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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