İHA'larda ve İtki Standlarında Titreşimi Azaltma

Yazan: Mila Kanevsky

Titreşim, drone üretimi sırasında aşılması gereken yaygın bir engeldir. Aşırı titreşim, uçuş sırasında veya testler esnasında sorunlara yol açabilir.

Bu makalede, drone itki test standlarında titreşim sorununa yaklaşmanın iki yolunu göstereceğiz: simülasyon ve deneysel test. Sönümleyiciler kullanarak temel frekansları değiştirmek için kullandığımız çözüm, bir drone ile kullanacağınız yaklaşıma benzer.

Özet:

1. Arka Plan
2. İtki Standının Titreşimi
3. Titreşim Simülasyonları
4. Deneysel Test
5. Drone'larda Titreşim

Arka Plan - Flight Stand'in Tasarlanması

Yakın zamanda, 50 kgf'ye kadar itki yüklerini kaldırabilen drone'ları test etmek için üretilmiş bir itki test standı/dinamometresi olan yeni Flight Stand 15/50'yi piyasaya sürdük. Stand, daha iyi aerodinamik ve kablo yönetiminin yanı sıra kabloların dış yüzey boyunca değil, tüpün içinde geçmesiyle iyileştirilmiş bir yapı sunmak için içi boş bir tüp yapısına sahiptir.

itki test standını tasarlarken karşılaşılan en büyük zorluk, itki testi sırasında titreşim miktarını sınırlamaktı. Belirtildiği gibi, standın temel şekli, bir Kuvvet Ölçüm Birimi (FMU) barındırması ve üst kısmına monte edilmiş bir motor ile pervaneyi tutması gereken dikey bir tüptür (Şekil 1).

Stand, doğası gereği titreşim yaratan ve potansiyel olarak araca zarar verebilen motor ve pervaneleri test etmek için kullanılır. Standı optimize etmek ve korumak için, quadcopter kolları gibi drone bileşenleri için kullanılanlara benzer bir dizi titreşim testi gerçekleştirdik. Deneysel prosedürümüz ve sonuçlarımız bu makalede özetlenmiştir.

Şekil 1: Flight Stand'ın erken tasarım konsepti. 

İtki Standının Titreşimi

itki test standı, müşterinin motor ve pervanelerine uyarlanabilir ve bu da tasarım parametrelerinde farklılıklar yaratır. Sistemin frekansı üzerinde güçlü etkisi olan bir parametre toplam kütledir.

Aşağıdaki denklemler, kütledeki artışın sistemin doğal frekansını nasıl azaltacağını göstermektedir. Stand geniş bir itki aralığını ölçebildiği için farklı kütlelerde pervaneler ve motorlar kullanılacaktır. Kullanıcının pervane ve motor kütlesine bağlı olarak doğal frekans değişecektir [1]: 

Test edilebilir itki sistemlerinin kütle, pervane boyutu ve itkisindeki farklılıklar nedeniyle, itki test standı geniş bir frekans aralığında çalışabilme potansiyeline sahiptir.Bununla birlikte, yapının rezonans frekansı standın çalışma aralığına düşebilir.

Rezonans, bir yapının doğal frekansı uyarılmış ve titreşim genliği artmış veya yapılarda daha büyük bir hareket olarak görülebilecek bir durum oluştuğunda meydana gelir. Bu frekansın korunması uyarılmanın artmasına neden olur ve yapısal hasara veya arızaya yol açabilir.

Rezonansın tehlikesine dair yaygın bir örnek 1940 Tacoma köprüsü çöküşüdür. Çöküşün birkaç nedeni olsa da, köprünün bükülmesine ve kontrolsüzce hareket etmesine neden olan rezonans önemli bir etkendir.

Titreşim Simülasyonları

Standı tasarlarken, doğal frekansın çalışma aralığına düşeceğini fark ettik. itki test standı 1,5 kgf ile 50 kgf arasında herhangi bir değeri ölçme yeteneğine sahiptir; bu da 1.000 ile 10.000+ RPM arasında çalışabilen pervanelere karşılık gelir ve yaklaşık 16 Hz - 200 Hz frekanslarıyla ilişkilidir.

Şekil 2'de gösterilen çeşitli titreşim modlarına standın tepkisini gözlemlemek için bazı titreşim simülasyonları gerçekleştirdik. Titreşim modları, belirli bir titreşim sürdürüldüğünde meydana gelecek hareketi temsil eder. Rezonansı önlemek için standı bu modlarda uzun süre çalıştırmaktan kaçınmak önemlidir.

Şekil 2 : itki test standının titreşim modları (*bunların erken testler olduğunu ve Flight Stand 15 /50 için güncel verileri yansıtmadığını unutmayın*)

Deneysel Test

Bu titreşimlerin pratikte standı nasıl etkileyeceğini daha iyi anlamak için bir prototip stand üretildi. Simülasyonlar çok yardımcı olsa da, gerçek testler sırasında standın titreşimlerden nasıl etkilendiğini görmek önemlidir.

