Physik – Propeller

Propeller-Bauformen und Auswahlkriterien

Die verwendeten Propeller
Die verwendeten Propeller

Die Propeller sind von essentieller Bedeutung für die Flugfähigkeit eine Quadcopters. Daher sollen sie hier genauer betrachtet werden. Logischerweise benötigt man für einen Quadrocopter 4 Stück. Wir verwenden die RCX01-140 (siehe Stückliste). Um den Flug so ruhig wie möglich zu gestalten, haben wir diese eigenständig ausgewuchtet.

 

Allgemeines

Für Propeller gibt es verschiedene Nutzungsmöglichkeiten. Propeller ermöglichen den Vortrieb von Schiffen (teilweise auch Schiffsschraube genannt). Auch gibt es Propellerflugzeuge, sowie die für uns interessanten Drohnen.

Aus dieser Vielfalt an Anwendungsmöglichkeiten ergibt es sich, dass es auch verschiedenartige Propeller gibt. Allgemein unterscheidet man zwischen zwei Arten von Propellern:

  • Zugpropeller
  • Druckpropeller

Ein Zugpropeller funktioniert, indem er das „Objekt“ an dem er angebracht ist, nach vorne „zieht“. Dafür ist es notwendig, den Propeller an der vordersten Spitze des Objektes zu befestigen.

Heutzutage gibt es größten Teils (wie auch bei unserem Quadrocopter) nur noch Druckpropeller. Diese „schieben“ die Luft nach hinten. Der Druckpropeller wurde im zweiten Weltkrieg erfunden um ein automatisches Geschütz so am Flugzeug anbringen zu können, dass man nach vorne schießen kann ohne sich den Propeller kaputt zu machen, da dieser nicht vorne angebracht werden muss, sondern beispielsweise auch in der Mitte oder hinten am Flugzeug angebracht werden kann.

Außerdem unterscheiden sich Propeller in ihrer Blattanzahl. Ein 2-Blatt Propeller erzeugt weniger Vortrieb als ein 3-Blatt Propeller bei gleicher Drehzahl. Doch die Luftverwirbelungen sind stärker. Außerdem ist die Stabilität. Daher werden zumeist (außer in begründeten Ausnahmefällen) 2-Blatt Propeller eingesetzt.

Zusätzlich ist es wichtig die richtige Größe der Propeller an den Motor anzupassen. Ein größerer Propeller erzeugt bei gleicher Drehzahl mehr Vorschub als ein kleinerer Propeller. Wählt man allerdings einen zu großen Propeller kann dies die Drehzahl verringern. Ein zu  kleiner Propeller hat eine höhere Drehzahl allerdings kann er zu ineffizient werden.

Ein weiterer wichtiger Faktor für den Vortrieb/Auftrieb eines Fluggeräts ist die Steigung des Rotor-/Propellerblattes. Sie beschreibt den Winkel um den das Blatt gekrümmt ist um Luft zu drücken. Je höher die Steigung des Blattes, desto mehr Luft verdrängt ein Propeller mit jeder Umdrehung. Ein steilerer Winkel braucht allerdings auch mehr Motorleistung um das Blatt durch die Luft zu drücken, sodass auch die Steigung im Zusammenhang mit dem Motor steht. Angegeben wird die Steigung des Propellers in Zoll. Die Angabe erfolgt dabei in den meisten Fällen zusammen mit dem Durchmesser. Sie besteht aus zwei Ziffern: Die erste steht für den Durchmesser in Zoll und die zweite für die Steigung. Wir verwenden beispielsweise einen 8×3.8″ Propeller.

Konfiguration

Bei Quadrocoptern drehen sich die Propeller grundsätzlich in unterschiedliche Richtungen. Dabei gibt es wie auf den zwei Bildern zu sehen zwei unterschiedliche Konfigurationsmöglichkeiten. Die X- bzw. H-Konfiguration und die +-Konfiguration. In der nachfolgenden Tabelle wird vorgestellt, wie die Motoren gesteuert werden müssen, um ein bestimmtes Flugmanöver zu fliegen.

Propellerdrehrichtung eines Quadrokopters in +-Konfiguration

+-KONFIGURATIOn

Propellerdrehrichtung eines Quadrokopters in X- bzw. H-Konfiguration X- BZW. H-KONFIGURATION

steigen Drehzahl ABCD proportional erhöhen Drehzahl ABCD proportional erhöhen
sinken Drehzahl ABCD proportional verringern Drehzahl ABCD proportional verringern
Hochachserechts gieren Drehzahl BD erhöhen und AC proportional verringern Drehzahl BD erhöhen und AC proportional verringern
Hochachselinks gieren Drehzahl AC erhöhen und BD proportional verringern Drehzahl AC erhöhen und BD proportional verringern
Querachsevorne nicken Drehzahl C erhöhen und A proportional verringern Drehzahl CD erhöhen und/oder AB verringern
Querachsehinten nicken Drehzahl A erhöhen und C proportional verringern Drehzahl AB erhöhen und/oder CD verringern
Längsachserechts rollen Drehzahl D erhöhen und B proportional verringern Drehzahl AD erhöhen und/oder BC verringern
Längsachselinks rollen Drehzahl B erhöhen und D proportional verringern Drehzahl BC erhöhen und/oder AD verringern

Wir verwenden eine X- bzw. H-Konfiguration. Dies ist auch die verbreiteste. Die unterschiedlichen Drehrichtungen erfordern unterschiedliche Propeller. So haben wir grüne und schwarze. Die einen sind für die rechts-, die anderen für die linksdrehenden Motoren.

Auswuchten

Das Auswuchten ist für einen ruhigen Flug nicht zu vernachlässigen, sofern sie den überhaupt abhebt. Daher soll hier nun beschrieben werden, wie das zu bewerkstelligen ist. Das Auswuchten läßt sich selbstverständlich mit verschiedenen Präzisionen erledigen. Es gibt zwei verschiedene Arten dies zu erledigen:

  • wegnehmen: Es lässt sich einerseits mithilfe von Schmirgelpapier (oder einem Messer) an der zu schweren Seite etwas abnehmen.
  • hinzufügen: Andererseits ist es möglich über kleine Gewichte wie z.B. einen Tropfen Sekundenkleber das Gewicht an einer zu leichten Stelle zu erhöhen.
Wuchtachse mit Propeller
Wuchtachse mit Propeller

Wir haben uns für die zweite Variante entschieden, haben aber keinen Sekundenkleber verwendet, sondern einen Streifen Tesafilm. Dieser hat den großen Vorteil, dass es nicht endgültig ist (es kann nicht zu viel abgetragen werden). Das Prinzip ist ganz einfach. Man nimmt sich einen Propeller und spannt in eine Wuchtachse. Diese legt man anschließend auf etwas Glattes so, dass sich der Propeller frei drehen kann (wir haben zwei Sektgläser verwendet).

Wenn es nicht möglich ist den Propeller, wie auf dem linken Foto gezeigt ist hinzulegen, dann muss an der leichteren Seite (die, welche sich nach oben bewegt) etwas Tesafilm festgeklebt werden. Dann muss wieder geprüft werden, und ggf. etwas Test entfernt oder noch mehr befestigt werden.

Um das ganze zu veranschaulichen ist hier ein Video von uns, das zeigt, wie wir einen Propeller auswuchten:

 

Artikel von Tom Herbers