Основные понятия
Параметры реквизитов определяются их длиной, шагом, площадью, направлением вращения, а также формой и количеством лопастей
| воздушный винт | балансировка воздушного винта.
Балансировка воздушного винта.
Как-то на глаза попался магнитный балансир. Понравился. Купил, собрал. Понравился еще больше. Модернизировал и он мне понравился еще больше большего.
В конечном варианте модернизации от исходного балансира остались только магниты. Их я поместил на деревянные стойки высотой 20см, чтобы пропеллер мог свободно вращаться. Стойки с магнитами поместил в саркофаг из оргстекла. В таком саркофаге подвесу не страшны никакие сквозняки.
В качестве оси был взят шлифованный закаленный стальной стержень диаметром 3мм. Концы оси были сошлифованы на хорошем шлифовальном станке в форме девяностоградусного конуса. Вместо зажимных конусов на ось была насажена деталь имитирующая адаптер для AXI. Этим хотел добиться максимального подобия положения пропеллера на моторе. Магниты были защищены стеклом толщиной 0,5мм. Этим удалось достичь действительно невероятной легкости вращения оси.
Вот в таком виде балансир удивительно чувствителен к любому дисбалансу. В результате возникла проблема: добалансировать пропеллер и дождаться, когда он начнет спокойно оставаться в том положении, в которое его повернут просто невозможно. Можно, конечно, но терпение нужно адское.
С магнитным балансиром мне удавалось довести период колебаний до 60 секунд. Дальше резко возрастало влияние трения оси о стекло перед магнитом и число пригодных для хронометрирования колебаний сокращалось до 4-5.
Немного теории
По сути, несбалансированный пропеллер представляет собой физический маятник, у которого расстояние между центром масс и осью вращения много меньше приведенной длины. Формула расчета периода колебаний физического маятника, где угол отклонения не больше 600, выглядит так:
где:
альфа — угол отклонения маятника;
m — масса маятника;
h — расстояние от точки подвеса до центра тяжести маятника;
r — радиус инерции относительно оси, проходящей через центр тяжести.
g — ускорение свободного падения
l — приведенная длина
Для наших целей влияние синуса невелико, можем им пренебречь и подставив
где I — момент инерции относительно точки подвеса,
получаем:
Момент инерции пропеллера определим экспериментально (для TURNIGY 15х4,5 он равен 1*10-3 кг*м2) и для данного пропеллера будем его считать постоянным. Масса пропеллера известна. Период колебаний будем измерять на балансире. Таким образом, можем оценить h.
Практическая ценность знания величины h заключается в том, что можем эту величину сопоставить , например, с величиной люфта пропеллера на адаптере мотора. Действительно, нет смысла бороться за величины h меньшие, чем люфт пропеллера на моторе.
Из этого также вытекают требования к геометрии оси балансира и к узлу крепления пропеллера на оси. Кроме того, зная величину h, можем оценить центробежную силу, возникающую при вращении пропеллера из-за нарушенной балансировки.
Методика балансировки
Здесь описывается неразрушающий способ балансировки пропеллера. В качестве грузиков используется свинец прокатанный до толщины 0,3-0,5мм.
Может быть кому-то будет удобнее работать и с другими толщинами. Прокатанный свинец режется на полоски шириной равной толщине комеля пропеллера.
Затем нарезанные полоски свинца лепятся на самоклейку для фиксации ковров (это такая тонкая самоклеющаяся лента, у которой после прилипания липкого слоя на нужную поверхность, защитный слой бумаги легко снимается).
Лепим на самоклейку свинцовые полоски, обрезаем лишнюю ленту и «самоклеющийся свинец» готов к употреблению.
Самый первый шаг очень важный. Надо определить место, куда прикрепить грузик, слегка закрепить грузик на комеле (здесь наш грузик никак не будет влиять на рабочие характеристики) пропеллера и снова проверить. При правильном выборе места и массы грузика будет небольшой перебор (легче убирать лишнее, чем добавлять недостающее).
