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Quadrokopter: Alle Aufschlagstellen gesichert - KEM

Kleinstoßdämpfer
Alle Aufschlagstellen gesichert

Quadrokopter oder auch Quadrotoren genannte Luftfahrzeuge gehören zur Gruppe der Hubschrauber, nicht zuletzt, weil sie wie diese senkrecht starten und landen können. In dem hier beschriebenen Fall ist diese Art von Fluggeräten Teil eines akademischen Robotikprojektes. Zum Schutz vor Schäden stattet die Technische Hochschule Mittelhessen (THM) ihre Modelle mit Kleinstoßdämpfern von ACE aus.

Exklusiv in KEM Der Autor: Robert Timmerberg, Fachjournalist, plus2 GmbH, Düsseldorf, i. A. der ACE Stoßdämpfer GmbH

Würde man Michael Großfeld und die Studenten des Friedberger Fachbereiches M (Maschinenbau, Mechatronik, Materialtechnologie) in der freien Natur beobachten, wäre man geneigt zu glauben, dass die Gruppe einem gemeinsamen Hobby nachginge. Denn schon im Allgemeinen sieht Modellflug mehr nach Spaß, denn nach Arbeit aus. Wenn es sich bei dem in der Luft befindlichen Objekt dann nicht um ein Flugzeug oder einen Helikopter handelt, sondern um einen Quadrokopter, gilt dies erst Recht. Denn mit seinen vier Rotoren übt er eine große Faszination auf den Betrachter aus. Perfekt beherrscht, schwebt er elegant und anscheinend schwerelos durch die Lüfte. Bei Bedienungsfehlern oder Stromausfällen kann es jedoch zu kostspieligen Schäden kommen.
Damit Faszination nicht in Frustration umschlägt, wird am Campus in Friedberg in einem Versuchsstand im Labor der THM gelehrt. Schließlich sollen möglichst viele Studenten z. B. in ihren Diplomarbeiten bei der Entwicklung von Quadrokoptern ihre Erfahrungen u. a. mit der Anbindung von Beschleunigungs- und Winkelgeschwindigkeitssensoren sammeln, oder sich mit Luftdrucksensoren befassen können, die beispielsweise zur Lage- und Positionsregelung des Quadrokopters genutzt werden.
Obwohl die Quadrokopter ein verhältnismäßig kostengünstiges Flugsystem darstellen, müssen diese vor Unfällen geschützt werden. Es gilt dabei, den vergleichsweise einfachen mechanischen Aufbau in Verbindung mit seinen modernen Akkumulatoren, effizienten Drehstromantrieben, seiner innovativen Sensorik und gegebenenfalls eine optional eingebaute Kamera vor Beschädigungen bei Abstürzen zu sichern.
Großfeld, der im Labor Robotik-Aktorik-Sensorik (LRAS) am Standort Friedberg den Studenten u. a. Kenntnisse in Sachen Strömungstechnik vermittelt, sagt dazu: „Wir entschieden uns für kleine Stoßdämpfer wegen deren Kompaktheit und ihrer sehr guten Dämpfungseigenschaften, um den freien Fall unseres linear geführten, kardanisch aufgehängten Quadrokopters beispielsweise bei spontaner Motorabschaltung oder fehlerhafter Regelung zu dämpfen, damit das System keine Schäden erleidet.“ In dem Robotikprojekt geht es neben der Verfeinerung der Flugeigenschaften des Quadrokopters vor allem um die Ermittlung und Etablierung von Regelparametern zur eigenständigen Fluglagenstabilisierung des Systems.
Quadrokopter an jeder Aufschlagstelle gesichert
Da Quadrokopter neben dem schwebenden Flug auch in der Lage sind, enge Turns und Loopings zu fliegen, besteht die Möglichkeit, dass sie nicht nur mit einer Seite aufschlagen. Um auf Nummer sicher zu gehen, entschied sich die Hochschule dazu, oben und unten jeweils drei Stoßdämpfer von ACE zu verbauen. Es wurde bei der Auslegung davon ausgegangen, dass der Quadrokopter beim Fallen und Steigen in etwa eine gleiche Geschwindigkeit erfährt. Bei einem prognostizierten Wert von 8 m/s ergibt dies einen Impuls von ca. 80 kgm/s und eine damit korrelierende Energie von 300 J. Das Gewicht des Fluggeräts wurde mit 10 kg veranschlagt.
In darauffolgenden Tests zeigte sich, dass die tatsächlichen Werte um 25 bis 30 % unter den zunächst angenommenen liegen. Diese Abweichung kann dabei als zusätzliche Sicherheit angesehen werden, damit die ermittelten Dämpfungselemente in jedem Fall ihrer Aufgabe gewachsen sind.
Als geeignete Kandidaten wurden Kleinstoßdämpfer des Typs SC650EUM-0 ermittelt und verbaut. Diese Stoßdämpfer weisen aufgrund von langen Hüben nur sehr geringe Brems- und Stützkräfte auf. Die wartungsfreien, einbaufertigen hydraulischen Maschinenelemente können wahlweise mit einer linearen oder progressiven Abbremskurve ausgelegt werden. Sie haben einen integrierten Festanschlag und sind neben dem Einsatz an Quadrokoptern besonders für Handhabungsgeräte, Linearzylinder, kolbenstangenlose Zylinder und pneumatisch angetriebene Schlitten geeignet. Standardmodelle arbeiten zuverlässig in einem Temperaturbereich von 0 bis 66 °C. In diese Kategorie fallen auch die in Friedberg verwendeten Typen. Dabei sind die selbsteinstellenden Dämpfungselemente in der Lage, eine effektive Masse von 2,3 bis 14 kg um für diese Anwendung vollkommen ausreichende 73 Nm/Hub zu verzögern.
Um die maximale Energieaufnahme pro Stunde musste sich Großfeld keine Gedanken machen. Denn im Gegensatz zu den gewollten, regelmäßigen Dämpfungsvorgängen in der Automation kommen die verbauten Kleinstoßdämpfer am Versuchsstand selten zum Einsatz. Da ACE jedoch immer daran denkt, möglichst vielen Konstrukteuren nahezu maßgeschneiderte Lösungen anzubieten, bestechen die Kleinstoßdämpfer durch sehr kleine, überlappende Härtebereiche. Dadurch können sie einen effektiven Massenbereich von 0,7 bis 2088 kg ideal abdecken. Zusätzlich sind zahlreiche Sonderausführungen bei ACE erhältlich. So sind diese Maschinenelemente für unterschiedliche Geschwindigkeiten und sogar als seewasserbeständige Varianten oder mit Bolzenvorlagerungen für große Aufprallwinkel lieferbar. I

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ACE
Christian Junghans
Produktmanager Industriestoßdämpfer
Tel.: 02173 9226-4232
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