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Inhalt

Veröffentlichung im Modell-Aviator, Heft 04/11

Aviator - Wissen
Tipps zur Fahrwerksauslegung

in der Modellflug-Zeitschrift

Heft April 2011 , Seiten 96 - 101
Sauber ausrollen
Auf ein optimales Fahrwerk kommt es an

Saubere Starts und Landungen sind nicht allein dem Talent des Piloten zuzuschreiben. Natürlich können Erfahrung und Geschick viel zum Gelingen beitragen. In erster Linie sind es aber modellspezifische Faktoren und Defizite, die das Handling am Boden erschweren. Insbesondere die Auslegung des Fahrwerks spielt hier eine entscheidende Rolle. Es lohnt sich also, den aus aerodynamischer Sicht während des Fluges eher störenden Flugzeugunterbau einmal intensiver zu betrachten.

Aufgabenstellung

Die Hauptaufgabe des Fahrwerks besteht in der sicheren Bereitstellung eines funktionalen Puffers zwischen Flugzeugzelle und Erdboden während aller Bewegungsphasen, in denen der Auftrieb des Flügels das Modellgewicht noch nicht vollständig trägt. Bei Propellermaschinen wird die minimale Fahrwerkshöhe durch den Durchmesser der Luftschraube bestimmt, die während des gesamten Rollvorgangs einen hinreichenden Abstand vom Boden benötigt. Die Größe der zu verwendenden Räder hängt primär vom Pistenbelag ab. Rasenpisten erfordern besonders bei kleinen Modellen verhältnismäßig große Raddurchmesser, was mitunter zu wenig maßstabsgerechten Verhältnissen führt. Je weniger Widerstand der Bodenbelag bietet, um so weniger wird der Beschleunigungsvorgang beim Start behindert. Dafür verlängert sich die Rollstrecke nach der Landung erheblich.
Die Dimensionierung der Fahrwerksbeine und der Fahrwerksaufnahme ergibt sich aus der Startmasse des Modells. Der größte Teil des Modellgewichtes lastet auf dem in Schwerpunktnähe angebrachten Hauptfahrwerk, der Rest auf dem weit entfernt liegenden Bug- bzw. Spornrad. Die genaue Gewichtsverteilung wird durch den Abstand der Hauptfahrwerksachsen vom Schwerpunkt bestimmt und lässt sich näherungsweise bei gleichzeitigem Einsatz zweier Waagen bestimmen. Das Fahrgestell eines Flugzeugs wird bis auf wenige Ausnahmen als Zweibein- oder Dreibeinfahrwerk ausgeführt. Eine genau genommen irreführende Begriffswahl, denn auch die zweibeinige Variante kommt nicht ohne ein drittes Stützelement am Flugzeugheck aus.

Das Zweibeinfahrwerk

Bei der zweibeinigen Fahrwerksausführung liegt das Hauptfahrwerk grundsätzlich vor dem Schwerpunkt des Modells. Demzufolge fällt es mit einem Teil seines Gewichtes auf das Heck, welches mit einem stützenden Sporn ausgrüstet ist. Im Allgemeinen genügt hier ein gebogener, frei drehbar gelagerter, selbstätig nachlaufender Stahldraht. Luxuriöser und besonders für Asphaltpisten ratsam ist der Einbau eines lenkbaren Spornrades. Die Spornhöhe bestimmt die Anstellung der Rumpfachse im Stand. Die modellspezifische Gewichtsverteilung wirkt sich auf die Stabilitätsanforderung des Sporns aus, welcher prinzipiell möglichst leicht ausfallen sollte. Als Richtwert dürfen zwischen 10 und 20 % des Gesamtgewichtes auf dem Sporn lasten.

In Motion

Läuft der Motor oder rollt das Modell, sorgt der Luftstrom für eine Anströmung der Heckruder. Sofort treten zwei Effekte ein. Der erste entsteht durch das Seitenleitwerk und bewirkt, dass sich die Hochachse des Modells stabilisiert und die Rollrichtung mit dem Seitenruder beeinflusst werden kann. Mit steigender Umströmungsgeschwindigkeit nimmt die Wirkung spürbar zu, weshalb mitunter ein feinfühliges Steuern gefordert ist. Die Stellung des Spornrads verliert hingegen schon recht früh an Bedeutung. Ursache hierfür ist der zweite Effekt. Durch die aerodynamische Wirkung des Höhenleitwerks hebt sich ab einer bestimmten Geschwindigkeit das Heck. Zur Erhöhung des Anpressdrucks auf das Spornrad wird deswegen bei geringer Rollgeschwindigkeit mit durchgezogenem Höhenruder gerollt. Mit zunehmender Fahrt wird das Höhenruder in Neutralposition gebracht, wodurch sich sich die Längsachse des Modells lange vor dem Abheben so ausrichtet, dass es seine neutrale Fluglage schon beim Rollen einnimmt und der Flügel den optimalen Anstellwinkel erhält. Zu einem gewissen Grad trägt das Modell in dieser Phase bereits und kann bei Erreichen der Abhebegeschwindigkeit mit einem leichten Höhenruderausschlag abgehoben werden. Dieser bewirkt ein leichtes Absenken des Hecks und damit einen entsprechend erhöhten Anstellwinkel des Tragflügels, welcher so mehr Auftrieb liefert.
Startprobleme entstehen, wenn eine erneute Bodenberührung des Sporns eine hinreichende Erhöhung des Anstellwinkels verhindert oder bei zu wenig Fahrt ein Abheben im überzogenen Flugzustand erfolgt. Eine für Kunstflugmodelle optimale Einstellung gibt im Stand genau den Anstellwinkel der Rumpflängsachse vor, der sich beim Landeanflug mit dem minimal möglichen Schleppgas einstellt. Dann sind die viel zitierten Dreipunktlandungen ein Kinderspiel und auch das Starten gelingt perfekt.

