4.0 Der Tricopter Rahmen

Allgemeines

Es gibt mittlerweile eine ganze Reihe von fertigen Rümpfen zu kaufen:

Es ist aber auch recht einfach sich einen Träger aus dem Baumarkt zusammen zu schrauben. Einen solchen Ansatz kann man hier bewundern.

Mit der Frage nach der Konstruktion des Rumpfes tauchen die Fragen nach Form, Material und Größe auf. Die ganzen elektronischen Komponenten müssen Platz finden. Das ganze soll stabil (verwindungssteif), aber nicht zu schwer sein.

Schwerpunkt

Die Antriebe werden so angeordnet das sie den gleichen Abstand vom Zentrum haben. Die Ausleger kann man im Grunde anordnen wie man möchte. Sind alle Ausleger gleich lang und im gleichen Winkel auf den Kreis verteilt (360 Grad / 3 = 120 Grad) sind Motor-Zentrum und Mitte des Trägers gleich. Es gibt aber auch die Möglichkeit die Winkel unterschiedlich groß zu machen, dann werden die Ausleger unterschiedlich lang, und Motor-Zentrum und Mitte des Trägers unterschiedlich:

Links Antriebs-Zentrum und Träger-Mitte sind gleich, rechts ungleich.

Links Antriebs-Zentrum und Träger-Mitte sind gleich, rechts ungleich.

 

Schwerpunkt (Center of Gravity – CoG)

Um den Schwerpunkt eines Rahmens zu ermitteln werden alle Motormittelpunkte aussen herum durch Geraden verbunden. Im Zentrum dieser aufgespannten Fläche liegt der Schwerpunkt. Für Copter mit drei Motoren bildet sich ein Dreieck, dessen Mittelpunkt folgendermaßen ermittelt wird: <fortsetzung folgt>

Bei vier Motoren bildet sich ein Rechteck, oder ein Trapez: Die Geraden werden dann halbiert und von diesem Punkt mit dem Mittelpunkt der gegenüberliegenden Linie verbunden. Im Schnittpunkt der Streckenhalbierenden findet sich der Schwerpunkt.

Wirkmittelpunkt der Motoren (Center of Thrust CoT)

Das Antriebszentrum bildet den Wirkmittelpunkt der Motoren. Er wird durch den Mittelpunkt des Kreises gebildet auf dem alle Motorachsen liegen. Hier ist im Idealfall der richtige Platz für die  Beschleunigungssensoren (ACC).

Spannend wird am Ende sein wo sich der Schwerpunkt des Gesamtsystems – also inclusive aller Anbauteile – befindet. Der sollte möglichst im Antriebszentrum liegen, damit im „neutralen“ Schwebeflug alle Motoren gleich belastet werden. Er wird aber sowohl auf der horizontalen Achse  als auch auf der vertikalen Achse verschoben sein.

Material

Das Material der Wahl für diese Art Modellbau ist HolzCarbon / CFK oder glasfaserverstärkter Kunststoff / GFK, das mit einer Fräse in Form gebracht wird. Wie das aussehen kann zeigt zeigt eindrucksvoll www.microcopters.de. CFK bietet ein Optimum aus Gewicht und Stabilität. Der bei der Bearbeitung anfallende Feinstaub ist allerdings nicht gerade Gesundheitsfördernd. Außerdem ist CFK recht teuer. CFK-beschichtete Aramidwaben helfen Gewicht zu reduzieren (GFK Wabenplatten zB. bei www.lindinger.at, im air-fighter-shop.eu, oder bei www.der-schwaighofer.at ). Holz hat den Vorteil das es billig zu beschaffen und leicht zu bearbeiten ist. Ausserdem reagiert es nicht mit Dem Sender/Empfänger indem es die Signale schwächt. Dafür ist es nicht sehr robust.

  • Faserverbundwerkstoffe und Material zum Formenbau: www.r-g.de

Sollbruchstellen

Es kann sinnvoll sein Sollbruchstellen in den Rumpf einbauen. Das könnte zum Beispiel dadurch erreicht werden das die Motoren mit Bündelbändern an den Auslegern befestigt werden. Die zwei vorderen Ausleger könnte man nach hinten klappbar montieren, und durch ein Gummiband miteinander verbinden sodass sie sich bei einem Aufschlag nach hinten bewegen können. Ausleger aus Holz könnten auch Motoren und Propeller schonen.

