao afrouxar um dos parafusos da pá numa hélice. Os padrões de vibração foram registados utilizando um sistema microeletromecânico (MEMS) montado no corpo do VANT, e os dados registados foram utilizados para treinar o seu modelo de rede neuronal MLP Multi-Layer Perceptron, que seria posteriormente aplicado a um conjunto de dados de teste.

Nos seus resultados, observaram que o perfil de vibração do rotor desequilibrado apresentava significativamente mais vibração nos três eixos (X, Y, Z) em comparação com o rotor equilibrado. O desvio foi mais pronunciado no eixo X, com picos superiores a 2 g, mas os padrões irregulares observados nos eixos Y e Z sugerem que o desequilíbrio induziu vibrações secundárias em todo o sistema. 

O autor observa que  “Estas flutuações não só poderiam comprometer a estabilidade do UAV, como também aumentar o risco de falha mecânica se não fossem tratadas.”

Figura 5: Aceleração de vibração para hélices a) equilibradas e b) desequilibradas (Salem, 2025)

A sua rede neuronal foi capaz de alcançar um coeficiente de correlação de 0,9224 em conjuntos de dados de teste, sugerindo que o modelo pode ser utilizado para identificar desequilíbrios específicos em outros sistemas de propulsão com dados semelhantes.

É essencial que a vibração seja caracterizada com precisão nos sistemas UAV, uma vez que contribui para os fatores discutidos nas secções seguintes.

2.2 Perda de Impulso

Pode-se inferir matematicamente e demonstrar experimentalmente que a geração de impulso da hélice é afetada negativamente por pás desequilibradas.

Matematicamente falando, uma das principais variáveis que contribuem para o impulso de pairagem (T) é o coeficiente de impulso (C_T), para o qual a geometria da pá é um fator determinante (Rangel-Magdaleno, 2018):

T = C_T ρ A_r r² n²

C_T = T ρ n² D⁴

Onde C_T é o coeficiente de impulso, ρ é a densidade do ar, A_r é a área do disco do rotor, r é o raio da hélice, n é a velocidade angular e D é o diâmetro da hélice.

A investigação concluída por Sedek (2018) e Mizui (2012) confirmou este fenómeno experimentalmente.

Em Sedek (2018), demonstra-se que um desequilíbrio representando 5% da massa total da hélice pode resultar numa redução de até 50% do impulso. É altamente improvável que uma nova hélice comercial apresente uma falha tão elevada, mas é possível que uma hélice danificada possa sofrer uma perda de material que resulte num tal desequilíbrio.

Figura 6: Impulso vs. RPM para hélices equilibradas e desequilibradas (Sedek, 2018)

Um cenário mais realista é apresentado em Mizui (2012), onde o desequilíbrio da hélice representa pouco mais de 1% da massa total da hélice. Este desequilíbrio resultou numa redução do impulso na faixa de 2 a 8% em velocidades de operação entre 2800 e 5600 RPM.

Figura 7: Impulso vs. RPM para hélices equilibradas e desequilibradas (Mizui, 2012)

O operador, assim, experiencia um impulso reduzido ou um aumento do consumo de energia, como evidenciado em Rangel-Magdaleno et al. (2018), que demonstrou que o consumo de energia aumentou com o desequilíbrio numa hélice de teste. A equipa utilizou sinais sonoros para demonstrar que as frequências associadas ao desequilíbrio correspondiam a RPMs onde o consumo de energia era mais elevado.

Figura 8: Mediana, média e desvio padrão para o consumo de energia de hélices equilibradas e desequilibradas (Rangel-Magdaleno)

2.3 Ruído

Intuitivamente, assume-se que hélices desequilibradas produzem uma maior quantidade de ruído do que hélices equilibradas. No entanto, para pequenos desequilíbrios que não impedem significativamente o voo do UAV, os resultados são mistos.

Por exemplo, em Pechan (2015), os autores observaram o efeito oposto. Hélices com várias imperfeições, tais como protuberâncias, pás serrilhadas e desequilíbrios de massa, foram testadas quanto à produção de ruído e rodadas a várias RPMs, de 3000 a 5500 RPM.