В дальнейшем, лишний материал с полоски свинца убирается или DREMEL, или просто соскабливается острым ножом (все время следить за тем, что бы не образовалась дыра в свинце и не оголился липкий слой, который начнет неконтролируемым образом собирать грязь). На этой стадии надо особое внимание уделить отстраняемым свинцовым частичкам. Они запросто могут незаметно прилипнуть, где не надо и все испортить. Если «липучка» все же где-то вылезла наружу, то ее убираем бензином.
Пропеллер с грузиком ставим на балансир, берем секундомер, замеряем период колебаний и определяем место, где будем облегчать грузик. Снимаем некоторое количество свинца, снова на балансир, снова секудрмер и т.д.
Вот так выглядит готовый пропеллер:
Экспериментальные результаты
Для эксперимента был выбран деревянный пропеллер Graupen 15х4,5. Момент инерции определялся экспериментально: 0,001 кгм 2. Далее, были посчитаны расстояние центра масс от оси вращения и центробежная сила при вращении с угловой скоростью 6000 мин-1.
Результаты расчетов приведены в таблице:
Несколько полезных советов
Часто пропеллеры изначально болтаются на оси адаптера. В этом случае балансировка по большому счету теряет смысл. Где-то читал, что посадочными местами пропеллера являются плоскость, прижимаемая к адаптеру и прилегающая к этой плоскости часть отверстия. Именно часть , а не вся дырка. В случае болтанки достаточно уменьшить диаметр отверстия именно в этой части. Несколько раз капнем подходящим клеем так, чтобы ось входила с легким натягом. Задача посадочного места обеспечить воспроизводимость результата.
Был такой случай: однажды, хорошо отбалансировав пропеллер еще на только что купленном балансире (пропеллер остановился в горизонтальном положении), перевернул пропеллер вверх тормашками. Просто хотелось насладиться зрелищем, как тот так неохотно, но все же начнет переворачиваться и займет свое правильное положение. Не тут-то было. Пропеллер действительно очень даже неохотно начал двигаться и остановился в горизонтальном положении, но без всякого переворота. Возникло предположение, что в игру включилось статическое электричество (столешня была ламинирована каким-то пластиком, а ось балансира была достаточно низко расположена). Похоже, что и пропеллер и столешня зарядились одноименным электрическим зарядом, который, преодолев незначительные (в силу предварительной неплохой балансировке) силы тяжести весело установил пропеллер в горизонтальном положении. В новом «саркофаге» ничего такого не наблюдал (может быть из-за высоких деревянных стоек), но с тех пор для профилактики всегда перед балансировкой обрызгиваю его антистатиком.
Идея балансировки с помощью грузика вовсе не моя. Видел где-то в Интернете. Только там в качестве грузика использовались самоклеющиеся ленты. Попробовал, так и не понравилось, поэтому, выдумал «самоклеющийся свинец».
Параллельно собираю стенд для снятия характеристик ВМГ. Уже добрался до третьего варианта и гонял пару достаточно долго на предельных режимах. Никакого намека на отделение грузика от пропеллера пока не наблюдал.
Хочу отметить, что вовсе не претендую на истину в последней инстанции. Здесь был предложен всего лишь еще один метод балансировки. Этот метод, как и все остальные, имеет свои за и против, имеет свои преимущества и недостатки.
С уважением, Сергей Колесниченко
Обсудить на форуме
Rashvinta
RashVinta– программа расчета диаметра воздушного винта для квадрокоптера.
Программа RashVinta позволяет производить вычисления по следующим исходным данным:
- Мощность двигателя и диаметр винта;
- Мощность двигателя и частота вращения винта;
- Диаметр винта и его шаг.
В первом варианте отметка ставится только в поле «Расчет по диаметру винта». Задается размер пропеллера (в сантиметрах), мощность двигателя (в лошадиных силах), максимальная и средняя скорость летательного аппарата. Нажимается кнопка «Расчет». Результатом вычислений будут шаг и частота вращения винта.