Vibrationen

Vibrationen (durch die Motoren / Propeller) sollten sich nicht aufschwingen. Die Konstruktion sollte so sein das sie Schwingungen dämpft und nicht verstärkt. Hochwertige Motoren und ausgewuchtete Propeller helfen auch Schwingungen zu vermeiden.

Torsion

Ein Motor erzeugt ein Drehmoment das den Ausleger verwinden kann. Diese Torsion sollte vermieden werden. Sie verdreht  ja auch den Motor mit. Somit geht der Luftstrom nicht mehr senkrecht nach unten, was zum abdriften des ganzen Fluggerätes führen könnte, was dann durch die Flugsteuerung ausgeglichen werden muss. Für eine stabile Fluglage, und einen entspannten Flugrechner ist das nicht gerade förderlich – es frisst schlicht Kapazität die man anderweitig braucht…

Ausleger für den Multicopter

Bei den Auslegern stellen sich zwei Fragen:

  1. Aluminium, Carbon, oder Holz?
  2. Rund, eckig oder gar oval?

Carbon ist leicht, splittert aber in 1000 Teile bei einer Bruchlandung. Aluminium ist schwerer aber zäh und verbiegt sich beim Aufprall. Aluminium neigt dazu Schwingungen besser zu übertragen. Holz hat von allen drei Materialien die Beste Dämpfungseigenschaft.

Runde Röhren sind zwei bis drei mal stabiler als eckige Röhren.

Bevorzugtes Material könnte sein: Aluminium 7075 oder AU4G.

Weitere Hinweise

Als Schrauben verwenden wir Inbus-Zylinderkopfschrauben, und bewusst keine Senkkopfschrauben, da durch das Versenken im Trägermaterial  dessen Struktur geschwächt wird.

Der Vulcan UAV MultiFrame

Es stellt sich also die Frage kaufen oder selber machen. Wir wählten eine Mischung aus beidem. Einen fertigen Frame als Ideenlieferant und um ein Gefühl für die Sache zu bekommen, den wir dann modifizieren wollten.

Die Entscheidung fiel (damals) auf den VULCAN MultiFrame SkyHook Y6 900mm mit Standard Landefüssen. Mir gefiel das schlichte robuste Design. Der VULCAN Frame war und ist leicht erweiterbar und es gibt viele zusätzliche Komponenten und Ersatzteile. Das ganze System ist zudem schwingungsdämpfend ausgelegt. Der Preis ist allerdings sehr sportlich. Wir dachten aber das wir damit eine gute Plattform haben die sich leicht mit mehr oder auch weniger sinnvollen Komponenten erweitern lässt. Ausserdem bietet dieses modulare System als eine der wenigen auch die Möglichkeit ein Y6 Layout zu bauen. Das war als wir anfingen. Mittlerweile ist der Markt voll mit tollen Frames.

Alternativen: Zum Beispiel FCP HL, und Klappfix ein sehr genialer faltbarer X8. Heute hätte ich mich vielleicht für den klappbaren Y6 von Quadframe entschieden, aber den gab es damals noch nicht 🙂 Ausserdem mag ich die rechteckige Form der Ausleger. Rund macht jeder 🙂

Wir modifizieren die VULCAN-Basis weitestgehend: Centerplate, Geräteträger, Motorträger, Landegestell und Adapter fürs Gimbal stehen auf dem Programm. Wie und warum wir diese Teile konstruieren steht hier.

Die Teile mal schnell grob zusammen gebaut.

Der Rahmen aus Standardelementen kommt bisher auf ein Gewicht von 1184g das sich wie folgt zusammensetzt:

Ausleger und Zentralplatte, Motorhalter

Wir haben uns für einen Durchmesser von 900mm entschieden. Es gibt mit Sicherheit leichtere Zentralplatten aber für den Anfang geben wir uns mit dem zufrieden was das Komplettsyestem bietet, und machen uns später ans optimieren.

  • Motorhalter: 22g x 6 = 131g
  • Ausleger 15 x 30mm: 70g * 3 = 210g
  • Zentralplatte 200mm / 2mm: 2 x 113g = 226g

Das macht 567 Gramm für die Basis. Dazu kommen noch diverse Anbauteile…

Schienensystem mit Akku-Halter

Das Gewicht der Akkus möchte ich gerne verteilen können. Dazu haben wir uns zunächst für eine seitliche Montage entschieden. Das Schienensystem  ermöglicht das wir das Gewicht der Akkus zum Trimmen des Schwerpunktes nach hinten oder vorne verschieben können. Ausserdem reduziert das die Bauhöhe.