Na maioria dos seus experimentos, as hélices com protuberâncias ou serrilhados apresentaram, em média, uma produção de ruído (LZmax) igual ou superior à da hélice sem danos.

Figura 9: O nível de ruído mais elevado detetado (LZmax) de hélices danificadas (B1 - B5), desequilibradas (B6) e lisas

No caso da hélice desequilibrada, que teve material removido de uma das pás através de lixagem, os resultados mostraram que a hélice equilibrada produziu, na verdade, mais ruído em frequências mais elevadas a 5000 RPM. 

Figura 10: Espectros de ruído de hélices lisas e desequilibradas a 3000 (esquerda) e 5000 RPM (direita)

Os autores não especificam quanto material foi removido da pá, nem indicam se o equilíbrio da hélice foi caracterizado antes do teste, pelo que é difícil decidir como interpretar estes resultados. As hélices que foram danificadas pela adição ou remoção de material também não foram caracterizadas em detalhe e provavelmente representam elas próprias um estado desequilibrado.

Os autores discutem a diferença entre ruído tonal e de banda larga, diferenciando-os da seguinte forma: “O ruído tonal está relacionado com a aerodinâmica e a cinemática da pá em fluxo uniforme, [...] espessura, carga e ruído quadrupolar. O ruído de banda larga é mais complexo e é gerado pela interação entre o fluxo e vários componentes da pá”. Os níveis de ruído tonal representam a maior parte da contribuição para o ruído total, enquanto o ruído de banda larga representa apenas uma pequena parte. Eles observam que um dos principais contribuintes para o ruído tonal é o ruído de espessura, determinado pela espessura da pá da hélice.

Pode-se hipotetizar que, ao reduzir a espessura da pá da hélice desequilibrada através de lixagem, eles possam ter contribuído para menos ruído de espessura e uma menor produção de ruído tonal.

Noutro estudo de Iannace (2019), foram feitas medições do ruído da hélice numa câmara anecoica utilizando um UAV quadcopter com quatro hélices de 2 pás. O ruído foi comparado em três condições: 1) hélices não modificadas, 2) fita adesiva adicionada a uma das pás de uma das hélices, 3) fita adesiva adicionada a ambas as pás de uma das hélices. A massa do UAV, das hélices e da fita adesiva não foi indicada.

Quatro microfones foram colocados em diferentes posições à volta do drone e o nível linear de pressão sonora foi medido em dB. Curiosamente, não houve diferenças significativas no som medido nas três condições diferentes. O nível médio de som do UAV com quatro hélices equilibradas foi, na verdade, ligeiramente superior (1,4 dB Lin) do que nas duas condições desequilibradas.

Figura 11: Nível de pressão sonora em dB Lin para cada uma das três condições

Apesar de terem níveis de ruído total muito semelhantes, cada uma das condições tinha uma assinatura de ruído única que a rede neuronal do autor foi capaz de diferenciar com uma taxa de sucesso superior a 97%.

Um terceiro estudo realizado por Semke (2020) procurou caracterizar como os danos influenciam a aceleração, os níveis acústicos e o desempenho de voo dos UAVs. Os testes foram realizados utilizando um DJI Phantom 4 Pro com quatro conjuntos únicos de hélices, dois dos conjuntos tinham um design de baixo ruído e os outros dois conjuntos tinham um design padrão. Em cada conjunto, um centímetro de material foi removido da ponta de uma das hélices para introduzir um desequilíbrio, enquanto a outra permaneceu não modificada.

Os resultados demonstraram que, para duas das pás padrão, as hélices desequilibradas mostraram um aumento do nível de ruído de 4 dB em comparação com as hélices não modificadas, 78 dB vs. 74 dB, ou um aumento de 5%. Em contraste, as hélices de baixo ruído mostraram pouca ou nenhuma diferença entre as condições danificadas e não danificadas.