Şekil 3'teki stand, FMU yerine üst kısmında uyarlanabilir bir motor yuvası ile monte edilip test edilmiştir. Sistemde dengesizlik yaratmak için tek tarafı ayarlanmış bir pervane kullanılmıştır.

 

Şekil 3: Titreşim testi için prototip itki test standı

Titreşim dinamikleri Flight Stand yazılımı kullanılarak kaydedilmiştir. Önemli gözlemlerden biri, sağlam bir tabanın önemidir. Stand yere güvenli bir şekilde sabitlenmediğinde, taban daha fazla hareket eder ve bu da daha düşük rezonans frekansına ve daha yüksek titreşim değerlerine yol açar.

Şekil 4, rezonans frekanslarının test yoluyla nasıl belirlenebileceğini göstermektedir. Motor çalıştırıldıktan ve pervane hızı yavaşça artırıldıktan sonra, test boyunca titreşimde rezonansla ilişkilendirilebilecek büyük sıçramalar gözlemlenebilir.

Şekil 4: Pervane hızı artarken itki test standının titreşimi 

Sandviç montajlar gibi tipik sönümleme yöntemleri değerlendirildi, ancak titreşim sönümleyicileri titreşimin meydana geldiği yönde kullanılmalıdır. Standda sönümleme montajı için uygun olan yerler dikey yöndedir, ancak titreşimler esas olarak yanal yönde meydana gelir ve bu da bir zorluk yaratır.

İlk testler, kendi bünyemizde tasarlanıp monte edilen bir prototip üzerinde gerçekleştirildi. İkinci test turu, doğru tolerans ve uyumla bir atölyede işlenen resmi bir prototip ile yapıldı. Bu testler sırasında gürültü minimum düzeydeydi ve stand çok rijitti. Önceki testte olduğu gibi, tabanın stabilitesinin çok önemli olduğunu gözlemledik.

Stand doğrudan betona sabitlendiğinde, stand çok az titreşim gösterdi ve en yüksek titreşimde kaydedilen gürültü minimum düzeydeydi. Raylara monte edildiğinde, standda hala minimum gürültü ve hareket vardı ancak titreşim değeri daha yüksekti ve stand biraz daha az stabildi.

Stand raylara monte edildiğinde önemli titreşim veya gürültü sorunları varsa, raylardaki hareketi sınırlamak için daha fazla beton sabitleyici eklemeyi öneririz.

Drone'larda Titreşim

itki test standında gözlemlenen titreşim ile drone'larda gözlemlenen titreşim arasında benzerlikler bulunabilir. Her iki durumda da titreşim, pervane ve motorun hareketinden kaynaklanır; drone'lar sürekli hareket edecek ve hassas elektronik bileşenler taşıyacak şekilde tasarlandıkları için ek karmaşıklıklar da eklenir.

Drone'lar sistemi izlemek ve aracın konumu ile hızı hakkında yararlı veriler sağlamak için birçok sensörle donatılmıştır, ancak laboratuvarda yapılacak ek testler, yapıya ve hassas elektronik bileşenlere titreşim kaynaklı hasarların tahmin edilmesine ve önlenmesine yardımcı olabilir.

Şekil 5: Kamera yüklü uçuş halindeki bir drone

Çok rotorlu bir gövdenin titreşim analizi, bu makalede açıklanan testlerle bazı benzerlikler gösteren [2] numaralı kaynakta ayrıntılı olarak açıklanmaktadır. İlk olarak, pervanenin en fazla titreşimi oluşturduğu dönme hızını belirlemek için bir itki deneyi gerçekleştirilir.

Bu bilgilerle, frekansların sistemi nasıl etkilediğini görmek için bir simülasyon modal analizi tamamlanır ve ardından bir uyarılma deneyi gerçekleştirilir.

Dengesizlik, drone'lardaki titreşimin ana kaynaklarından biridir. Daha fazla bilgi edinmek için beyaz kağıt dosyamıza göz atın: Pervane Dengesizliğinin Drone Performansı Üzerindeki Sonuçları.

Sonuç

Gösterildiği gibi, titreşim testi süreci itki test standları ve drone bileşenleri için benzerdir. Simülasyon ve hesaplamalar sürecin önemli bir parçasıdır ve ardından deneysel test gelir.

Bu deneyler tasarımcılar için önemli bilgiler sağlayabilir ve nihayetinde test araçlarındaki ve test ettikleri hava araçlarındaki titreşimi azaltmaya yardımcı olabilir.

Daha fazla okuma: İtki Standı Nasıl Yapılır (Rulmanlar ve Menteşeler)

Kaynakça

[1] Engineering ToolBox, (2017). Beams Natural Vibration Frequency. [online] Erişim adresi: 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.