Ruderhebel laminiert
Abbildung 291) Ruderhebel mit Formen
Laminieren der V-Ruderhebel
Der Ursprünglich beabsichtigte Aufbau des Ruderhebels, war aufgrund der schlechten Torsionseigenschaften nicht geeignet. Aus diesem Grund wurden hier die verschiedenen Versuche zur Verbesserung dokumentiert. Die Kombination aus den Erkenntnissen brachte einen passenden torsionsfesten Ruderhebel bei moderatem Gewicht. Der Aufbau des Ruderhebels wird in einer separaten Seite dokumentiert
Ausgehend von den nachfolgend geschilderten Aufbauten wurde der Ruderhebel zuletzt armiert. Der Kern wird durch einen 1.2 mm dicken Federstahl-Draht gebildet auf welchen zwei Kohle-Schläuche aufgezogen wird. Das Ganze wird mit Epoxydharz getränkt und in die Form eingelegt. Daraus entsteht ein optimal passender und torsionsfester Ruderhebel welche auch für DS-Zwecke eingesetzt werden kann.
Aufbau
- zuschneiden und biegen der Ø 1.2 Federstahl-Drähte
- ein 5 mm CF-Schlauch wird übereinen 3 mm CF-Schlauch aufgeschoben
- In die Form wird Epoxydharz gestrichen
- Das Schlauchpacket wird mit Epoxidharz getränkt, in die Form eingelegt und geschlossen
Beurteilung
Der Hebel zeigt analog dem Referenz-Aufbau keinerlei Biegung.
Versuchsaufbauten zum Vergleich der Torsionssteifigkeit
Die verschiedenen Aufbauversuche werden nachfolgend beschrieben.
Aufbau 1
- Formen werden mit Epoxydharz eingestrichen
- 5 x 3K Carbon-Rovings werden eingelegt und die Form geschlossen
- Epoxydharz wird mit Injektionsspritze eingefüllt
Aufbau 2
- 5 3K Carbon-Rovings werden ausserhalb der Form mit UHU Endfest 300 getränkt
- Der vorbereitete Strang wird in die Form eingelegt und diese geschlossen
Aufbau 3
- Je 3 3K Carbon-Rovings werden zu einem Zopf geflochten.
- Wiederum drei dieser Zöpfe werden zu einem grossen Zopf geflochten
- Der vorbereitete Zopf wird in die Form eingelegt und diese Geschlossen
Aufbau 4
- ein 5 mm CF-Schlauch wird übereinen 3 mm CF-Schlauch aufgeschoben
- In die Form wird UHU Endfest 300 eingestrichen
- Das Schlauchpacket wird eingelegt und die Form geschlossen
Referenz-Aufbau
- Federstahl Ø 1.5 gebogen
Gemäss der Berechnungsgrundlage liegt am Ruderhebel ein vom Servo max. realisiertes Drehmoment von 37 Ncm an. Entsprechend muss nun geprüft werden, welchen Einfluss nun diese einwirkende Kraft auf die Torsion des Hebels verursacht. Dazu wurde ein vereinfachter Versuchsaufbau realisiert.
Abbildung 508) Schematischer Testaufbau zur Prüfung der Torsionssteifigkeit
Versuchsaufbau zum Vergleich der Torsionssteifigkeit
Der hier angestellte Vergleich soll die "Torsionssteifigkeit" des gewählten Aufbaus repräsentieren und soll reproduziert werden können. Der Versuch ist weder wissenschaftlich, noch repräsentativ, aber er zeigt deutlich die Schwächen des jeweilig gewählten Design-Konzeptes auf. Entsprechend handelt es sich bei der Ermittlung der Torsionssteifigeit um vereinfachte Berechnungen unter der Annahme, es handle sich um rechtwinklige Dreiecke.
Der Ruderhebel wird mit eine Schraubklemme an eine vertikale Platte geklemmt. Dabei wird einzig der Ausleger festgeklemmt, welcher später in die Ruderklappe hinein reicht. Damit liegt der Drehpunkt für den Versuch an der rechtwinkligen Biegung des Ruderhebels.
Ein Verlängerungsrohr wird auf den Ruderhebel aufgeschoben, da wo sonst die Kugel des Kugelkopfes zu liegen kommt. Am Ende wird ein Stift eingesteckt, an dem ein Gewicht mit der Masse mtest mit einem Faden befestigt ist.