Figura 12: Nível de pressão sonora em dB dos UAVs com hélices não danificadas e danificadas

Eles compararam de forma semelhante a vibração da aeronave utilizando um acelerómetro de bordo. Os resultados são paralelos às medições acústicas. Todas as aeronaves exibiram vibração aumentada, mas o aumento foi menos pronunciado nos UAVs com as hélices de baixo ruído.

Figura 13: Aumento da aceleração entre UAVs com hélices não danificadas e danificadas

Cada um destes estudos dá como certo que as hélices e motores do UAV estavam bem equilibrados antes dos experimentos. Seria interessante ver mais estudos destes efeitos com as seguintes adições: 1) massa conhecida da hélice, 2) massa ou magnitude conhecida do desequilíbrio, 3) uma medição do equilíbrio da hélice contra um padrão estabelecido antes do experimento. 

Também seria interessante realizar estes estudos em UAVs maiores. Embora Pechan (2015) tenha testado uma hélice Xoar de 22”, os outros dois estudos utilizaram pequenos quadcopters.

A conclusão destes estudos é que pequenos desequilíbrios nas hélices dos UAVs dificilmente aumentarão significativamente a produção de ruído, embora grandes desequilíbrios possam resultar em mais ruído, especialmente à medida que o tamanho da hélice e as RPM aumentam.

2.4 Desempenho Degradado do Controlador de Voo

Um dos impactos das hélices desequilibradas é a redução da estabilidade de voo, o que requer ações corretivas do controlador de voo de bordo. Isto pode assumir a forma de entradas de binário compensatórias para contrariar perturbações (Pose, 2024) ou ajustes rápidos constantes para manter a estabilidade (Vertiq, n.d.). Estas correções aumentam os requisitos de energia do controlador de voo e, assim, diminuem a eficiência e o tempo de voo do UAV.

Um exemplo chave é o impacto do desequilíbrio na Unidade de Medição Inercial (IMU), responsável por medir parâmetros chave como atitude, aceleração e velocidade angular. As IMUs são altamente sensíveis às vibrações, e cargas de vibração excessivas podem levar à fadiga e fraturas, resultando em falhas em microvigas e condutores metálicos em sistemas microeletromecânicos (MEMS) (Xu, 2024). Foi descoberto que isto pode ser causado por uma sincronização da frequência de aceleração externa com a frequência natural da fiação, resultando em ressonância e concentração de tensão (He, 2019). Outro estudo demonstrou que tais fissuras nas microvigas podem degradar o desempenho do giroscópio e, assim, as leituras do sensor MEMS (Larkin, 2020).

A degradação das leituras dos sensores de bordo muitas vezes precede a falha catastrófica do UAV. Em Pose (2024), a vibração devido ao desequilíbrio da hélice levou a ruído extremo nas medições inerciais, causando estimativas de atitude imprecisas que, por fim, resultaram em vários acidentes.

2.5 Desgaste Acelerado nos Rolamentos

A relação entre o desequilíbrio da hélice e a vibração tem sido bem definida, assim como a relação entre a vibração e a degradação dos rolamentos, especialmente em indústrias mais antigas, como a manufatura industrial. Em Li (2023), um banco de ensaios foi projetado para estudar o comportamento dos rolamentos de rolos sob excitação de vibração. A investigação demonstrou que esta excitação pode aumentar significativamente a aceleração e a trajetória do eixo do rolamento e reduzir a rigidez do rolamento, acelerando assim a degradação.

A maioria do trabalho sobre a relação entre a vibração e a vida útil dos rolamentos nos UAVs foca-se em como a degradação do rolamento leva ao aumento da vibração.

Em Banerjee (2023), investigadores do NASA Langley Research Center utilizaram um UAV DJI S1000 para detetar experimentalmente anomalias de vibração numa aeronave com rolamentos danificados. Eles desenvolveram uma característica de diagnóstico de saúde normalizada chamada “Indicador de Anomalia Vibracional (VAI)”, para identificar assinaturas de vibração únicas de voos com rolamentos defeituosos. O indicador utilizou uma razão de eventos de vibração únicos para eventos não únicos para pontuar cada sistema.

