Балансировка пропеллера

Балансир
Как-то на глаза попался магнитный балансир. Понравился. Купил, собрал. Понравился еще больше. Модернизировал и он мне понравился еще больше большего.
В конечном варианте модернизации от исходного балансира остались только магниты. Их я поместил на деревянные стойки высотой 20см, чтобы пропеллер мог свободно вращаться. Стойки с магнитами поместил в саркофаг из оргстекла. В таком саркофаге подвесу не страшны никакие сквозняки.

В качестве оси был взят шлифованный закаленный стальной стержень диамером 3мм. Концы оси были сошлифованы на хорошем шлифовальном станке в форме девяностоградусного конуса. Вместо зажимных конусов на ось была насажена деталь иммитирующая адаптер для AXI. Этим хотел добиться максимального подобия положения пропеллера на моторе. Магниты были защищены стеклом толщиной 0,5мм. Этим удалось достичь действительно невероятной легкости вращения оси.

Вот в таком виде балансир удивительно чувствителен к любому дисбалансу. В результате возникла проблема: добалансировать пропеллер и дождаться, когда он начнет спокойно оставаться в том положении, в которое его повернут просто невозможно. Можно, конечно, но терпение нужно адское.
С магнитным балансиром мне удавалось довести период колебаний до 60 секунд. Дальше резко возрастало влияние трения оси о стекло перед магнитом и число пригодных для хронометрирования колебаний сокращалось до 4-5.

www.youtube.com/watch?v=h6FowSOArDA

Немного теории
По сути, несбалансированный пропеллер представляет собой физический маятник, у которого расстояние между центром масс и осью вращения много меньше приведенной длины. Формула расчета периода колебаний физического маятника, где угол отклонения не больше 600, выглядит так:

, где:
α —угол отклонения маятника;
m — масса маятника;
h — расстояние от точки подвеса до центра тяжести маятника;
r — радиус инерции относительно оси, проходящей через центр тяжести.
g — ускорение свободного падения
l — приведенная длина

Для наших целей влияние синуса невелико, можем им пренебречь и подставив

, где I — момент инерции относительно точки подвеса,
получаем:


Момент инерции пропеллера определим экспериментально (для TURNIGY 15х4,5 он равен 1*10-3 кг*м2) и для данного пропеллера будем его считать постоянным. Масса пропеллера известна. Период колебаний будем измерять на балансире. Таким образом, можем оценить h.
Практическая ценность знания величины h заключается в том, что можем эту величину сопоставить , например, с величиной люфта пропеллера на адаптере мотора. Действительно, нет смысла бороться за величины h меньшие, чем люфт пропеллера на моторе.Из этого также вытекают требования к геометрии оси балансира и к узлу крепления пропеллера на оси. Кроме того, зная величину h, можем оценить центробежную силу, возникающую при вращении пропеллера из-за нарушенной балансировки.

Методика балансировки
Здесь описывается неразрушающий способ балансировки пропеллера. В качестве грузиков используется свинец прокатанный до толщины 0,3-0,5мм. Может быть кому-то будет удобнее работать и с другими толщинами. Прокатанный свинец режется на полоски шириной равной толщине комеля пропеллера. Теперь нарезанные полоски свинца лепятся на самоклейку для финсации ковров (это такая тонкая самоклеющаяся лента, у которой после прилипания липкого слоя на нужную поверхность , защитный слой бумаги легко снимается). Лепим на самоклейку свинцовые полоски, обрезаем лишнюю ленту и «самоклеющийся свинец» готов к употреблению.
Самый первый шаг очень важный. Надо определить место куда прикрепить грузик, слегка закрепить грузик на комеле (здесь наш грузик никак не будет влиять на рабочие характеристики) пропеллера и снова проверить. При правилльном выборе места и массы грузика будет небольшой перебор (легче убирать лишнее, чем добавлять недостающее). В дальнейшем, лишний материал с полоски свинца убирается или DREMEL, или просто соскабливается острым ножом (все время следить за тем, что бы не образовалась дыра в свинце и не оголился липкий слой, который начнет неконтролируемым образом собирать грязь). На этой стади надо особое внимание уделить отстраняемым свинцовым частичкам. Они запросто могут незаметно прилипнуть где не надо и все испортить. Если «липучка» всеже где-то вылезла наружу, то ее убираем бензином.
Пропеллер с грузиком ставим на балансир, берем секундомер, замеряем период колебаний и определяем место, где будем облегчать грузик. Снимаем некоторое количество свинца, снова на балансир, снова секудрмер и т.д.
Вот так выглядит готовый пропеллер

Экспериментальные результаты
Для экперимента был выбран деревянный пропеллер Graupen 15х4,5. Момент инерции определялся экспериментально: 0,001кгм2. Далее, былы посчитаны расстояние центра масс от оси вращения и центробежная сила при врашении с угловой скоростья 6000мин-1. Результаты расчетов приведены в таблице.

