Por Mila Kanevsky
A vibração é um obstáculo comum que precisa ser superado na construção de drones. A vibração excessiva pode causar problemas durante o voo ou os testes.
Neste artigo, vamos demonstrar duas abordagens para o problema da vibração em bancadas de ensaio para drones: simulação e testes experimentais. A solução que utilizamos para alterar as frequências fundamentais com amortecedores é semelhante à que utilizaria num drone.
Resumo:
- Contexto
- Vibração do bancada de ensaio
- Simulações de vibração
- Testes experimentais
- Vibração em drones
Contexto - Conceção do Flight Stand
Lançámos recentemente o novo Flight Stand 15/ 50, um bancada de ensaio/dinamómetro concebido para testar drones que suportam cargas de impulso até 50 kgf. O suporte tem uma estrutura de tubo oco para oferecer melhores características aerodinâmicas, bem como uma gestão de cabos melhorada, com os cabos a passar pelo interior do tubo em vez de pelo exterior.
Um desafio significativo na conceção do bancada de ensaio foi limitar a quantidade de vibração durante os testes de propulsão. Como referido, a forma básica do suporte é um tubo vertical que deve alojar uma Unidade de Medição de Força (FMU) e suportar um motor e uma hélice montados na parte superior (figura 1).
O suporte é utilizado para testar motores e hélices, que inerentemente induzem vibração, podendo danificar a ferramenta. Para otimizar e proteger o suporte, realizámos uma série de testes de vibração semelhantes aos utilizados para componentes de drones, como os braços de um quadricóptero. O nosso procedimento experimental e os resultados estão descritos neste artigo.
Figura 1: Conceito inicial de design do Flight Stand.
Vibração do bancada de ensaio
O bancada de ensaio é adaptável aos motores e hélices do cliente, o que implica variações nos parâmetros de conceção. Um parâmetro com forte influência na frequência do sistema é a massa total.
As equações abaixo mostram como um aumento da massa reduzirá a frequência natural do sistema. O suporte pode medir uma ampla gama de empuxos, pelo que serão utilizadas diferentes massas de hélices e motores. Dependendo da massa da hélice e do motor do utilizador, a frequência natural irá mudar [1]:
Devido às variações de massa, tamanho da hélice e impulso dos sistemas de propulsão testáveis, o bancada de ensaio tem o potencial de operar numa ampla gama de frequências.Com isto, a frequência de ressonância da estrutura poderá situar-se na gama de operação do suporte.
A ressonância ocorre quando a frequência natural de uma estrutura é excitada, resultando numa maior amplitude de vibração ou no que pode ser visto como um maior movimento nas estruturas. A manutenção dessa frequência resulta num aumento da excitação e pode levar a danos estruturais ou à falha.
Um exemplo comum do perigo da ressonância é o colapso da ponte de Tacoma em 1940. Embora houvesse várias razões para o colapso, um dos principais fatores foi a ressonância que fez com que a ponte se torcesse e se movesse de forma incontrolável.
Simulações de vibração
Ao conceber o suporte, verificámos que a frequência natural se situaria na gama de operação. O bancada de ensaio tem a capacidade de medir entre 1,5 kgf e 50 kgf, o que corresponde a hélices que podem ser submetidas a velocidades entre 1 000 e mais de 10 000 RPM, o que se correlaciona com frequências de aproximadamente 16 Hz a 200 Hz.
Realizámos algumas simulações de vibração para observar a reação do suporte a vários modos de vibração, apresentados na figura 2. Os modos de vibração representam o movimento que ocorrerá se uma determinada vibração for mantida. É importante evitar operar o suporte nestes modos por períodos prolongados para evitar a ressonância.
Figura 2: Modos de vibração do bancada de ensaio (*note que estes são testes iniciais e não refletem os dados atuais do Flight Stand 15 /50*)
Testes experimentais
Foi construído um suporte protótipo para permitir uma melhor compreensão de como estas vibrações afetariam o suporte na prática. Embora as simulações sejam muito úteis, é importante observar como o suporte é afetado pelas vibrações durante testes reais.
