Planung VTOL Projekt mit Motor-Tilt Anordnung

[docromano]

Freunde der gepflegten Unterhaltung!

Ich bin sehr zufrieden mit meinem LongRange-Schiff von MFD, dem Nimbus 1800. Aufgrund der fetten Batterie brauchen Landungen eine recht große, ebene Fläche. Das schränkt mich in der Wahl der Startpunkte natürlich ein. Hatte schonmal über eine Quadplane Konstruktion nachgedacht, halte das aber aerodynamisch für Käse und extrem hässlich ist es auch. Vom Gewicht mal ganz zu schweigen.

Nun sah ich das hier:

https://www.youtube.com/watch?v=ZIkvESm7Zbw

...und jetzt überlege ich, so etwas ähnliches zu realisieren. Ich habe zwei ziemlich dicke 5208er 360kV Motoren für den Nimbus, die locker 14-16 Zoll drehen können und zusammen 6-10kg Schub schaffen. Zusammen mit einem dritten Motor am Heckrohr sollte das locker gehen. Startgewicht sind aktuell ca 3,8kg, der Flieger ist bis 5kg zugelassen.

Nun folgende Überlegungen (habe keinerlei Erfahrungen mit Quad- bzw Triplanes):

Dimensionierung des Heckmotors
Die beiden Hauptmotoren sitzen ja ziemlich im Schwerpunkt und können locker das gesamte Flugzeug heben. Der Heckmotor hat durch seine Position obendrein einen gewissen Hebelarm. Der sollte also erheblich kleiner dimensioniert werden können. Ideen ? Fliege 6s. Schub vllt so im 1-2kg Bereich mit 14-16er Schraube ? Er bekommt keine Tilt-Mechanik, Yaw wird durch Verkippen der beiden Hauptmotoren realisiert. Kann der wirklich kleiner sein oder habe ich da einen Denkfehler ?

Tilt Mechanik
Habe auf Thingiverse einige Vorlagen für die Mechanik bzw einen Halter gefunden. Würdet Ihr Lager verwenden oder "nur" drucken ? Befürchte, dass ein reiner PLA Halter schnell ausnudelt. Zweite Frage: Was für Servos würdet Ihr verwenden ? Kann mir die Kräfte, die auf die Servos beim Tilten und im Flug durch die Vibrationen wirken nicht so recht vorstellen. Die Motoren wiegen knapp unter 200g/Stück. Ich stelle mir etwas größere Digitalservos vor...oder ? Wenn ja, konkrete Vorschläge für ein Servo ?

 

[olex]

Interessant, ich bin momentan auch an so einem ähnlichen Projekt dran, kann also bei beiden Fragen derzeit mitreden. Mein Aufbau wird etwas anders, auch von Dimensionierung her: als Basis dient ein FT Versa Wing (Schaumplatten-Bauweise, ~110cm Spannweite), und als Antrieb nehme ich 3x T-Motor MN2213-950kv mit 9x4.4" Props ("Anniversary" Antrieb von T-Motor). Yaw werde ich ebenfalls mit dem Kippen der vorderen Motoren lösen, dafür können sie mit meiner Mechanik knappe 20° nach hinten schwenken (Gesamtschwenkbereich von 110°).

Zum Heckrotor:

Wenn deine vorderen Motoren wirklich nah am Schwerpunkt sind, kannst du evtl tatsächlich mit einem kleineren Motor hinten arbeiten. Ich würde mit einem ganz einfachen Dreisatz und den Hebeln der Motoren in Relation zum Schwepunkt arbeiten: wenn du vorne zwei Motoren mit je 2 KG Schub hast, die 10cm vor dem Schwerpunkt liegen (hypothetische Werte), könntest du hinten einen nehmen, der 1 KG aufbringt und diesen mit 40cm Abstand zum Schwerpunkt montieren - das würde dieselbe Hebelwirkung schaffen. Solange der Gesamtschub des Systems reicht, um das Gerät sicher schweben zu können (Schub:Gewicht von 1,5-2:1, mehr sollte ein VTOL nicht brauchen), sollte der Flight Controller keine Probleme mit der Regelung haben.

