AW609 / BA609 Tiltrotormaschine - der (Langzeit-) Baubericht

[Der Holli]

Hallo zusammen.

nachdem das Interesse hier im Forum an den Tiltrotormaschinen doch größer ist als erwartet, löse ich mein Versprechen im Vorstellungtread ein und schreibe hier auch einen Baubericht über mein aktuelles Projekt - eine AW609.

Das Original:
Es soll eine AW 609 werden, auch bekannt unter der BA 609, bevor das Projekt von AgustaWestland übernommen wurde und die Anteile von Bell gekauft wurden. Es handelt sich um eine Tiltrotormaschine und stellt einen Zwitter zwischen Heli- und Flächenmodell dar. Die militärische Version nennt sich V-22 Osprey und ist bereits seit einigen Jahren auf dem Markt.
Die zivile Version, also die AW 609, kommt erst in einigen Jahren auf den Markt. Daher ist es auch ungemein schwierig an Modelle, Bauläne o.ä. für die originalgetreue Rumpfkonstruktion zu kommen.

Das Modell:
Es soll eine elektrisch angetriebe AW 609 werden - und zwar im Maßstab 1:6. Die AW 609 soll voll funktionsfähig sein - also mit um 90° schwenkbaren Gondeln, pitch -gesteuerten Rotoren und einem originalgetreuen Einziehfahrwerk.

Dies bedeutet folgende grobe Abmessungen bzw. sportliche Ziele:
Rotor-Ø: ca. 1.345mm
Flügelspannweite inkl. Rotoren: ca. 3.100mm
Gesamtlänge: ca. 2.385mm
Abfluggewicht ca: 19kg
Flugzeit: ca. 10min
Entwicklungsdauer: geschätzt 2 Jahre

Es gibt schon einige vielversprechende Ansätze im Bereich der V-22 Osprey, einige davon fliegen bereits, auch in einem vergleichbaren Maßstab. In diesen Modellen stecken jahrelange Arbeit, unzählige Arbeitsstunden, jede Menge Wissen und Erfahrung. Da es in dieser Größe kein vergleichbares elektrisches Modell gibt, heißt es Ärmel hochkrempeln und selber bauen.

In den vergangenen Wochen und Monaten ist bereits ein grobes Konzept entstanden wie das Modell aussehen soll. Jetzt muss das Kopfkino "nur" noch ins CAD...

Euch wünsche ich viel Spaß beim Lesen und Anregungen eigene Projekte anzugehen. Bei den kniffligen Punkten hoffe ich auf Eure fachkundige Unterstützung...

Gruß Markus

[Der Holli]

Als Antrieb kommen (wie eigentlichen immer) alle gängigen Antriebskomponenten in Frage, d.h. Methanoler , Beziner, Elektro und natürlich der Turbinenantrieb.

Ein Turbinenantrieb ist sicherlich eine technisch tolle Sache, doch bin ich mir sicher dass dies auch eine der gewichtsmäßig schwersten Lösungen sein würde. Auch - nicht ganz unwichtig - möchte ich persönlich auch ein so großes Modellbauprojekt in einem finanziell überschaubaren Rahmen halten. Alleine deswegen fällt die Turbine (für mich) als Lösung raus.

Als eingefleischter Elektroflieger bin ich der Überzeugung, dass dies eine der leichtesten und vor allem energetisch effektivsten Lösungen sein wird. Da die Ladetechnik auch zur Verfügung steht, steht fest - es wird definitiv ein Elektroantrieb werden.

Somit steht als nächste Überlegung an - wie soll das Antriebskonzept prinzipiell aussehen?

