Taumelscheibe am Modellhelikopter
Die Taumelscheibe ist ein kennzeichnendes Bauelement von pitchgesteuerten Helikoptern. Sie dient der Verstellung des Anstellwinkels der Rotorblätter während des Fluges.
Mit Ihrer Hilfe wird der Heli auf der Roll- und Nickachse gesteuert und der Auftrieb eingestellt. Das gleiche Prinzip der Pitchverstellung kommt sowohl bei bemannten Helikoptern, als auch bei Modellhelikoptern zum Tragen.
Taumelscheibe (engl. Swash-Plate) am Modellhelikopter
Die Taumelscheibe befindet sich auf der Hauptrotorwelle von Hubschraubern/ Helikoptern. Sie besteht aus einem inneren und einem äußeren Taumelscheibenring. Der innere Taumelscheibenring dreht sich mit dem Rotor. Der äußere Taumelscheibenring dreht sich nicht mit. Die gesamte Taumelscheibe lässt sich über einen begrenzten Weg axial auf der Rotorwelle verschieben. Auf diese Weise wird der kollektive Anstellwinkel der Rotorblätter gesteuert. Zudem lässt sich die Taumelscheibe bei CCPM Helikoptern stufenlos horizontal beliebig in alle Richtungen neigen bzw. kippen. durch die Neigung werden Roll- und Nick-Steuereingaben auf die Blätter übertragen.
CCPM = (Cyclic Collective Pitch Mixing). Im Folgenden beschreibe ich die Funktion von CCPM Taumelscheiben.
TS = Taumelscheibe
Aufbau und Funktion
Die Taumelscheibe besteht aus einem inneren und einem äußeren Ring. Beide Ringe sind über ein Kugellager miteinander verbunden. So kann sich der innere Ring mit der Rotorwelle drehen, während der äußere Ring sich nicht mitdreht. Am äußeren Ring befinden sich die Befestigungspunkte (Gelenkkugeln) für die Nick- und Roll- Anlenkstangen.
Das Bild zeigt die Taumelscheibe eines Modellhelikopters. Die Bezeichnung dieser Taumelscheibentype ist "H3 120°".
Am inneren Taumelscheibenring sind vier Gelenkkugeln zu sehen, je zwei gegenüberliegende für die TS- Mitnehmer (5a und 5b), sowie für die Pitch- Gestänge (6a und 6b). Im Zentrum der TS ist eine Gleitbuchse (7) angebracht. durch das Loch in der Mitte wird die Hauptrotorwelle geführt. Die Gleitbuchse ermöglicht das axiale Verschieben der Taumelscheibe auf der Hauptrotorwelle. Taumelscheiben für Flybar und FBL Helis sind gleich aufgebaut.
Der äußere Ring besitzt 3 Befestigungspunkte für Anlenkgestänge (Kugeln 3a und 3b, sowie 4).
- 1) Innerer TS- Ring
- 2) Äußerer TS- Ring
- 3) (a und b) Anlenkpunkte für Roll rechts und Roll links
- 4) Anlenkpunkt für Nick
- 5) (a und b) Gelenkkugeln für Taumelscheibenmitnehmer
- 6) (a und b) Gelenkkugeln für Anlenkgestänge Rotorblattverstellung
- 7) Gleitbuchse/ durchführung für die Rotorwelle
Das Bild zeigt den Rotorkopf mit der Taumelscheibe.
Der Rotor ist abwechselnd im Stillstand und in Rotation zu sehen. Dabei ist gut zu erkennen, dass der äußere (untere) Ring der Taumelscheibe nicht rotiert. Er ist auf dem inneren Ring gelagert.
Die Taumelscheibe lässt sich axial auf der Rotorwelle verschieben. Auf diese Weise wird der kollektive Anstellwinkel der Rotorblätter geändert und der Auftrieb gesteuert. Zu erkennen ist die gleichmäßige Auf- und Abwärtsbewegung der Taumelscheibe. Dabei wird die TS nicht gekippt, sondern nur in axialer Richtung verschoben. Wer genau hinschaut, der erkennt, dass sich dabei der Anstellwinkel der Rotorblätter ändert. Der Kollektive Anstellwinkel der Rotorblätter ändert sich nicht während der Rotorumdrehung. An jeder Stelle im Umlauf (360°) der Blätter ist der kollektive Anstellwinkel gleich!
Zusätzlich zum kollektiven Anstellwinkel der Blätter kann durch das stufenlose Kippen der TS in beliebige Richtung ein zyklischer Anteil (zyklischer Anstellwinkel) eingesteuert werden. Der zyklische Anstellwinkel der Rotorblätter ändert sich während eines Zyklus. Als Zyklus ist in diesem Zusammenhang eine Rotorumdrehung von 360° gemeint. Das bedeutet, dass jedes Rotorblatt bei Einsteuerung von zyklischen Anteilen im Laufe einer Rotorumdrehung seinen Anstellwinkel verändert. Kollektiver und zyklischer Anstellwinkel sind zusammen maßgebend.