Ich lege meinen Coptermodus von Motorisierung her als einen klassischen Tricopter aus, mit drei identischen Motoren. Die vorderen Motoren sitzen bei mir relativ weit vor dem Schwerpunkt, damit sie auch im Copterbetrieb an der Vorderkante des Flügels vorbeiblasen. Um eine perfekte symmetrische Tri-Anordnung um den Schwerpunkt zu machen, müsste ich den gleich großen Heckmotor sogar sehr weit hinter die Hinterkante rausbringen. Das werde ich etwas limitieren, sodass die Endauslegung nicht perfekt symmetrisch wird und der Heckmotor im Schweben evtl etwas mehr zu arbeiten hat als die beiden vorderen. Sollte am Ende passen, da mein Wing recht leicht wird und der Antrieb für ihn fast etwas übermotorisiert ist.

Zur Tilt Mechanik:

Habe auch Thingiverse durchforstet, und nichts gefunden was mir gefällt. Habe also vor paar Tagen OpenSCAD und eingestaubte Trigonometrie-Kenntnisse aus den Abizeiten ausgepackt und folgendes gezeichnet:

https://www.youtube.com/watch?v=vW5Q6LT0nFo

In der Praxis sieht es dann so aus:

https://www.youtube.com/watch?v=kc_WO1SdVLk

Ich nutze alte Ersatzlager von irgendwelchen Motoren, die ich noch in der Restekiste hatte (3mm Welle, 8x4mm Außenmaß). Als Achse dient eine M3 Schraube. Ausleger sind einfache 10x10mm Aluvierkantrohre.

Servo ist ein Turnigy TGY-225MG; diese habe ich für das Projekt schon vor einiger Zeit gekauft, weiß auch nicht mehr exakt was die Entscheidung damals bewegt hat. Die haben jedenfalls definitiv genug Kraft für die 2213er Motoren, und mit der doppelten Anlenkung ist der Aufbau auch sehr stabil, der Motor hat ein Spiel von vllt 1°.

Die Mechanik ist so ausgelegt, dass 90° Servoweg auf 110° Motorverstellung übersetzt werden. Damit habe ich meine 90° von Flugzeug- zu Coptermodus, + extra 20° nach hinten für sichere Yaw-Steuerung durch die beiden vorderen Motoren.

Wenn du wirklich vor hast, >200g schwere Motoren zu nehmen, folgende Überlegungen:
- Definitiv kugellagern!
- Sehr fette Servos. Die Kräfte im Flug darf man nicht unterschätzen: zusätzlich zum Schub des Motors bzw dem ganzen Gewicht, das am Schub hängt, muss das Servo auch den Widerstand der schnell rotierenden Masse überwinden. Tatsächlich würde ich bei den Dimensionen ernsthaft über eine Quadplane-Konfiguration nachdenken: solide Schwenkmechanik und zwei große Servos sparen nicht ganz so viel Gewicht ein im Vergleich, wie man denkt, und zusätzlich wird ein einheitlicher Antrieb immer weniger effizient sein im Vorwärtsflug (alleine dadurch dass es mehrere Motoren sind und nicht ein großer mit höherer Propellersteigung).

Als Steuerung für das Ganze nehme ich eine Pixhawk mit APMlane. Die aktuelle Version unterstützt neben Quadplanes auch Tiltrotoren, und der Setup mit "Tri mit zwei schwenkbaren Motoren" ist sogar einer der Beispiele in der Dokumentation: http://ardupilot.org/plane/docs/guide-tilt-rotor.html

Gerade bin ich dabei, die Ausleger mit allen drei Motoren an dem bereits fertig aufgebauten Wing zu montieren, und die Verkabelung zu beginnen. Werde gerne Fortschritt hier posten, falls es wen interessiert.

 

[docromano]

Ah sehr spannend, danke für die Antwort !

Quadplane möchte ich verhindern, weil eben nochmal vier Motoren dazu kommen, die schon ~ 2kg Schub pro Stück bräuchten, außerdem finde ich das enorm hässlich und eben aerodynamisch übel. Der Nimbus ist zackig unterwegs und damit wird er sicher nicht besser fliegen.

An Zusatzgewicht wärens so halt die zwei Servos, ein Motor, ggf. 2-4 Lager. Die Halterungen würde ich mir ausreichend dimensioniert in PLA drucken. Kann mir eigentlich nicht vorstellen, dass das soviel wiegt wie vier Motoren plus Ausleger. Zudem habe ich für die Tiltvariante alles da bis auf die Servos. Überlege gerade, fürs Heck einen der Motoren aus dem originalen Drive Set nehme. Das ist ein 2814-510kV mit ca 1,6kg Schub an 10x6.