Eine andere Alternative wäre die Akkus zentral unter dem Copter – und damit im Schwerpunkt zu montieren was sich mit Sicherheit positiv auf das Flugverhalten auswirkt. Nachteil ist das der Copter dann halt höher wird. Das ist die Lösung die wir letztendlich gewählt haben. Die untere Lipo-Platte, die die Akkus hält ist über lange Abstandhalter mit der unteren Centerplate verbunden.

Unter der Loio-Platte kann das Gimbal befestigt werden, und die Ausleger für die Beine des Landegestells.

Adapter Gimbal und Landegestell

Kitzelskizze vom Adapter für Gimbal und Landegestell

Einziehbares Landegestell (optional)

Ein einziehbares Landegestell ist ein „nice to have“ für uns. Vorteil ist das die Landebeine damit aus dem Bild sind – was aber nur wichtig ist bei zentral montierter Kamera. Nachteil ist auf jeden Fall das (recht heftige) Gewicht. Beispiele:

 

  • Abmessungen
  • Gewicht: ca. 875g
  • Kosten
  • Bezugsquelle

CHECK: Ob solche Einziehfahrwerke überhaupt an unserem Y6 montiert werden können ist fraglich da die unteren Antriebe im Weg sein könnten. Das es dennoch geht zeigt dieser schöne gewichtige X8-Copter. Da ist auf jeden Fall eine clevere Konstruktion gefordert. Vorerst geben wir uns mit den mit dem gelieferten Stützen zufrieden. Ein Einziehfahrwerk ist auf jeden Fall megacool. 😀

Stomverteilerplatte (optional)

Ob wir die Stomverteilerplatte brauchen weiss ich noch nicht. Zum einen können wir auch einen Kabelbaum selber zusammenlöten, zum anderen hängt es davon ab wie wir die Elektrik verschalten. Wenn zum Beispiel jeder Motor oder jeder Arm einen eigenen Antriebs-Akku bekommt ist eine solche Platte nicht notwendig.

  • Abmessungen:
  • Gewicht: 50g
  • Kosten:
  • Bezugsquelle: Vulcan Power 400A Power Distribution Board.

Auch gut finde ich das Gryphon Power Distribution Board(GPD-1000HXP) da es Steckverbinder hat. Steckverbinder sind zwar „böse“, aber halt auch praktisch für die Wartung. Wie will man sonst mal schnell nen Steller austauschen, oder ein Messgerät zwischen schalten? Jedes mal löten ist gerade am Anfang auch nicht wirklich eine praktikable Lösung. Bleibt das Problem das solche Steckverbindungen eine Schwachstelle im System bilden. Schlechte Lötstellen sind allerdings auch nicht gerade dienlich. CHECK: Selber einen Stromverteiler löten ist auch kein Hexenwerk. Was allerdings für einen Tricopter mit drei Motoren oder einen Quadcopter mit seinen 4 Antrieben noch eine prima Lösung ist, artet für sechs, acht oder noch mehr Motoren schnell zu einer Lötorgie mit unübersichtlichem Kabelsalat aus.

Unsere Strategie ist folgende: Wir beginnen in der Entwicklungs- und Testphase mit einer Verteilerplatte & Steckverbindungen. Wenn diese Phase abgeschlossen, und wir in den regulären Betrieb übergehen fertigen wir einen Kabelbaum und löten die Verbindungen. Ggfs. versehen wir den Kabelbaum mit Steckern.

Interessant wäre für mich noch zu prüfen was leichter ist, und was sperriger ist: Kabelbaum oder Platine.

Abdeckhaube oder Crash-Cage für die Elektronik

Schaut einfach besser aus und schützt die Bordelektronik und ggfs. auch lichtempfindliche Sesorik. Kann – wenn sie entsprechend ausgekleidet ist als Abschirmung der Elektronik vor Störstrahlung dienen. Beispiele:

Statt einer Haube könnte auch ein Crash-Cage eine Lösung sein. Darunter kann bei vielen Lösungen trotzdem noch ein Haube montiert werden.

Fallschirm (optional)

Ein Fallschirm als Failsave-System für größere Flughöhen. Über Befestigung und Auslösemechanismen machen wir uns auch ein paar Gedanken. Leichtgewichtig sollte das ganze sein.

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