Es gibt folgende Anforderungen:
- hohe Leistung (insbesondere für den später geplanten bzw. möglichen Flugzeugmodus)
- synchronisierte Drehzahl beider Antriebe
- gegenläufige Laufrichtung beider Rotoren
- stabile Drehzahlen ohne spürbare Einbrüche bei Pitch -gesteuerten Manövern
- gewichtsoptimierte Lösung
- optimale Positionierung der Komponenten bzgl. des Gesamtschwerpunktes

Prinzipiell gibt es somit folgende (theoretische) Lösungen:
- ein zentraler Elektroantrieb im Rumpf des Modells (Akkus ebenfalls im Rumpf)
- zwei Elektroantriebe in den Gondeln (Akkus im Rumpf)
- zwei Elektroantriebe in den Gondeln (Akkus in den beiden Gondeln)
- zwei mechanisch gekoppelte Elektroantriebe in den Gondeln (Akkus im Rumpf)
- zwei mechanisch gekoppelte Elektroantriebe in den Gondeln (Akkus in den Gondeln)

Mal sehen, was nach den ersten Handskizzen und Überlegungen zum Tragen kommt...

[Der Holli]

Ein paar konstruktive Gedanken ...

Ein zentraler Motor im Rumpf (wie er von vielen sicherlich favorisiert wird) ist technisch gesehen sicherlich kein schlechter Ansatz. Allerdings gibt´s hier aus meiner Sicht auch einige kritische Punkte:

• eine zentrale "Gewichtanhäufung" im Rumpf (Antrieb, Getriebe, Akkus) möchte ich auf jeden Fall vermeiden, da ich dadurch eine "giftigere" Fluglage erwarte. Die Verteilung der Massen in den Gondeln macht den Flieger von Haus aus träger und gutmütiger.
• bei zwei stabilien Getrieben in den Gondeln und einem relativ großen zentralen Antrieb, sehe ich eher einen Gewichtsnachteil gegenüber einer Lösung mit zwei kleineren Antrieben in den Gondeln, da das Gewicht der Antriebswellen, Lagerung usw. hinzukommt.
• bei einer Flügelspannweite von ca. 1.700mm würde ich gerne jeglicher Art von Schwingung aus dem Wege gehen und dies sind im Moment die langen Antriebswellen (Torsionsschwingung) und die beiden Kegelradgetriebe (Drehschwingung) in den Gondeln
• als Fan von Riementrieben (geräuscharm, wartungsfrei) würde ich gerne auf die lauten Winkelgetriebe verzichten wollen
• zum Thema Kühlung sehe ich bei zwei Antrieben in den Gondeln ebenfalls deutliche Vorteile. Beim schweben trifft die "Abluft" der Rotoren auf die Gondeln. Im teilleistungsintensiven Flugzeugmodus werden die Gondeln horizontal optimal durchströmt und gekühlt
• wenn man die Gewichte und Preise in Frage kommenden Motor / Regler Kombinationen vergleicht, schenken sich die Lösungen mit einem / zwei Antrieb(en) bei einer Gesamtleistung von 5-6 kW fast nichts
• über eine Redundante Antriebsvariante (2 Motoren mit mechanischer Verbindungswelle) habe ich auch nachgedacht, doch mit dieser Lösung wird das Modell mit Sicherheit am anvisierten Gewichtsziel vorbeirauschen - Nachteil: es gibt keine Autorotationsmöglichkeit (oder etwas vergleichbares)

--> mein erster Konstruktionsansatz wird somit mit zwei separaten Motoren / Reglern in den Gondeln starten. Ein zentraler Schwenkmechanismus (wie immer der auch aussehen mag) im Rumpf für beide Gondeln gemeinsam.

Aber auf jeden Fall mit dem Ziel die Akkus ebenfalls in den Gondeln unterzubringen. Zentrales Problem wird vermutlich der Platz in den Gondeln werden, aber lange Motorkabel mit zentraler Akkuversorgung im Rumpf möchte ich nicht (Spannungstoleranz in der Zuleitung, lange Kabel bedeuten zudem hohes Gewicht).