O diagnóstico permitiu-lhes diferenciar entre sistemas intactos e danificados, que mostraram valores de VAI de 0,04 (a) e 0,08 (b) para sistemas intactos, e 0,65 (c) e 0,84 (d) para sistemas danificados.

Figura 14: Densidade espectral de potência (PSD), como um indicador de vibração em sistemas com rolamentos intactos (a, b) e danificados (c, d)

Resumo

Uma hélice desequilibrada desencadeia um ciclo de feedback positivo de desempenho degradado, encurtando o tempo médio até à falha (MTTF) de um UAV. A rotação de alta velocidade de uma hélice desequilibrada gera vibração excessiva, que reduz a eficiência do impulso, aumenta a produção de ruído e eleva o consumo de energia. Estas vibrações propagam-se através da estrutura, levando ao desgaste acelerado dos rolamentos, fadiga estrutural e imprecisões nos sensores que podem levar à redução da estabilidade de voo.

Se não for tratada, este ciclo de autorreforço pode levar à falha prematura de componentes críticos do UAV.

Parte 3: Técnicas de Equilíbrio da Hélice

3.0 Antecedentes

Para mitigar as degradações de desempenho descritas na secção anterior, é necessário abordar a causa raiz: hélices desequilibradas.

Muitos UAVs pré-fabricados vêm com rotores pré-equilibrados que alcançariam uma nota de aprovação de acordo com as normas ISO. As versões menores destes drones são relativamente baratas de adquirir com peças de substituição de custo bastante baixo. Quando se trata de desequilíbrio nestes modelos, o operador provavelmente irá simplesmente substituir as hélices.

Existem três cenários principais onde é aconselhável equilibrar as hélices:
As hélices são grandes e caras de substituir.
O UAV é construído internamente.
Uma hélice é emparelhada com um novo modelo de motor.

O primeiro cenário é bastante autoexplicativo - se as hélices de um UAV custam centenas ou milhares de dólares para substituir, vale a pena tentar equilibrá-las e repará-las.

No segundo cenário, os fabricantes de UAVs não confiam no equilíbrio do fornecedor e precisam de realizar o equilíbrio internamente como parte do processo de produção ou garantia de qualidade.

O terceiro cenário reflete o facto de que os motores e hélices devem idealmente ser equilibrados juntos, pois uma hélice perfeitamente equilibrada num motor desequilibrado ainda resultará em maior vibração e degradação subsequente.

Neste documento técnico, cobrimos duas formas de equilibrar uma hélice de UAV – estática e dinâmica. O equilíbrio estático é realizado numa hélice estacionária, enquanto o equilíbrio dinâmico aborda uma hélice em rotação. Cada técnica tem as suas vantagens e limitações, discutidas abaixo.

3.1 Equilíbrio Estático

O equilíbrio estático normalmente consiste em montar uma hélice num suporte imóvel e fazer ajustes nas pás da hélice ou no cubo até que esteja visivelmente equilibrada. Os equilibradores magnéticos são uma opção popular entre os equilibradores estáticos, utilizando ímanes opostos para criar um ponto de pivô de baixo atrito em torno do qual a hélice pode rodar.

Uma vez que a hélice está montada, o utilizador pode manipular a hélice para identificar desequilíbrios tanto nas pás quanto no cubo, e material pode ser adicionado ou removido para minimizar o desequilíbrio. 

Os métodos comuns para reduzir a massa de uma hélice incluem lixagem, corte ou perfuração de pequenos furos. Para adicionar massa, os materiais comuns incluem tinta transparente, cola, verniz de unhas, fita adesiva ou pequenos parafusos.

Figura 15: Um equilibrador magnético estático de hélice

3.1.1 Vantagens

Existem várias vantagens no equilíbrio estático, e ele pode ser preferível em situações onde o UAV não é utilizado comercialmente.

Por exemplo, o equipamento de equilíbrio estático tende a ser menos caro do que o equipamento de equilíbrio dinâmico, pelo que há uma vantagem económica. Também é muito fácil de aprender, exigindo praticamente nenhuma especialização técnica, e pode ser realizado bastante rapidamente uma vez que a configuração esteja configurada.