O suporte da figura 3 foi montado e testado com um suporte de motor adaptável no topo, em vez da FMU. Foi utilizada uma hélice com um lado aparado para criar desequilíbrio no sistema.
Figura 3: bancada de ensaio protótipo para testes de vibração
A dinâmica de vibração foi registada utilizando o software do Flight Stand. Uma observação importante foi a importância de uma base estável. Quando o suporte não está firmemente fixado ao solo, a base sofre mais movimento, resultando numa frequência de ressonância mais baixa e em leituras de vibração mais elevadas.
A figura 4 mostra como as frequências de ressonância podem ser determinadas através de testes. Depois de o motor ser iniciado e a velocidade da hélice ser aumentada lentamente, podem observar-se grandes saltos de vibração ao longo do teste, que podem estar associados à ressonância.
Figura 4: Vibração do bancada de ensaio com o aumento da velocidade da hélice
Foram considerados métodos de amortecimento típicos, como suportes em sanduíche, no entanto, os amortecedores de vibração devem ser utilizados na mesma direção em que a vibração ocorre. Os locais disponíveis no suporte para a montagem do amortecimento estão na direção vertical, mas as vibrações ocorrem principalmente lateralmente, o que constitui um desafio.
Os testes iniciais foram realizados num protótipo concebido e montado internamente. Foi realizada uma segunda ronda de testes com um protótipo oficial, usinado numa oficina com as tolerâncias e o ajuste corretos. Durante estes testes, houve ruído mínimo e o suporte foi muito rígido. Tal como no teste anterior, observámos que a estabilidade da base era muito importante.
Com o suporte fixado diretamente no betão, este sofreu muito pouca vibração e houve ruído mínimo na maior vibração registada. Quando montado nos carris, ainda houve ruído e movimento mínimos no suporte, mas a leitura de vibração foi mais elevada e o suporte ficou ligeiramente menos estável.
Se existirem problemas significativos de vibração ou ruído com o suporte montado nos carris, recomendamos a adição de mais fixações de betão para limitar o movimento nos carris.
Vibração em drones
Podem encontrar-se semelhanças entre a vibração observada no bancada de ensaio e a observada nos drones. Em ambos os casos, a vibração é causada pelo movimento da hélice e do motor, com complexidades adicionais nos drones, uma vez que são concebidos para terem movimento constante e transportar eletrónica frágil.
Os drones estão equipados com muitos sensores para monitorizar o sistema e fornecer dados úteis sobre a posição e velocidade do veículo, mas testes adicionais em laboratório podem ajudar a prever e a prevenir danos estruturais e nos componentes eletrónicos frágeis causados por vibrações.
Figura 5: Um drone em voo com uma carga de câmara
A análise de vibração de uma estrutura multirotor é explicada em profundidade na referência [2], com algumas semelhanças com os testes descritos neste artigo. Primeiro, é realizado um teste de propulsão para determinar a velocidade de rotação na qual a hélice induz a maior vibração.
Com esta informação, é concluída uma análise modal de simulação, seguida de um teste de excitação para observar como as frequências afetam o sistema.
O desequilíbrio é uma das principais fontes de vibração nos drones. Consulte o nosso white paper para saber mais: Consequências do Desequilíbrio da Hélice no Desempenho do Drone.
Conclusão
Como demonstrado, o processo de teste de vibração é semelhante para bancadas de ensaio e componentes de drones. A simulação e os cálculos são uma parte importante do processo, seguidos de testes experimentais.
Estes testes podem fornecer informações importantes para os concebedores e podem, em última análise, ajudar a reduzir a vibração nas ferramentas de teste e nos veículos aéreos que testam.
Leitura adicional: Como Construir um bancada de ensaio (Rolamentos e Dobradiças)
Referências
[1] Engineering ToolBox, (2017). Beams Natural Vibration Frequency. [online] Disponível em: 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.