Der Tricopter Rahmen

Zuletzt geändert: 2. Mai 2020
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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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