3.1.2 Limitações

Para desenvolvedores e operadores de UAVs comerciais, as limitações do equilíbrio estático são significativas.

Em primeiro lugar, o trabalho é realizado manualmente, pelo que as medições são muito menos precisas do que num sistema digital. Também não é possível comparar o equilibragem com uma norma, como a ISO 21940-11:2016, uma vez que não é gerado nenhum valor G. Além disso, certos tipos de hélices, como hélices recolhíveis ou hélices com mais de 2 pás, são mais difíceis de balancear com um balanceador estático.

3.2 equilibragem Dinâmico

Os sistemas de equilibragem dinâmico requerem, no mínimo: 1) um sensor para medir a velocidade de rotação da hélice e 2) um acelerómetro para medir a vibração. Alguns sistemas utilizam medição de posição de alta frequência em vez de aceleração.

Existem várias soluções comerciais de equilibragem dinâmico disponíveis no mercado da aviação tripulhada, mas nenhuma concebida especificamente para a caracterização de UAVs.

Percebendo esta necessidade, a Tyto Robotics desenvolveu um sistema de equilibragem dinâmico de hélices, que inclui hardware para fixar a hélice, sensores para registar medições e software para controlar a transmissão e processar dados para determinar as correções necessárias.

Aqui está um exemplo ilustrado do processo de equilibragem:

Passo 1: Fixe a hélice no hardware do bancada de ensaio e ligue o sensor de RPM à unidade de medição de força.

Figura 16: O suporte de teste de equilibragem dinâmico Flight Stand com hélice e sensor de RPM

Passo 2: Introduza as propriedades do rotor no software. Isto inclui as RPM de operação (cruzeiro), a distância de correção onde o peso de correção será adicionado e a classe de qualidade de equilibragem desejada.

Figura 17: Ecrã de introdução de parâmetros do software de equilibragem dinâmico

Passo 3: Realize um teste de rotação inicial, aumentando o acelerador até que a hélice atinja as RPM de operação indicadas. Registe uma leitura e deixe a hélice parar.

Passo 4: Adicione o peso de calibração, na forma de fita adesiva, verniz de unhas transparente, etc., conforme indicado pelo software. O software fornecerá a massa necessária e o número da pá onde o peso deve ser adicionado na distância de correção.

Figura 18: Instruções do software para adicionar peso à hélice para o teste de calibração

Passo 5: Realize a rotação de calibração, aumente o acelerador para atingir as RPM de operação.

Figura 19: Sistema de controlo do acelerador da hélice no software de equilibragem dinâmico

Passo 6: Adicione o peso de correção final à hélice, conforme indicado pelo software. O peso de correção adicionado neste passo será provavelmente suficiente para atingir a classe de equilibragem pretendida.

Figura 20: Ecrã final indicando que a classe de qualidade final está dentro da tolerância da norma definida

Passo 7: Se a hélice não atingiu a classe de equilibragem pretendida, adicione o peso de correção adicional recomendado pelo software e faça girar a hélice novamente para verificar o equilibragem.

3.2.1 Vantagens

Para casos de utilização profissional de UAVs, o equilibragem dinâmico é quase sempre o método preferido por várias razões.

Em primeiro lugar, é altamente preciso. Quando as consequências de hélices desbalanceadas são tão graves, ter dados precisos sobre o equilibragem é absolutamente necessário. Os sistemas dinâmicos também fornecem um valor G e aderem a normas publicadas, o que pode ser crucial para os desenvolvedores de UAVs que pretendam demonstrar a conformidade aos clientes ou partes interessadas.

Além disso, com sistemas de equilibragem automatizados, o equilibragem dinâmico é fácil de realizar e é concluído relativamente rapidamente, em apenas 5 minutos ou menos por hélice.

Finalmente, os sistemas de equilibragem dinâmico não são limitados pelo número de pás ou pelo tipo de hélice e podem balancear hélices com qualquer número de pás, incluindo uma pá ou um disco, como o motor.

