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Bauweisen bei Modellkunstflugzeugen

Ruderanlenkungen

Version 1, 14.07.2009

Steife, spielfreihe, exakte und zuverlässige Ruderanlenkungen sind eine unabdingbare Voraussetzung für den Kunstflug. Die Theorie dahinter (Hebelgesetz, Trigonometrie) tönt im Matheunterricht schon übel, wenn man sie dann auf die Anlenkungen anwenden muss wirds meist richtig haarig. Im Folgenden möchte ich bechreiben, wie ich das bei meinen Anlenkungen so mache. Die Beschreibungen gelten für Anlenkungen mittels Schubstangen.


Inhalt

1 Geometrie
         1.1 Ruderhebel I
         1.2 Ruderhebel II
         1.3 Servohebel
         1.4 Servoposition
         1.5 Hebellänge
         1.6 Hebelverhältnis
         1.7 Geometrie bei unterschiedlichen Hebeln
2 Diverses


1 Geometrie

1.1 Ruderhebel I

In der Neutralposition des Ruders müssen Ruderhebel und Gestänge einen rechten Winkel bilden. Tun sie das nicht, dann schlägt das Ruder in beide Richtungen unterschiedlich weit aus, ausserdem verschenkt man in eine Richtung viel Servokraft.
Der für diese Regel relevante Ruderhebel ist dabei NICHT das nette Plastikteil am Ruder sondern die Verbindungslinie zwischen Ruderscharnier (rot) und Anlenkungs-Drehpunkt (blau). Im Folgenden einige Beispiele, die Zeigen wie das gemeint ist.

[Ruderhebel1]

Das Beispiel ganz Rechts findet man (leider) bei diversen von Einsteigern gebauten Shockflyern bei der Querruderanlenkung...

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1.2 Ruderhebel II

Die Sache mit dem rechten Winkel zwischen Ruderhebel und Rudergestänge gilt IMMER. Wenn man nun das Gestänge nicht parallel zur Ruder-Neutrallage führen will, dann muss man den Ruderhebel entsprechend anpassen.

[Ruderhebel1]

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1.3 Servohebel

Für den Servohebel gilt die Sache mit dem rechten Winkel ebenfalls.

[Ruderhebel1]

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1.4 Servoposition

Neben dem Servo-Drehmoment wirkt auf die Servohalterung zusätzlich noch der Zug/Druck des Gestänges. Diesen kann das Servo am besten aufnehmen, wenn es parallel zum Gestänge eingebaut wird. Quer zum gestänge eingebaute Servos (im schlimmsten Fall nur mit einer Schraube pro Seite befestigt, ergeben dagegen eine Pflaumenweiche Ruderanlenkung, da das Servo bei Belastung hin und her gedrückt wird.

[Ruderhebel1]

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1.5 Hebellänge

Lange Ruder- und Servohebel (2) halten die Kräfte auf das Gestänge klein und minimieren das Spiel in der Anlenkung. Jedoch werden die Hebel mit zunehmender länge auch wabbeliger, auch die Optik und die Aerodynamik leidet unter derartigen Monster-Anlenkungen. Bei kürzeren Ruder- und Servohebeln (1) ist die Sache genau umgekehrt. Folglich gilt es hier einen Kompromiss zu finden. Für Shockflyer bis 1m Spannweite sind Ruderhebellängen von 10-15mm eine gute Hausnummer.

[Ruderhebel1]

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1.6 Hebelverhältnis

Bei den bisherigen Überlegungen waren Servohebel und Ruderhebel gleich lang. Handelsübliche Servos liefern je nach Modell und Fernsteuerung +-15-60 Grad Ausschlag, im 3D-Flug werden jedoch z.T. Ruderausschläge bis +-80 Grad benötigt. Dieses Problem löst man,indem man den Servohebel entsprechend länger macht als den Ruderhebel. Ein Servohebel, der doppelt so lang ist wie der Ruderhebel, ergibt grob eine Verdoppelung des Ruderausschlages (+-30 Grad Servo -> +-60 Grad Ruder). Grob deshalb, weil die Sache durch die unterschieldichen Hebellängen nichtlinear wird und sich die Winkel zwischen Gestänge und Hebeln im Verlauf des Ausschlages ständig ändern.

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1.7 Geometrie bei unterschiedlichen Hebeln

Wie vorher schon erwähnt, mit unterschliedlichen Hebellängen wird das ganze System nichtlinear, die Ruderbewegungen entsprechen nicht mehr exakt den Servobewegungen. Je grösser das Hebelverhältnis und, wichtiger, je kürzer das Gestänge, desto übler wird die Sache.
Die Regel mit dem rechten Winkel gilt hier nicht mehr so strikt, die Wahrheit liegt vielmehr irgendwo zwischen Variante 1 und Variante 2 auf dem folgenden Bild.

[Ruderhebel1]

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2 Diverses

Sonderfall 3D
Ruderausschläge bis 30 Grad bekommt man auch mit einer geometrisch und bautechnisch völlig vermurksten Anlenkung irgendwie hin, wan man bei der Geometrie verpennt hat kann man mit dem Computersender wegmischen. Bei 50 Grad (Seitenruder) muss die Geometrie bereits recht gut, bei 60 Grad (Querruder) sehr gut und bei 80 Grad (Höhenruder!) optimal passen, damit man diese Ausschläge überhaupt hinbekommt. Daher ist den Ruderanlenkungen bei 3D-Modellen erhöhte Aufmerksamkeit zu schenken.