Leistungstechnisch ganz vereinfacht gesehen werden es also zwei 600/700-ter Antriebe in den Gondeln sein.

nochmal Grüße Markus
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[Der Holli]

Bevor es nun an die konkrete Antriebsauswahl und die Getriebeberechnung geht, habe ich mir Gedanken zu den Akkus gemacht.

Gängige, preiswerte Akkus (die auch bereits in meinen anderen Modellen zum Einsatz kommen) sind 6S Akkus. Gerne würde ich bei kleinen C-Raten bleiben, denn hohe Ströme sollten bei dem Scale Modell und richtiger Auslegung nicht zu erwarten sein (Loopings hatte ich nicht auf dem Flugprogramm... )

Um die geplanten Flugzeiten zu erreichen gehe ich im Moment von 4 Stück 6S Akkus mit jeweils 5000mAh aus. Bei zwei Gondeln jeweils als 12S Kombination verschaltet. Dies bedeutet beim geforderten Leistungsbedarf von max. 3kW pro Gondelantrieb einen max. Dauerstrom von ca. 56A pro Regler.

Als Rotordrehzahl werden 1.600 - 1.900 U/min benötigt werden, der optimale Wert muss hier mit Sicherheit in der Praxis erflogen werden.

Somit geht´s nun als nächstes an die Berechnung des Getriebes. Je nach kV-Wert bzw. Gewicht des Motors und nach Größe des Getriebes (Riemenscheibe) steht nun die Entscheidung über ein 1- oder 2-stufiges Getriebe an.

Grüße von Markus, dessen Finger schon qualmen ...

[Der Holli]

Die 1-stufige Variante der Getriebeübersetzung wird definitiv zu schwer werden. Wenn man von Motoren mit kleinen Drehzahlen ausgeht ( z.B. der Hacker A60-18L mit angegebenen 149 U/min/V), würde die Lösung sehr viel schwerer, als eine Lösung mit einem zweistufigen Getriebe. Ein leistungsmäßig vergleichbarer Motor mit ca. 400 U/min/V wiegt hier nur ca. 450-500g.
Desweiteren würde das Zahnriemenrad im Ø an der Rotorwelle zu groß werden und vermutlich nicht in die Gondelabdeckung passen.

Eine zusätzliche Vorgabe ist ganz klar eine Antriebswelle mit Ø8mm. Hier komme ich ohne zusätzliches Gegenlager aus, welches in einem kompakten 2-stufigen Getriebe nur schwer unterzubringen ist.

Gerne stelle ich die wichtigstens Berechnungsdaten eines 2-stufigen Riemenantriebes zum Nachvollziehen zusammen:

- Motordrehzahl: 400 U/min/V
- Spannungsversorgung 12S: in die Berechnung fließt eine Spannung von 44,4V ein
- Rotordrehzahl: ca. 1.800 U/min
- Wirkungsgrad Antrieb: ca. 90%
- Gesamtwirkungsgrad: ca. 85% (dieser Wert passt bei meiner Bell 230 sehr gut)
--> Gesamtgetriebeuntersetzung mit ca. 7,5

Nach einigem Probieren, Rechnen und Überlegen, werde ich ein Zahnriemengetriebe mit dem Zahnprofil AT5 werden. Zahnriemenbreite 16mm.
Verzahnungsdaten: Riemenrad 44 Zähne, Riemenritzel 16 Zähne.

Dies Ergibt dann eine tatsächliche Untersetzung von i=7,56
und eine rechnerische Rotordrehzahl von 1.817 U/min
Durch eine mögliche Veränderung des Motorriemenrades mit 14, 15 oder 17 Zähnen kann das Getriebe in einem Drehzahlbereich von ca. 1.590 - 1.950 U/min betrieben werden. Das "Feintuning" übernimmt der Regler.

Um bei gleicher Übersetzung der beiden Stufen (44/16) möglichen Resonanzen aus dem Wege zu gehen, versuche ich unterschiedlich lange Zahnriemen zu verwenden. Sollten die "Motorritzel" 14, 15 oder 17 zum Einsatz kommen, ist die Gefahr ja deutlich kleiner.