3.2.2 Limitações

É necessário algum conhecimento técnico para balancear uma hélice dinamicamente. Por exemplo, a maioria dos softwares de equilibragem dinâmico requer que o utilizador introduza variáveis como a velocidade de rotação de cruzeiro e a classe de equilibragem G pretendida. A parte mais importante do conhecimento é como montar e modificar a hélice em segurança, garantindo a segurança ao lidar com sistemas elétricos energizados e hélices em rotação.

Além disso, o equipamento utilizado para o equilibragem dinâmico tende a ser mais caro do que o equipamento estático, pelo que é necessário um investimento maior.

Conclusão

Os efeitos do desbalanceamento da hélice em UAVs são de longo alcance, afetando a estabilidade de voo, a eficiência, a precisão dos sensores e a longevidade dos componentes. A vibração excessiva, resultante mesmo de desbalanceamentos mínimos, pode levar à perda de impulso, ao aumento do consumo de energia, ao desgaste acelerado dos rolamentos, à fadiga estrutural e à degradação do desempenho do controlador de voo. Se não forem abordados, estes problemas contribuem para um tempo médio até à falha (MTTF) mais curto, fiabilidade reduzida e custos operacionais mais elevados.

O equilibragem dinâmico de hélices proporciona uma solução prática e altamente eficaz para mitigar estes riscos. Ao contrário do equilibragem estático, que oferece apenas uma correção de massa básica, o equilibragem dinâmico deteta e corrige precisamente os desbalanceamentos enquanto a hélice está em rotação, garantindo um elevado grau de precisão e conformidade com normas da indústria como a ISO 21940-11:2016. Este processo reduz as vibrações na origem, levando a voos mais suaves, melhor eficiência e maior vida útil dos componentes.

Para fabricantes e operadores de UAVs que procuram um desempenho ideal, custos de manutenção reduzidos e maior segurança, a implementação do equilibragem dinâmico como uma prática padrão é um passo crucial. Ao adotar esta abordagem, os sistemas UAV podem operar com máxima eficiência, garantindo maior fiabilidade, menores emissões de ruído e uma vida útil prolongada.

