Prüfstand

Die Antriebskomponenten der Fluggeräte zu optimieren war bald eines meiner primären Anliegen in der Modelltechnik. Durch den vor etwa zwei Jahren auf dem Markt gebrachten Uni Test 1 von SM – Modellbau hat sich die Lösung dieses Vorhabens erleichtert. Das Ergebnis wurde im vergangenen Herbst gebaut.

Bedürfnis:

Besonderer Ansporn war ein Antrieb für ein Modell, das zwar nett geflogen ist, jedoch zu wenig Power hatte. Nehme ich nun einen größeren Motor oder eine Zelle mehr oder eine andere Zellentype/-größe? Wann beißt sich die Katze in den Schwanz (Motorlebensdauer oder schlechteres F/G-Verhältnis)? Die Antriebe sollten durch passendes Zubehör abgestimmt und optimiert werden. Welche Luftschraube verträgt der Motor bei welcher Spannung? Welche Spannung kommt bei welcher Akkutype bzw. –kapazität zum Motor? Wie schnell fliegt der Flieger und vor allem – wie gut steigt er? Welcher Antrieb passt zum entsprechenden Flieger? Wie verhalten sich die Wirkungsgrade der einzelnen Elemente? Das Gefühl alleine ist zu wenig – Daten müssen für all diese Fragen her, und zwar möglichst präzise.

Anforderungen: Es soll jeder Motor getestet werden können (Elektro- und Verbrennungsmotor). Die Zugkraft soll mit minimierten Reibungsverlusten durch die vorhandene Waage (< 1kg) gemessen werden können. Die Wellenmitte muss also auf Höhe der Umlenkrollen-Oberkante sein. Winkelfunktionen nehmen dann auf die Zugkraft keinen Einfluss. Die Anlage war für maximal 30 N Zugkraft auszulegen. Nach Möglichkeit sollen alle Komponenten (Antrieb, Messgerät und Akkus) wegen Vermeidung zusätzlicher Reibung am Schlitten montiert werden können. Dies ist nun mit diesem Konzept sowohl bei Elektromotoren als auch bei fertigen Modellen möglich.

Bau:

Der Schlitten bewegt sich reibungsarm auf kleinen Kugellagern. Der Uni Test wird unterhalb mit einem Klettband gehalten. Entweder Tageslicht oder bei abendlichen Messungen eine Tischlampe gewähren eine optimale Drehzahlmessung. In der unteren Lade werden der Akku für den Uni Test und der Antriebsakku mit Klettband oder Schaumstoff rutschfest gelagert. Ich habe für die jeweilige Motorengruppen je eine einfache Halterung erstellt (< 400, > 400, Drive, brushless ,…), die durch Passstift und Flügelmutter schnell demontierbar sind. Der Wagen kann sich durch Anschläge nur etwa 2cm bewegen. Der Waagebalken wurde mit Blei ausgewogen und ermöglicht ähnlich einer Dezimalwaage Übersetzungen 1:1, 2:1 und 3:1, womit eine 1 kg-Waage für 30 n Zugkraft reicht. Für die verschiedenen Elektro-Anschlüsse sind auch entsprechende Adapter zu bauen. Mit Ausnahme der Lager wurden Teile aus dem hauseigenen Bestand verwendet (Profil von einem Sonnenschirm, Umlenkrolle von einer Schiebetür eines Kleiderschrankes, …).

Messung:

• Es werden ermittelt:
• Anfangsspannung [V]
• Spannung im Betrieb [V]
• Drehzahl [1/min]
• Strom [A]
• Zugkraft [cN oder g]

Auswertung:

Mit Hilfe einer Excel-Tabelle ermittle ich:
Gegeben sind:

Luftschraube:

• Typ
• Durchmesser
• Steigung

Akku:

• Typ
• Zellenanzahl
• Nennkapazität

Errechnet werden:

• Luftsäule [dm³] einer vollen Schraubenumdrehung
• Luftleistung [m³/min]
• Spannungsabfall [V] zur Beurteilung des Akku – Innenwiderstandes
• Theo. Geschwindigkeit [m/s] Geschwindigkeit im Flug
• Flugleistung F * v [W]
• Verhältnis F / G Zugkraft / Gewicht [%]
• Wirkleistung [W]
• Verlustleistung [W]
• Wirkungsgrad F * v / U₀ * I [%] bzw. F * v / U * I
• Spannungsabfall [%]
• Strom der Akkukapazität X * C (Multiplikator)

Die Messungen haben gezeigt, dass bei Grenzwerten oft eine andere Akkutyp sinnvoller ist als eine weitere Zelle zum Akkupack zu geben – sowohl im Bezug auf Gewicht und Lebensdauer des Akkus. Mir ist natürlich klar, dass die von der Schraube abgegebene Energie sich im Flug aufteilt in potentielle – und kinetische (Geschwindigkeits-) Energie. D.h. die Drehzahl kann im Flug um ca. 10% zunehmen und der Strom geringfügig abnehmen. Die genaue Datenermittlung kann nur im Flug stattfinden und ist aufwändig. Ich sehe für meine Fragen noch keine Notwendigkeit dafür. Im Wesentlichen geht es ja um Vergleichsdaten. Natürlich können die Wirkungsgrade von Steuerelementen, Motoren, Schrauben, etc nur durch eine konstante Spannungsvorlage ermittelt werden. Dafür ist anstatt eines Akkus ein Netzgerät zu verwenden. Akkus geben ja – abhängig vom Ladezustand – unterschiedliche Spannungen ab. Ein gut brauchbarer Vergleichswert ergibt sich aus aufgenommen Leistung/Gewicht oder besser Zugkraft/Gewicht. Daraus erkennt man ob der Steigflug eines Modells artgerecht sein wird. Ein Wert über 1 müsste also einen senkrechten Steigflug aus der Hand ergeben. Das hat sich Tage später auch bestätigt. Die Messungen haben gezeigt, dass die Verlustleistung durch den Regler zu vernachlässigen ist. Von den Motorenherstellern wird meist der Strom bei bestem Wirkungsgrad angegeben. Die Messungen haben gezeigt, dass der Wirkungsgrad der Motoren den kleineren Beitrag leistet. Wesentlich stärker steigt der Innenwiderstand der Akkus und verschlechtert daher den Gesamtwirkungsgrad erheblich. Als nächsten Schritt kann ich nun die Messdaten vom Uni Test über die serielle Schnittstelle auf einen Laptop überspielen. Durch Interpolieren von beispielsweise 4 Messzeilen wird die Auswertung noch präziser und einfacher. Meine geforderten Messdaten habe ich nun in der Hand bzw. werden zunehmend erweitert. Ich kann relativ gut sagen, ob ein Flugzeug mit einem bestimmten Gewicht und einem gegebenen Profil aufgrund der errechneten Geschwindigkeit und der Zugkraft zufrieden stellend motorisiert ist und die eingesetzten Elemente optimiert sind. Wir als Modellbauer und Modellflieger sind ja stets bemüht unsere Geräte zu perfektionieren. Dieser Prüfstand schafft mir viel Klarheit über die Zusammenhänge. Motoren-, Akku- und Luftschraubenvergleiche werden damit sehr aussagekräftig. Daher ist dieses Projekt für mich ein gelungener Wurf.


Bau:
Author: Bernhard Infanger.