Als (für mich) bewährte und sehr effektive Antriebskombination habe ich den Jive 80HV+ und den X-era 4035/3Y zu Grunde gelegt.

Nun werde ich mit diesen Daten ein paar Striche ins CAD "basteln" um zu sehen, ob das Getriebe wirklich klein genug ist und die Akkus evtl. auch noch in die Gondel passen. Ansonsten werde ich eine neue "Schleife" drehen müssen.

Doch zu allererst werde ich irgendwie versuchen müssen, aus den vorhandenen Fotos der AW609 und Ansichtsskizzen ein grobes Modell der Gondelgröße zu zeichnen, denn ansonsten kommme ich hier nicht wirklich weiter und das Modellieren eines detaillierten Getriebes im CAD macht zunächst keinen Sinn...

fliegerische Grüße Markus

[Der Holli]

Kennt ihr das - man sitzt vor einem leeren Blatt (neuerdings auch schonmal ein Bildschrim) und weiß einfach nicht mit was man am besten anfangen soll?

Wie so oft gestaltete sich der sogenannte "erste Strich" am schwierigsten...

Doch nun habe ich das, was ich am Getriebe grob ausgerechnet hatte, einfach mal ins "unreine" gezeichnet - so bekommt man am besten ein Gefühl für die Größenverhältnisse und kann evtl. schon jetzt grobe Fehler entdecken. Die Riemenräder sind noch als Rohlinge gezeichnet, also ohne Anschlussbohrungen, Flanschflächen für den Freilauf und Gewichtsreduzierende Ausdrehungen / Bohrungen - das hat ja auch noch Zeit.

Anbei die allerersten Entwürfe mit dem X-era Motor, den Riemenrädern 16Z, den Riemenräder 44Z und den zwei unterschiedlich langen Zahnriemen - beide 16mm breit.

Doch dann geht´s auch schon los mit den Kniffeleien - ich werde mich wohl oder übel über die Gondelkontur machen müssen um festzustellen, ob die Zahnriemenräder mit 44 Zähnen überhaupt hinein passen...es wird zum ersten Mal spannend...

Grüßis Markus

[Steff]

Hi Markus

Tolles Projekt Hut ab!!!

Ich würde an deiner Stelle schon zusehen dass du die Akkus ebenfalls in den Gondel unterbringen kannst, sonst bekommst du ja enorm lange Leitungen zu den Reglern was zu einer Leitungsinduktion und somit zum tode der Regler führen könnte... Klar kann man das mit einem ELCO-Board vor dem Regler teilweise minimieren, aber sicher ist sicher.

Ich wünsche dir auf jeden Fall gutes Gelingen!!!

[Der Holli]

@ Hi Steff,

ich bin ganz Deiner Meinung - spannend wird eben werden, ob die Akkus in das Gondelgehäuse überhaupt passen werden und wie sich der Schwerpunkt innerhalb der Gondel verhält, da die Gondeln im Heckbereich deutlich schmäler werden.

Auf jeden Fall werde ich es versuchen - "schau mer mal" ...

Gruß Markus

[Der Holli]

Das Zahnriemenrad am Vorgelege (so nenne ich den Getriebeübergang 1-te / 2-te Untersetzungsstufe) hat eine radikale Diät bekommen. Bei der Konstruktion einer Getriebewelle mit einem Ø von 10mm bleiben von den ursprünglich angegebenen 228g beim Hersteller nach der Bearbeitung noch ca. 50g übrig.

Anbei die beiden Zahnräder mit 44Z nach der Abspeckprozedur. Die Bearbeitung im 5-ten Bild zeigt die Aufnahme für den Freilauf.

Gruß Markus

[Der Holli]

...und so sieht das Zahnriemenrad mit Freilauf und die Zwischenstufe, bzw. das Vorgelege dann fertig bearbeitet und "vormontiert" aus.