Der Luftstrom
Im Vorwärtsflug werden die Ruder durch den Luftstrom immer in Richtung Neutrallage zurückgedrückt. Wir müssen uns daher im Wesentlichen darüber Gedanken manchen, wie wir das Ruder gescheit in Endposition bringen können, beim Zurückdrücken in Neutrallage hilft dann der Luftstrom. Nur so sind am Höhenruder mit einer Hebelanlenkung überhaupt 80 Grad Ausschlag möglich, und am Seitenruder mit Seilanlenkung kann man die Geometrie dadurch so auslegen dass das "zurückziehende" Seil bei Vollausschlag leicht (aber nur leicht!) durchhängt.

Asymmetrische Anlenkungen
Ruder, Anlenkungen und Servos sind keine starren Körper, sondern verformen (dehnen/stauchen/biegen/tordieren) sich bei Belastung. Die (für die Verformung verantwortlichen) Spannungen (Kraft pro Fläche) in Anlenkung und den Servo hängen wesentlich von der Geometrie der Anlenkung ab, und da diese bei einer Stangenanlenkung nicht symmetrisch ist sind auch die Spannungen in der Anlenkung bei gleicher Ruderbelastung je nach Ausschlagsrichtung unterschiedlich und es resultieren daraus bei unterschiedliche Ruderausschläge nach oben/unten. Wenn Ruder, Anlenkung, Servo und Servohalterung dagegen starre Körper wären,wären die Ausschläge nach oben/unten identisch. Paradebeispiel ist das Höhenruder mit Stabanlenkung und unter dem HLW sitzenden Servo(s). Bei Tiefenruderausschlag ist die Geometrie günstiger (die Anlenkstange zieht, der Ruderhebel wird geradegezogen) als bei Höhenruderausschlag (die Anlenkstange drückt, der Ruderhebel kann sich seitlich wegbiegen, die Scharniere können nach oben nachgeben), folglich schlägt ein solches Höhenruder unter Last nach oben weniger aus als nach unten. Dies kann (sollte) man mit einer eingebauten Asymmetrie in der Anlenkung ausgleichen, im "starren" fall würde das Ruder dann nach oben weiter ausschlagen als nach unten, in der Praxis heben sich die Asymmetrie in der Anlenkung und die Verformung der Anlenkung gerade auf, das Ruder schlägt nach oben gleich weit aus wie nach unten.

Scharniere
Bei Ausschlägen über 50 Grad sind sämtliche "Biegescharniere" (Fliescharniere, Elasticflaps etc.) sehr ungünstig, da sie fleissig Rückstellkraft erzeugen, gegen die das Ruderservo zusätzlich ankämpfen muss. Stiftgelenke (Scharniere mit Stift, Hohlkehlen mit Achse) haben dagegen keine bleibende Rückstellkraft und sind für derartige Ausschläge wesentlich besser geeignet.

Scharnierposition
Bei grossen Ausschlägen gehört entweder direkt vor oder jeweils rechts und links neben dem Ruderhebel ein Ruderscharnier hin, da sich das Ruder ansonsten an dieser Stelle wegbiegen kann und die gesamte Anlenkung erheblich an Steifigkeit einbüsst.

Längenverstellbarkeit der Anlenkungen
Im Prinzip könnte man, sobald die benötigte Geometrie ermittelt ist, die Anlenkgestänge mit fixer Länge anfertigen und die im weiteren Flugbetrieb geringen Korrekturen per Sendermischer ausführen. Diese Vorgehensweise funktioniert aber nicht immer:
-   Bei den Ersten Modellen weiss man noch nicht genau wie die Geometrie auszusehen hat, da verhaut man sich mit Sicherheit irgendwo und flucht dann auf dem Flugplatz, weil man nichts mehr nachstellen kann.
- Holz arbeitet, Depron verformt sich bei andauernder (Flug)Belastung kontinuierlich, mit UHU-Por verklebte Servos/Ruderhörner "wandern" (z.T. mehrere Millimeter innerhalb von wenigen Flugstunden ) und bei einem Temperaturunterschied (Modell im 25 Grad warmen Bastelkeller eingestellt und dann bei -15 Grad Aussentemperatur in Betrieb genommen) verschiebt sich aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten von Zelle und Anlenkungsteilen auch alles. Von dem her ist man manchmal ganz dankbar wenn man was Nachstellen kann.
- Einfache Computersender bieten oft nicht genügend Möglichkeiten, um speziell bei den über zwei Servos angesteuerten Querrudern alle "Geometriesünden" rauszumischen. Hier ist eine Längenverstellung bei den Querruder-Anlenkstangen Pflicht.
- Am Höhenruder muss, wie weiter oben schon erwähnt, gelegentlich eine asymmetrische Anlenkung realisiert werden, wie asymmetrisch die sein muss kann man nur Erfliegen, und da muss man entsprechend nachstellen können. Da man beim Höhenruderservo fasst immer den vollen Servoweg nutzen muss kann man die Mittelstellung nur wenig mit Mischern korrigieren, da man sonst in eine Richtung zu wenig Ausschlag hat.
- Bei Höhenrudern mit getrennten Höhenruderblättern, die via Schubstangen über ein einzelnes Servo angelenkt werden ist eine längenverstellbare Anlenkung bei mindestens einem Höhenruderblatt Pflicht, da man die fixen Anlenkungen nie so genau hinbekommt das beide Höhenruderblätter den gleichen Anstellwinkel haben.

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[Copyright] Fabian Günther
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