Несколько полезных советов.
Часто пропеллеры изначально болтаются на оси адаптера. В этом случае балансировка по большому счету теряет смысл. Где-то читал, что посадочными местами пропеллера являются плоскость прижимаемая к адаптеру и прилегающая к этой плоскости часть отверстия. Именно часть , а не вся дырка. В случае болтанки достаточно уменьшить диаметр отверстия именно в этой части. Несколько раз капнем подходящим клеем так, чтобы ось входила с легким натягом. Задача посадочного места обеспечить воспроизводимость результата.
Был такой случай: однажды, хорошо отбалансировав пропеллер еще на только что купленном балансире (пропеллер остановился в горизонтальном положении), перевернул пропеллер вверх тармашками. Просто хотелось насладиться зрелищем, как тот так неохотно, но всеже начнет переворачиваться и займет свое правильное положение. Не тут-то было. Пропеллер действительно очень даже неохотко начал двигаться и остановился в горизонтальном положении, но без всякого переворота. Возникло предположение, что в игру включилось статическое элекричество (столешня была ламинирована каким-то пластиком, а ось балансира была достаточно низко расположена). Похоже, что и пропеллер и столешня зарядились одноименным электрическим зарядом, который преодолев незначительные (в силу предварительной неплохой балансировке) силы тяжести весело установил пропеллер в горизонтальном положении. В новом «саркофаге» ничего такого не наблюдал (может быть из-за высоких деревянных стоек), но с тех пор для профилактики всегда перед балансировкой обрызгиваю его антистатиком.

  • 6762
Comments
Viktor89

Мой балансир всё равно лучше ))

SerKol
Viktor89;bt94508

Мой балансир всё равно лучше ))

Основной упор был сделан на методику балансировки. Ваш балансир должен быть также чрезвычайно чувствительный, а значит, что классическая методика балансировки не годится. Как Вы решаете эту проблему?

omegapraim

Спасибо за статью, очень наглядно и понятно, можно я включу вашу статью в FAQ по квадрокоптерам?

Viktor89

SerKol
Обычные винты я пока не балансировал, не было необходимости. А в случае вертолётных лопастей главное чтобы в расправленном положении никуда не вело (не дышать и постоянно смахивать пыль, так как даже она влияет), потом контроль чтоб в режиме весов весили одинаково + штангенциркулем контролирую геометрию. Вот и вся технология.
Ну а каких результатов я добился - видно в моём блоге, на видео с камеры, которая закреплена на 450-ом жёстко и без демпферной развязки, вибрация практически отсутствует и видна только если придираться.

По идее если геометрия одинаковая + масса одинакова + если “качели” никуда не ведёт = это всё в сумме даёт гарантию того, что лопасти одинаковы и имеют одинаковое распределение масс (ну или по крайней мере масса распределена так, что удачно друг друга компенсируют).

А балансир Вашего типа меня не устраивает принципиально, я считаю это неудачным веянием моды. Ведь там винт не падает и висит в воздухе по сути за счёт силы трения оси о магнит, который его притягивает. И сила трения там гигантская, так как магнит притягивает сильно. Какой-нить бугорок на магните может влиять на результат “взвешивания”, сам магнит быстро выходит из строя из-за острия оси. В моём балансире принцип другой, магниты отталкивают ось, ось практически ничего не касается и опирается с минимальным трением на стекло, причём это трение можно устремить к нулю настройкой расположения магнитов на оси. Если сделать активную электромагнитную составляющую - то трение будет только о воздух, но я этого уже не стал делать, так как точность и так получилась черезмерной.

boroda_de
Viktor89;bt94512

сам магнит быстро выходит из строя из-за острия оси.

Лет семь уже такой, пока магниты не протёрлись. 😉

SerKol
omegapraim;bt94511

Спасибо за статью, очень наглядно и понятно, можно я включу вашу статью в FAQ по квадрокоптерам?

Спасибо за отзыв. Предложение Ваше очень лестно. Ссылка на источник значительно поднимет меня в моих же собственных глазах.😃

SerKol

Viktor89
Спасибо за развернутый ответ. Блог Ваш я не читал, но основную статью в свое время прочитал очень внимательно. При первой публикации своих результатов дал на нее ссылку.