Во втором варианте убираются все галочки. В соответствующие окна вводим мощность двигателя, частоту вращения винта, максимальную и среднюю скорость летательного аппарата. Нажимаем кнопку «Расчет». Результатом вычислений будут диаметр винта и его шаг.
Третий вариант расчетов предназначен для профессионалов. Метка ставится в поле «Указать параметры винта». В соответствующие окна записываются диаметр и шаг винта. Нажимается кнопка «Расчет». Результатом является профиль лопасти воздушного винта, который можно изучить в окне просмотра, меняя его масштаб и удаление от ступицы. В виде таблиц результат сохраняется в файле Date.html, присутствующем в каталоге программы.
Кроме того, программа может показать, как выглядит профиль лопасти под реальным углом наклона (галочка в поле «Профиль с углом»), а также продемонстрировать точки, по которым производился расчет (метка в поле «Показывать расчетные точки»).
Полученный профиль можно распечатать в масштабе 1:1.
Балансировка воздушных винтов.
Для чего это надо? Спросите любого водителя авто, что он делает при переобувании резины с лета на зиму? Ответом в 99% случаях будет – отдаю на балансировку. Что происходит при вращении плохо отбалансированного колеса с авто:
– повышенные вибрации и дискомфорт
– повышенный износ деталей вращения колеса
Для пропеллеров это ещё актуальнее. Поменять изношенный подшипник Лайкоминга гораздо дороже, чем заменить подшипник на колесах, а дискомфорт в полете от плохо отбалансированного пропеллера будет ещё сильнее.
Какая бывает балансировка воздушных винтов?
– статическая
– динамическая
Статическую балансировку винтов делают в процессе производства и при поставке винты статически отбалансированы.
Динамическая балансировка винта производится на конкретном ЛА. В принципе двигатель и винт по отдельности отбалансированы, но после их сборки в единый узел допуска на несбалансированность могут быть легко нарушены. Что мы и наблюдаем на автомобилях. Новая резина и новый диск при сборке всегда требуют балансировки.
Как производится балансировка воздушных винтов на практике –
На двигатель устанавливается датчик вибрации
Балансировка пропеллеров
Можно с уверенностью сказать, что большинство пропеллеров, особенно дешевых, нельзя назвать сбалансированными на 100%. Такие винты не только раздражающе сильно шумят, но и вносят дополнительную вибрацию в работу ВМГ. Из-за этого, в частности, снижается качество воздушных съемок (эффект желе).
Как видим, без процедуры балансировки винтов для квадрокоптера нам не обойтись. Для этого понадобятся:
- Винт;
- Скотч или суперклей (можно заменить лаком для ногтей);
- Наждачная бумага;
- Специальный балансир пропеллеров Du-Bro Tru-Spin – один из лучших, или китайские аналоги.
Прежде всего, нужно выставить само приспособление для балансировки так, чтобы его ось была строго горизонтальной.
Лопасть проверяется на отсутствие повреждений, устанавливается на ось и слегка отклоняется в ту или иную сторону. Если он не возвращается в горизонтальное положение, нужно облегчить (подчистить наждачной бумагой) более тяжелое лезвие или наклеить кусочек липкой ленты на более легкое.
Ось балансировочного станка переворачивается – нужно убедиться, что пропеллер сохраняет равновесие и в этом положении. Отметим, что все подчистки и наклеивания должны выполняться на внутренних (вогнутых) поверхностях лопастей.
Следующим шагом будет балансировка ступицы. Для этого пропеллер устанавливается вертикально. Если он отклоняется вправо, нужно утяжелять клеем или лаком левую часть ступицы и наоборот. Добиваемся баланса, переворачиваем пропеллер и убеждаемся, что в этом положении он также уравновешен. Процедура закончена.