Referências

• Abdullah Salem BTS, Abdullah MN, Mustapha F, Kanirai NSA, Mustapha M. Vibration Analysis Using Multi-Layer Perceptron Neural Networks for Rotor Imbalance Detection in Quadrotor UAV. Drones. 2025; 9(2):102. https://doi.org/10.3390/drones9020102
• Banerjee, P., Okolo, W. A., & Moore, A. J. (2020). In-flight detection of vibration anomalies in unmanned aerial vehicles. Journal of Nondestructive Evaluation, Diagnostics and Prognostics of Engineering Systems, 3(4), 041105. https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20205001055/downloads/JNDE_PB_WO_AM_VibrationAnomaly.pdf
• Bayne, D. (2022, May 28). When to change drone props? [https://www.droneblog.com/when-to-change-drone-props/].
• Best, S. G. (1945). Propeller Balancing Problems. SAE Transactions, 53, 648–659. http://www.jstor.org/stable/44467824
• Capriglione D, Carratù M, Catelani M, et al. Experimental analysis of IMU under vibration. In: Proceedings of the 16th IMEKO TC10 Conference: Testing, Diagnostics & Inspection as a Comprehensive Value Chain for Quality & Safety; September 3-4, 2019; Berlin, Germany. https://www.imeko.org/publications/tc10-2019/IMEKO-TC10-2019-002.pdf
• Fu P, Qiu B, Ding C, Shi B, Zhang Y. Experimental Study of Unbalanced Multiple Propeller Shaft. SAE Technical Paper 2018-01-1398. 2018. https://doi:10.4271/2018-01-1398
• Ghalamchi, B., & Mueller, M. (2018). Vibration-based propeller fault diagnosis for multicopters. 2018 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), 2369–2374. https://doi.org/10.1109/ICRA.2018.8460660
• Iannace, G., Ciaburro, G., & Trematerra, A. (2019). Fault diagnosis for UAV blades using artificial neural network. Robotics, 8(3), 59. https://doi.org/10.3390/robotics8030059
• International Organization for Standardization. (2016). Mechanical vibration — Rotor balancing — Part 11: Procedures and tolerances for rotors with rigid behaviour (ISO 21940-11:2016). ISO. https://www.iso.org/standard/64908.html
• Kuantama, E., Moldovan, O. G., Ţarcă, I., Vesselényi, T., & Ţarcă, R. (2019). Analysis of quadcopter propeller vibration based on laser vibrometer. Journal of Low Frequency Noise Vibration and Active Control, 40(1), 239-251. https://doi.org/10.1177/1461348419866292
• Larkin K, Ghommem M, Hunter A, Abdelkefi A. Nonlinear modeling and performance analysis of cracked beam microgyroscopes. Int J Mech Sci. 2020;188:105965. https://doi:10.1016/j.ijmecsci.2020.105965
• Li, N., Zhang, J., & Wang, Y. (2023). Dynamic response and failure analysis of bearing under the impact of vibration excitation. Engineering Failure Analysis, 154, 107640. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1350630723005940
• Lin, Y., Li, C., Huang, S., Shi, D., Deng, R., Feng, G., & Gu, F. (2023). Experimental investigation on the propeller imbalance detection via on-rotor sensing vibration for industrial drone. In Proceedings of TEPEN 2022 (pp. 1079–1087). Springer Nature Switzerland. https://doi.org/10.1007/978-3-031-26193-0_94
• Loeffler, I. J. (1987). Structureborne noise control in advanced turboprop aircraft (NASA Technical Memorandum 88947). National Aeronautics and Space Administration. https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19870007154/downloads/19870007154.pdf
• Mizui, M., Yamamoto, I., & Ohsawa, R. (2012). Effects of propeller-balance on sensors in small–scale unmanned aerial vehicle. IOSR Journal of Engineering, 2(8), 23–27. https://iosrjen.org/Papers/vol2_issue8%20%28part-6%29/E0282327.pdf
• Pechan, T., & Sescu, A. (2015). Experimental study of noise emitted by propeller's surface imperfections. Applied Acoustics, 92, 12–18. https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2014.12.011
• Pose, C., Giribet, J., & Torre, G. (2024). Propeller damage detection, classification and estimation in multirotor vehicles. arXiv. https://doi.org/10.48550/arXiv.2410.05447
• Rangel-Magdaleno, J. J., Ureña-Ureña, J., Hernández, A., & Pérez-Rubio, C. (2018). Detection of unbalanced blade on UAV by means of audio signal. In 2018 IEEE International Autumn Meeting on Power, Electronics and Computing (ROPEC) (pp. 1–6). IEEE. https://doi.org/10.1109/ROPEC.2018.8661459
• Sedek, Z. B. (2018). Measurement of dynamic thrust produced by imbalance propeller (Bachelor's project report). School of Mechanical Engineering, Universiti Teknologi Malaysia. https://people.utm.my/mnazri/wp-content/uploads/sites/932/2020/02/Draft-report-zunur-1.pdf
• Semke, W. H., Zahui, D.-K., & Schwalb, J. (2021). The vibration and acoustic effects of prop design and unbalance on small unmanned aircraft. In Sensors and Instrumentation, Aircraft/Aerospace, Energy Harvesting & Dynamic Environments Testing, Volume 7 (pp. 9–16). Springer International Publishing. https://doi.org/10.1007/978-3-030-47713-4_2
• Vertiq. (n.d.). Understanding and addressing flight controller and motor vibrations. In Vertiq API and Usage 0.12.0 documentation. Retrieved from https://iqmotion.readthedocs.io/en/latest/tutorials/vibration_and_jittering.html
• Xu Y, Liu S, He C, et al. Reliability of MEMS inertial devices in mechanical and thermal environments: A review. Heliyon. 2024;10(5):e27481. https://doi:10.1016/j.heliyon.2024.e27481