Zyklische Blattverstellung - Beispiel Rollwinkel
Das Bild zeigt den Heli von vorn. Zu sehen ist die Roll- Bewegung der Taumelscheibe. Roll ist eine zyklische Pitch Bewegung.
Zyklische Blattverstellung - Beispiel Nickwinkel
Das Blild zeigt den Blick auf den Heli von der Seite. Zu sehen ist die Nickbewegung der Taumelscheibe.
Geometrie der Anlenkung
Sehr oft hört man den Begriff "symmetrische Taumelscheibenanlenkung". Es ist nicht unbedingt erforderlich, dass eine TS- Ansteuerung/ Anlenkung genau symmetrisch erfolgt. Um aber zu verstehen was damit gemeint ist, hier die Erklärung. Selbst wenn eine Taumelscheibe scheinbar symmetrisch angeordnete Anlenkpunkte hat, wie die erste TS ganz links im Bild (je 120° Abstand), sind die Kraftvektoren noch lange nicht symmetrisch.
Im Bild zu sehen ist der Einfluss der Anordnung der Anlenkpunkte ( am Beispiel einer H3 120° TS) auf die Kraft- Symmetrie der Anlenkung. Nur die dritte Anlenkung ist wirklich symmetrisch bezogen auf das Steuerverhalten. (Schema. Draufsicht auf die Taumelscheibe)
Eine symmetrisch aufgebaute Anlenkung muss nicht automatisch symmetrisch arbeiten! Die dritte im Bild abgebildete Anlenkung (Hirobo SWM 135°/90°) hat zwar einen asymmetrischen Aufbau, ist in der Arbeitsweise jedoch vollkommen symmetrisch. In der Praxis sind symmetrisch aufgebaute Konstruktionen (im Bild links) am häufigsten anzutreffen.
Eine Taumelscheibe mit asymmetrischen Kraftvektoren (auch wenn sie symmetrisch aufgebaut ist) bedeutet in der Praxis, dass trotz Verwendung baugleicher Servos und Servoarme an der Taumelscheibe (und gleich langer Gestänge), die übertragenen Kräfte und Wege im Bezug zum Zentrum der Taumelscheibe bei Nick- und Rollservo nicht identisch sind.
Ich will hier nicht näher auf dieses Thema eingehen, da es nicht so sehr von Belang ist für den Piloten, sondern eher für die Konstrukteure.
Anlenkungsarten
Es wird zwischen unterschiedlichen Taumelscheibenanlenkungen unterschieden.
Es gibt Taumelscheiben an Modellhelikoptern mit 3 und auch Taumelscheiben mit 4 Anlenkpunkten. Des Weiteren gibt es unterschiedliche Winkel zwischen den Anlenkpunkten. Sehr verbreitet ist die H3 120°. Aber auch H3 140° und H4 90° sind verbreitet. Die H3 90° ist wegen des fehlenden zweiten Nickservo etwas nachteilig was die Kraft der Nickbewegung angeht. Die H4 90°+45° nimmt eine Sonderstellung ein, da jeweils bei Nick- und Rollbewegungen alle vier Servos in Aktion sind. Daher gibt es auch keine Zuordnung Nick bzw. Roll.
Taumelscheibenanlenkung Typen
Im Hobbybereich werden heute überwiegend 3-Punkt angelenkte Taumelscheiben verwendet. Das spart die Kosten für ein viertes Taumelscheibenservo.
Taumelscheiben mit 4-Punkt Anlenkung benötigen 4 Servos und haben einen ganz entscheidenden Vorteil:
Während Hubschrauber mit 3-Punkt angelenkten Taumelscheiben bei Ausfall eines Servos nicht mehr steuerbar sind, kann mit 4-Punkt angelenkten Taumelscheiben noch mit Notflugeigenschaften weitergeflogen und gelandet werden. Aus diesem Grund besitzen fast alle teuren Scale Modelle eine Taumelscheibe mit 4-Punkt-Anlenkung.
An dieser Stelle möchte ich alle besorgten Heliflieger beruhigen. Hochwertige Servos fallen weitaus seltener aus als man vermuten würde!
Winkelvorlauf an der Anlenkung
Ein sehr oft missverstandenes Thema ist der Winkelvorlauf der TS Anlenkung zu den Rotorblättern. In der Regel beträgt dieser Winkel 90°. Gemeint ist der relative Winkel zwischen dem Befestigungspunkt des Anlenkgestänges am Innenring der TS und der Längsachse des damit angelenkten Rotorblattes.
Was es mit dem Winkelvorlauf auf sich hat, das erfahrt ihr im Kapitel Winkelvorlauf .