Длина и шаг
Эти параметры являются главными. Под длиной понимают диаметр диска, образующегося при вращении пропеллера. Шаг может быть определен как расстояние, которое пропеллер может пройти в некоей твердой среде за один полный оборот (вспомните, как входит в доску самый обыкновенный шуруп). При прочих равных условиях, величина шага определяется наклоном (углом атаки) лопастей квадрокоптера.
Тяга винтомоторной группы (ВМГ) определяется объемом воздуха, который ее винты способны переместить. Понятно, что увеличение длины и/или шага пропеллеров при сохранении их скорости вращения положительно сказывается на тяге, но, к сожалению, увеличивает и сопротивление воздуха за счет растущей турбулентности.
Крупные винты с малым шагом идеально подходят для аэрофотосъемки, а небольшими пропеллерами с большим шагом оснащаются гоночные дроны.
Калькулятор ecalc
Многим создателям беспилотных моделей известен on-line калькулятор eCalc, предназначенный для расчёта параметров винтомоторной установки летательных аппаратов. Страница калькулятора, посвященная мультикоптерам, выглядит приблизительно так.
На первый взгляд, все понятно, но есть несколько нюансов, которые могут повлиять на результаты вычислений.
Прежде всего, вводится полный взлетный вес мультикоптера (с подвесом и камерой, если таковые имеются). Если будет указано Without Drive (Без привода), то вводим суммарный вес рамы, пропеллеров, платы контроллера, подвеса, камеры и оборудования для FPV полетов. Добавим процентов 10 на массу проводов и получаем искомую цифру.
Вводим количество роторов, их схему (одиночная или соосная), максимальную высоту полета и погодные условия, при которых он будет проводиться (температуру за бортом и атмосферное давление).
Из выпадающего списка выбирается нужный аккумулятор. Если необходимая батарея отсутствует, можно выбрать ближайшую по емкости и токоотдаче. Программа заполнит остальные поля самостоятельно. Задается структура и вес аккумулятора.
Далее из выпадающего списка выбираются тип ESC или максимальный ток этих регуляторов.
Выбирается фирма-производитель двигателей. Появляется окно с его оценкой. По уровню KV подбирается конкретный образец.
Переходим к пропеллерам. Выбирается тип пропеллера, его диаметр и шаг. Рекомендуется использовать диаметр воздушного винта, максимально возможный для данной рамы. Если привод имеет зубчатую трансмиссию, то вводится ее передаточное число (отношение числа зубьев ведомой шестерни к числу зубьев ведущей шестерни).
Если нужные компоненты в выпадающих списках отсутствуют, можно перейти в строку Custom и ввести все необходимые данные в соответствующих полях калькулятора. Отметим, что параметры батареи задаются для одной ячейки.
Все поля заполнены, можно выполнять вычисления. Результат расчетов будет представлен в виде циферблатов, списков и графиков.
Количество и форма лопастей
Классическим вариантом является наличие у пропеллера двух лопастей. Впрочем, на самых маленьких моделях применяют воздушные винты с тремя, четырьмя и даже пяти лопастями. Понятно, что многолопастный воздушный винт снижает уровень турбулентности за счет создания более равномерного потока.
Более того, дополнительные лопасти увеличивают общую площадь винта, что благотворно отражается на подъемной силе квадрокоптера. Из этого следует, что многолопастный винт меньшего диаметра способен создавать ту же подъемную силу, что и более крупный классический пропеллер.
Многолопастные пропеллеры делают летательный аппарат более отзывчивым, что очень важно при полетах в режиме Acro. Основным недостатком таких винтов является сложность изготовления и центровки, а также достаточно высокая стоимость.
Советуем обратить внимание на разницу в форме окончания реквизитов. Они бывают трех видов – Normal, Bullnose (BN), Hybrid Bullnose (HBN). Винты Normal имеют заостренные на концах лезвия, создают меньшую тягу, но способствует эффективному расходу энергии аккумулятора.