Pixhawk habe ich aktuell auch drin und würde den nutzen.

Fortschritte immer her !

Hier ist mein erster Nimbus vorm Erstflug:


Die Motorbefestigung ist bei dem Flieger ziemlich pfiffig mittels Klemmung eines Rohrs, das am Ende den Motor trägt realisiert:



Sobald ich einen passenden Servo bzw dessen Abmessungen ins Auge gefasst habe, werde ich mal einen Schwenkmechanismus entwerfen. Idee war hier, ohne Umlenkung zu arbeiten (um ein Lager zu sparen und Spiel zu reduzieren), auf die andere Seite ein Lager (Idee mit Schlachten eines alten Motors finde ich spitze!) und fertig. Müsste dann aber eben auch ein Servo sein, das mehr als 90° kann.

 

[docromano]

...habe mir gerade mal eine grobe, nicht maßstabsgerechte Skizze gemacht und bekomme die dunkle Vorahnung, dass das möglicherweise mit Drucken nicht zu machen sein wird. Diese großen Motoren, die ja ein ganzes Stück vor dem Tiltmechanismus sitzen müssen, um ausreichend schwenkbar zu sein, während sie 3kg Schub abliefern und dabei gekippt werden...das wird man vermutlich aus Alu oder CFK konstruieren müssen. Wobei letzteres ja relativ preiswert ginge, wenns sauber konstruiert ist. Ist ja am Ende nicht viel Material und eine 4mm Platte hält was aus. Mal sehen was mir so einfällt..


/edit

...erster Entwurf mit Direktantrieb und einem 15kg Servo. Gelagert werden müsste nur eine Seite, die andere nutzt das Servolager. 110° gehen locker:

 

[olex]

Ein ABS Druckteil könnte schon noch gehen, aber ich hätte bei den Belastungen auch meine Bedenken, dass die Druckteile einfach nicht herhalten. Für meinen Aufbau dürften die PLA Teile problemlos gehen, sind aber auch nur ~1,2kg Schub pro Motor unter Vollgas, im Normalfall eher 500-600g.

 

[elrond]

Guten Abend ihr 2 . Sehr interesannt ., Ich baue auch ein V Trail .,

Möchte euch mal meine Technik vorstellen und was ich so gedacht habe.,

Als Flugzeug nehme ich ein Opterra ., Horizon . 2 m Spannweite .,

Bilder :Orginal Modell

 

[elrond]

Die vorderen Motoren kommen in einem Eingeharzten Rechteckrohr :

200mm lang und 120 von der 'Flächenbefestigung:

Bilder :

 

[elrond]

in diese Steckung kommen 2 Vierkanntrohre diese werden im Rohr verschraubt ,.

in diese kommen die Motorkabel und das Servokabel rein.

es können bis 12 zoll Propeller verwendet werden .



Auf diese kommen aus der Robotertechnik Schwenkservos :gibt in verschiedenen Stärken um 17 kg

 

[elrond]

Da es sich um einen Test handelt werde ich die Bauteile zu erschwinglichen Preisen filtern.,



So nun zum Schluss noch ein paar Daten und dann Werte


Das errechnete Gewicht wird bei 3500 g liegen .,

geflogen wird mit 6s Acu

Dazu benötige ich je Motor vorne 3000 g Schub um bei 50 % Gasweg ordentlich zu schweben .,

2 Motren 6000g .,

Als Motren habe ich mir gedacht das es ein Hobbyking ACK-4010CP-580KV Brushless Outrunner Motor 4~5S

sein wird . dabin ich aber noch nicht sicher.,

Daten Motor

RPM/V: 580KV
Voltage: 4~5S (14.8~18.5V)
Max Current: 30A
Max Power: 550W
Idle Current: 0.6A@10V
Resistance: 0.044Ω
Main Shaft: 4mm
Diameter: 47mm
Mounting Bolt Hole Spacing: 25mm
Mounting Bolt Thread: 3mm
Weight: 119g
Rotation: CCW
Suggested ESC: 40A


Ich werde Alle 3 Motoren in gleich nehmen .,

Grund :

Drei Motoren schwenkbar.,

die vorderen brauche ich um zu gyren ., dabei ist der hintere Unterstützung .,

beim Vorwärtzflug könne 2 oder einer oder alle drei als Vorschub dienen ,.