Но. Разрешите не согласиться с утверждением, что ось не падает за счет трения о магнит. Магнита касается только один конец оси, другой висит в воздухе на расстоянии около 0,5мм. Пробовал поиграться этим расстоянием с целью уменьшить давление оси на магнит. Ведь на ось действуют две силы притяжения и результирующая сила тем меньше, чем симметричнее картинка. Но в разумных пределах ничего интересного не нашел. Надо еще оставить достаточный простор для манируляций (все время приходится пропеллер вынимать из балансира и возвращать его). Но вопрос интересный и в ближайшее время измерю результирующую силу. Тем более, что это совсем не сложно.

Что касается разрушения магнита осью. Осмелюсь напомнить, что магнит защищен стеклом толщиной 0,5мм. В свое время изучал вопрос трения оси о разные поверхности. Результат можно увидеть здесь:

Надо было бы ось изготовить из сырой стали, но реализовать такое не получилось.

Есть еще масса неясного и буду признателен за любую дискуссию.

DmitryS

Первый раз вижу, что бы пропеллеры балансировались грузиками:), да еще у комля:), а если отлетит и в глаз? Зачем такие сложности? Не проще снять, надфилем, немного материала с кончика лопасти? Чем больше плече тем точнее и главное меньше снимать надо.

SerKol
DmitryS:

Первый раз вижу, что бы пропеллеры балансировались грузиками:), да еще у комля:), а если отлетит и в глаз? Зачем такие сложности? Не проще снять, надфилем, немного материала с кончика лопасти? Чем больше плече тем точнее и главное меньше снимать надо.

Идея балансировки с помощью грузика вовсе не моя. Видел где-то в интернете. Только там в качестве грузика использовались самоклеющиеся ленты. Попробовал так и не понравилось, поэтому, выдумал “самоклеющийся свинец”.

Что касается надфиля, то как-то не уверен, что правильно оголять дерево, а потом опять покрывать его лаком и опять балансировать. А как быть, если речь идет о карбоне? Что делать, если надфиль доберется до волокон?
Поэтому и повернулся в сторону неразрушающего метода балансировки.

Параллельно собираю стенд для снятия характеристик ВМГ. Уже добрался до третьего варианта и гонял пару достаточно долго на предельных режимах. Никакого намека на отделение грузика от пропеллера пока не наблюдал.

Хочу отметить, что вовсе не претендую на истину в последней инстанции. Здесь был предложен всего лишь еще один метод балансировки. Этот метод, как и все остальные, имеет свои за и против, имеет свои преимущества и недостатки.

ADF

Если делать балансировку до упора, она имеет смысл ТОЛЬКО вместе с ротором мотора и всем крепежом от винта до двигателя.

Если ротор мотора не балансируется, адаптер может вставать на фал в случайной фазе и винт на адаптер, в свою очередь, тоже в некой случайной фазе встает - по уши хватает более простых способов балансировки…

Но антисквозняковый шкаф понравился! 😃

SerKol

Балансировка системы пропеллер-адаптер-мотор на магнитном балансире невозможна. К сожалению. Это уже попахивает динамической балансировкой. Было бы здорово такое осилить, но это уже выше моих возможностей.

Я работаю с моторами AXI, где плотность посадки адаптера на мотор на пределе разумного. Еще немного и руками его уже не снять. В этом случае проблем нет. А вот с посадочным отверстием пропеллера уже значительно хуже. И в одной партии попадаются пропеллеры плотно садящиеся на адаптер и хорошо болтающиеся. Появилась идея заузить область нижней грани отверстия, например, клеем. Думаю, главное чтобы добиться воспроизводимости положения пропеллера на адаптере. А с некоторым “уводом” центра пропеллера справится балансировка.

Действительно, в продаже масса некачественных моторов, адаптеров и пропеллеров. Надеюсь, что табличка поможет правильно сориентироваться в каждом конкретном случае относительно разумной степени балансирования.

Идея методики: предложен инструмент для измерения степени балансировки гораздо более чувствительный чем это надо. Для меня всегда удобнее измерят что-либо с точностью до миллиметра штангелем, чем линейкой.

А за “антисквозняковый шкаф” спасибо.😃

Sodefi

Сергей, подскажите а какое посадочное отверстие и толщина центральной части у этих деревянных турнижи?

SerKol

Посадочное отверстие под вал: 8 мм
Ширина комеля: 26 мм
Высота комеля: 11 мм