Винты BN при равном диаметре имеют большую площадь и тягу. Дополнительный вес на кончиках лопастей увеличивает крутящий момент и улучшает чувствительность летательного аппарата по оси рысканья. К сожалению, эти положительные моменты сопровождаются высоким энергопотреблением и снижением времени полета. Пропеллеры HBN занимают промежуточную позицию.
Материал и качество
Наиболее популярны пластиковые винты. Они отличаются пластичностью, низкой ценой, широким ассортиментом и высокой степенью доступности. С одной стороны, гибкость лопастей повышает их устойчивость к повреждениям, с другой – вызывает проблемы с балансировкой.
Некоторые фирмы выпускают винты из углеродного волокна. Карбоновые винты довольно дороги, но обладают необходимой жесткостью и высокой эффективностью без значительного увеличения веса.
Промежуточное положение занимают пропеллеры, выполненные из пластика, усиленного углеродным волокном. Этот тип пропеллеров обладает высокой жесткостью и сравнительно низкой стоимостью.
Качество винтов подразумевает точность их изготовления. Высококлассные пропеллеры хорошо сбалансированы и практически не вносят дополнительную вибрацию в работу ВМГ. Лучшие реквизиты выпускаются под брендами GWS, APC и EMP.
Методы установки
Установить винты на квадрокоптер можно по-разному. Очень часто вал электродвигателя представляет собой простой металлический штырь, не имеющий каких-либо приспособлений для установки пропеллера. В этом случае применяют специальные переходники – пропсейверы и цанговые зажимы.
Пропсейвер (см. фото) удобно использовать для проведения экспериментов при создании самодельных моделей. Он выглядит как втулка, в боковой поверхности которой имеется два симметричных отверстия с установленными в них винтами. Приспособление устанавливается на вал, а винты затягиваются. Пропеллер также надевается на вал и фиксируется двумя нейлоновыми стяжками или резиновым кольцом.
Более надежным переходником является цанговый зажим. Он представляет собой резьбовое соединение с разрезной конусообразной втулкой. Цанга надевается на вал, далее устанавливается зажимная втулка, пропеллер и шайба. Вся конструкция фиксируется гайкой особой формы – коком.
Если ротор бесколлекторного двигателя находится снаружи (моторы класса Outrunner), то на его верхней поверхности обычно имеется несколько резьбовых отверстий для установки различных переходников и креплений.
У производителей готовых коптеров с бесколлекторными моторами очень популярен вариант с самозатягивающимися гайками от компании DJI. У таких двигателей вал заканчивается резьбой, противоположной направлению вращения ротора.
Направление вращения
На мультикоптерах используются два типа двигателей – CW (с вращением вала по часовой стрелке) и CCW (с вращением вала против часовой стрелки). Схема установки моторов зависит от типа летательного аппарата. Несколько таких схем показаны на рисунке.
На направление вращения конкретного пропеллера указывает приподнятая кромка его лопастей.
Спецификация
Узнать о параметрах конкретного пропеллера для квадрокоптера можно по его кодировке. Производители используют два типа обозначений: LLPPxB или LxPxB. Здесь L обозначает длину, P – шаг, а B – количество лопастей. Для классических пропеллеров параметр B обычно не указывается.
Например, пропеллер 6045 (или 6×4,5) имеет две лопасти, шестидюймовую длину и шаг 4,5 дюйма. Другим примером является пятидюймовый трехлопастный пропеллер 5040×3 (или 5x4x3), имеющий шаг 4 дюйма.
Иногда в конце обозначения ставится буква R или C (может отсутствовать), определяющая направление вращения. Воздушные винты R устанавливаются на двигатели CW, а C – на моторы CCW. Изредка к обозначению добавляются аббревиатуры BN или HBN (см. выше).
Заключение
Как видим, подбор и корректировка пропеллеров для квадрокоптера является достаточно непростой задачей. Надеемся, что наш текст поможет любителям беспилотной авиации правильно выбрать, сбалансировать и установить пропеллеры на летательный аппарат собственной конструкции, а также устранить огрехи в работе винтомоторной группы серийных моделей.
