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Steifigkeit und Festigkeit bei Multicopter Rahmen

Eine tragende Funktion

Der Rahmen ist die tragende Struktur des Multicopters, die möglichst leicht sein soll, aber trotzdem stabil, praktisch und mit guten Flugeigenschaften. Materialwahl und Geometrie der Rahmenkonstruktion beeinflussen diese Eigenschaften wesentlich. Beim verwendeten Rahmenmaterial sind Gewicht, Steifigkeit und Festigkeit entscheidend. Die Festigkeit beschreibt unter anderem, wie hoch der Werkstoff belastet werden darf, bis er bricht. Die Festigkeit muss so gewählt werden, dass der Rahmen die Kräfte im Einsatz mit einer Sicherheitsmarge tragen kann. Unterdimensionierung führt zu vorzeitigem Bruch, Überdimensionierung zu unnötigem Balast. Die Steifigkeit dagegen beschreibt den Widerstand gegen Verformung, der abhängig vom Material und der Geometrie ist. Verformungen haben negative Auswirkungen auf das Flugverhalten und sind deshalb möglichst klein zu halten bzw. eine hohe Steifigkeit des Rahmens ist von Vorteil.

Abb.: Leichter und zugleich steifer und fester Multicopter Rahmen von Tarot. Bild: Tarot
Abb.: Leichter und zugleich steifer und fester Multicopter Rahmen von Tarot. Bild: Tarot

Carbon – das Material der Wahl

Werkstoffe wie kohlenfaserverstärkte Kunststoffe, umgangssprachlich Carbon genannt, erfüllen diese Anforderungen sehr gut, da sie zugleich leicht, fest und steif sind. Für Beschläge wie Distanzstücke und Verbindungsteile eignet sich Aluminium sehr gut.

Die Masse muss ins Zentrum

Ebenfalls entscheidend für ein gutes Flugverhalten ist die Lage der Massenelemente im Bezug zum Drehpunkt des Multicopters. Der Drehpunkt befindet sich ungefähr im Schnittpunkt der Propeller. Die Struktur selber, aber auch Zubehör wie Motoren und speziell Akkus sind träge Massen. Je weiter weg vom Drehpunkt diese Massenelemente plaziert werden, desto träger wird der Multicopter. Der Schwerpunkt aller Massen sollte zudem möglichst auf der Y-Drehachse (Höhenachse) nahe beim Drehpunkt sein. Geschwungene Auslegerarme können den Drehpunkt  näher zum Schwerpunkt verschieben.

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Abb.: Verbindung bzw. Vergabelung am geschwungenen Auslegerarm. Bild: Gryphon Dynamics

Sollbruchstellen verhindern Schlimmeres

Weiter ist zu beachten, dass der Rahmen bei Überbelastungen nicht an kritischen, das heisst schwierig zu reparierenden Stellen, bricht. Berührt ein Auslegerarm heftig den Grund, so soll eine Sollbruchstelle,  zum Beispiel das Verbindungsteil zwischen Zenterframe und Arm, brechen, und nicht das Zenterframe selber.

Vibrationen – lieber nicht

Üblicherweise gehen Vibrationen von nicht korrekt ausgewuchteten Propellern aus. Die Unwucht wird von den Motorenlagern aufgenommen, deren Lebensdauer mit zunehmender Belastung sinkt. Die Vibrationen übertragen sich über den Motor auf die Rahmenkonstruktion und weiter auf Sensoren und Kameras. Bei Beschleunigungs- und Gyrosensoren führen Vibrationen zu starken Ausschlägen, die sich negativ auf das Flugverhalten und den Stromverbrauch auswirken.

Noch ein Wort zur Transportfähigkeit: Klappbare Auslegerarme haben sich in der Praxis als sehr praktisch herausgestellt. Es ist darauf zu achten, dass die elektrischen Verbindungen möglichst mit durchgängigen Verkabelungen ausgeführt sind. Ist dies nicht möglich, ist auf hochwertige Kontakte zu achten.

Abb.: Faltbare Arme mit durchgehenden Kabeln. Bild: Tarot
Abb.: Faltbare Arme mit durchgehenden Kabeln und gedämpften Motorenlagern. Bild: Tarot