Durch das Gewicht Gtest wird entsprechend das Drehmoment Mtest auf den Ruderhebel übertragen, welcher um die Ruderachse tordiert.
Variablen für den Vergleich
Nachfolgende Variablen werden in den folgenden Berechnungen eingesetzt.
Die Schubmodule wurden aus einschlägiger Literatur übernommen.
Berechnungsgrundlagen zur Torsion
Das entstehende Drehmoment im Testaufbau Mtest wird durch die Masse mtest und dem Hebelarm der Länge l0 generiert.
(1) Gewichtskraft des Testkörpers
Gtest = mtest * g = 0.16 N
(2) Länge des Hebelarms
l ≈ (l0 + 8) * cos(90° - φ / 2) = 88 mm
(3) Testdrehmoment
Mtest = Gtest * l = 1.6 Nmm
(4) Polares Widerstandsmoment für Kreisquerschnitt
Wp = π * d3 / 16 = 1.6 mm3
(6) Polares Flächenträgheitssmoment für Kreisquerschnitt
Jp = π * d4 / 32 = 1.6 mm4
(7) Zulässiges Torsion
τzul ≥ Mtest / Wpl ≥ 8.8 N/mm2
(8) Verdrehwinkel
ω = Mtest * l1 / (Jp * G) * 180 / π = 4.7°
(9) Torsionssteifigkeit
ST = G * Jt = 2’513 Nmm2
Versuchsaufbau und Beurteilung der Torsion
Die Auslenkung Δh wird gemessen und anschliessend aus den entsprechenden Variablen eine Näherung für den Torsionswinkel ω berechnet. Ebenso erfolgt die Ermittlung des erreichten Schubmoduls Gist durch Auflösung von (8) nach G und der entsprechenden Torsionssteifigkeit (9)
10) Ermittelter Torsionswinkel
ω ≈ asin(Δh / l)
Abbildung 503) Realer Testaufbau zur Prüfung der Torsionssteifigkeit des Ruderhebels
Abbildung 504) Aufbau 1 unter Last
Abbildung 505) Aufbau 2 unter Last
Abbildung 506) Aufbau 3 unter Last
Abbildung 507) Aufbau 4 unter Last
Der Referenzaufbau kann nicht festgeklemmt werden. Es scheiterte auch der Versuch nur die geringste Auslenkung zu erkennen. Entsprechend wurde die Auslenkung mit 0.1° ≠ 0° angenommen.
Das durchgebogene Verlängerungsrohr in Abbildung 504) zeigt schon die beschränkte Eignung dieses Versuchsaufbau, ebenso sind die Paralaxenfehler und die Messungen zu wenig geeignet für eine valide Messreihe. Für den Vergleich ist dies aber völlig ausreichend, denn die Resultate sind eindeutig!
Versuchsaufbau und Beurteilung der Torsion
Die nachfolgenden Werte wurden aufgrund der ermittelten Auslenkung Δh durch oben genannte Formeln bzw. deren Auflösung nach Verdrehwinkel ω, Schubmodul Gist und Torsionssteifigkeit ST aufgelöst.
Einzig Aufbau 4 scheint geeignet den theoretisch ermittelten Verdrehwinkel von 4.7° zu unterschreiten. Dieser wurde unter der Annahme ermittelt dass die Faserlage parallel ist. Insofern ist ein tieferer Wert im realen Versuch bedingt durch die optimale Faserausrichtung gegeben.
Fazit
Zum Aufbau einer DS-Modells scheint der Aufbau 4 zu weich zu sein, da die Torsionssteifigkeit gegenüber dem Referenzversuch aus Federstahl um Faktor 32 kleiner ausfällt! Bei einem Gewichtsunterschied von weniger als 0.6 g wird klar was hier verwendet würde.
Der weitere Aufbauversuch mit einer Armierung analog einem Stahl-armierten Beton-Träger kombiniert die richtige Geometrie mit der bestmöglichen Torsionssteifigkeit. Gegenüber dem ursprünglichen Ansatz sicher schwerer, zeigt aber auf der verwendeten Gewichts-Wage weniger als 1 g für beide Ruderhebel.