Da ich aber auch temik BZW gleiten will . müssen die vorderen aus dem Luftstrom heraus und nach oben geklappt werden . damit sie nicht bremsen .,

Dann läuft der Vortrieb nur über den hinteren .,


so die Theorie.,

was sagt ihr
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Landegestell

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[Mosquito]

Bin gespannt, was daraus wird. Ein nagelneuer Opterra wartet auf sein "Upgrade" [emoji39]

 

[Kami]

Die Servo´s aus der Robotertechnik sind Biaxial Sevro´s https://www.banggood.com/de/DS-RDS3...-for-RC-Robot-p-1078758.html?cur_warehouse=CN

 

[Mosquito]

So, so, du heißt ab sofort jetzt auch BRUTUS [emoji39]

 

[docromano]

Oh danke für den Servo Tipp ! Schauen gut aus ! Der Opterra ist eine gute VTOL Plattform..bin gespannt !

 

[Mosquito]

Vorausgesetzt euer Konzept geht so aus, dass die guten Thermikeigenschaften nicht über die Wupper gehen. Als reiner Motorflieger (wie der Convergence von e-flite) wäre er mir zu schade.

 

[Kami]

So, so, du heißt ab sofort jetzt auch BRUTUS [emoji39]

Wieso heiß ich jetzt Brutus? ich hab den Servo doch nur richtig beschrieben.

 

[docromano]

Vorausgesetzt euer Konzept geht so aus, dass die guten Thermikeigenschaften nicht über die Wupper gehen. Als reiner Motorflieger (wie der Convergence von e-flite) wäre er mir zu schade.

Naja der Nimbus ist mit gut 4kg bei 1800mm Spannweite jetzt nicht so der Thermikschnüffler. Der macht sich die Thermik mit einer 12 Ah Batterie und gut 2 Stunden damit möglicher Motorlaufzeit.

Der Opterra hier wird auch recht schwer ausfallen und aerodynamisch Federn lassen mit den Auslegern und dem Langegestell...obwohl letzteres schon ein bisschen cool ist

Was ich mich frage ist, ob Arduplane hierfür einen Modus hat. Im Vorwärtsflug sollen ja die beiden vorderen Motoren hochgeklappt bleiben und der hintere antreiben, wenn ich das recht verstehe. Das ist im "normalen" Tri-Plane Setup ja genau andersrum.

 

[Mosquito]

Sehe ich genauso. Aber könnte man die Motoren nicht mit Klappprops ausrüsten, damit es weniger Widerstand gibt, wenn die Motoren ausgeschaltet sind?

 

[docromano]

Die Servo´s aus der Robotertechnik sind Biaxial Sevro´s https://www.banggood.com/de/DS-RDS3...-for-RC-Robot-p-1078758.html?cur_warehouse=CN

Was mir gerade noch einfällt beim Anschauen dieser Servos...

...die Idee, die Motoren hier einfach direkt drauf zu montieren ist ja sehr verlockend weil wenig Teile, wenig Spiel, präzise Steuerung usw.

Allerdings muss das Servo den Motor im Vorwärtsflug die ganze Zeit halten, da der natürlich gerne der Schwerkraft folgen und nach unten kippen möchte. Dazu kommen die Kräfte durch Vibrationen etc., die ebenfalls korrigiert werden müssen. Man wird also zumindest eine kräftige Spannungsversorgung brauchen. Je nachdem was so ein fettes Digiservo haben möchte, könnten das aber doch durchaus mehr als 1 A Dauerstrom sein, oder ? Wenn´s 3A wären, mal 2 für beide Seiten hätte ich schon fast das, was die Motoren zum fliegen brauchen. Wäre also vermutlich gut eine Konstruktion zu haben, die das Servo in Vorwärtsposition entlastet.

 

[elrond]

Guten Morgen.
Die Servos bekommen in beiden Positionen einen Anschlag gegen den sie laufen.
Somit verringert sich der Strom .

das ist mein Vorbild


https://www.youtube.com/watch?v=5edGICKura4&t=42s

 

[docromano]

Sind Digiservos.
"DS RDS3115MG 15KG großes Drehmoment 180 Grad Biaxial Digital Servo für RC Roboter"

Das mit dem Anschlag könnte helfen. Da ist es auch gut, dass es Digis sind, so dass man diese Position exakt anfahren kann und eben nicht die ganze Zeit gegen den Anschlag drückt. Oder schalten die dann von selbst ab ?