Schön geradeaus

Der stabile Spurlauf während des Rollvorgangs wird durch mehrere Faktoren beeinflusst, deren korrekte Einstellungen gerade bei Zweibeinfahrwerken von besonderer Bedeutung sind. Das Rollverhalten wird nach der Lösung des Hecks vom Boden größtenteils durch aerodynamische Kräfte der Heckleitwerke bestimmt, solange die Fahrwerkseinstellungen dem Geradeauslauf nicht signifikant entgegen wirken. Je weiter der Abstand der Radachsen vor dem Schwerpunkt liegt, desto besser wirkt die Richtungsstabilisierung durch das Seitenleitwerk. Das Modell fährt wie auf Schienen und reagiert nur träge auf Seitenruderausschläge. Liegt ein Fahrwerk nur knapp vor dem Schwerpunkt, reagiert das Modell nervös auf das Seitenruder und bricht schnell aus. Häufig kann durch Einstellen einer leichten Vorspur das Rollverhalten verbessert werden. Hierfür müssen die Räder leicht nach innen zeigen.

Kopfstand

Modellen mit Zweibeinfahrwerk haftet oft der Makel an, bei jeder sich bietenden Gelegenheit auf die Nase zu gehen und den geplanten Rollvorgang mit einem Kopfstand oder gar einem Überschlag unschön zu beenden. Hier lässt sich das von Sportwagen bekannte Prinzip der Verbesserung der Straßenlage durch Tieferlegen übertragen. Je dichter der Schwerpunkt am Boden liegt, desto besser ist das Fahrverhalten. Dementsprechend haben Hochdecker mit hohen Fahrwerken die größeren Probleme. Allerdings sind Tieferlegungsversuche entweder durch den benötigten Bodenabstand des Propellers oder aber die Vorgabe durch ein Vorbild oft unmöglich.
An dieser Stelle ist tatsächlich das Können des Piloten gefragt, denn hier hilft insbesondere auf Rasenpisten beim Landen nur ein korrektes Handling. Wird ein Modell mit wenig Fahrt aufgesetzt, wirken relativ geringe aerodynamische Kräfte an den Rudern. Diese können die in Schwerpunktnähe abrupt auf das Hauptfahrwerk einwirkenden, hohen Kräfte durch das Abbremsen der Räder bei Bodenberührung nicht kompensieren und das Heck hebt sich unwiderruflich. Ein Purzelbaum ist dann mitunter nicht mehr vermeidbar. Einziger Ausweg ist das Halten der passenden Fahrt sowie ein kurzer Gasstoß im Moment des Aufsetzens, um eine verstärkte Anströmung der Heckruder herbeizuführen, ohne die Fahrt signifikant zu erhöhen. Das Modell kann so sauber ausrollen. Wenn es die Pistenlänge erlaubt, sollte das Gas nicht abrupt weggenommen werden, da sonst besonders auf Hartpisten ein Ausbrechen oft nicht verhindert werden kann. Prinzipiell erhöht sich das Kopfstand- und Purzelbaumrisiko, je dichter das Fahrwerk am Schwerpunkt liegt.

Sprungtalent

Das Springen eines Modells bei Bodenberührung wird zumeist durch ein zu weit vorn liegendes Fahrwerk verursacht. Allerdings kommt auch die falsche Flexibilität des Fahrwerks in Betracht. Besonders zu harte Fahrwerksbeine befördern das Modell nach der ersten Bodenberührung wieder in die Luft. Gleiches gilt für zu weiche, nach vorn ausladende Fahrwerksdrähte, welche das Flugzeug durch ihre Federwirkung hüpfen lassen. Hier wäre eine Zurückverlegung des Fahrwerks oder eine konstruktive Veränderung ratsam.

Servokiller

In den meisten Fällen ist es nicht erforderlich, ein Spornrad anzulenken, denn die vom Seitenruder erzeugten Kräfte reichen schon bei geringer Fahrt für eine Richtungssteuerung des Modells aus. Allerdings führt eine Anlenkung zu einer verbesserten Manövrierbarkeit bei niedriger Rollgeschwindigkeit. Die über die Spornradanlenkung auf das Steuergestänge und das Servogetriebe einwirkenden Kräfte sollten jedoch nicht unterschätzt werden, weshalb eine Dämpfung der Anlenkung in den meisten Fällen dringend zu empfehlen ist.
Ein besonders simples Verfahren ist die Verbindung des Spornrades mit der Seitenruderflosse über einen dünnen, kunststoffummantelten Draht. Dieser wird unter dem Ruderblatt entlang geführt. Ein in das Ruderblatt eingelassener Kugelkopf übernimmt die Führung. Besteht diese Möglichkeit nicht, kann ein Dämpfungselement entweder am Spornrad oder am Servo für Entlastung sorgen.

Das Dreibeinfahrwerk

Wesentlich einfacher sind die Verhältnisse bei einem Dreibeinfahrwerk. Hier liegt das Hauptfahrwerk grundsätzlich knapp hinter dem Schwerpunkt und das Modell benötigt ein stützendes Bugrad. Für eine Bilderbuch-Landung, bei der nach dem Aufsetzen des Hauptfahrwerks die Nase noch ein wenig oben gehalten werden soll, dürfen auf ihm nicht mehr als 5 bis 15 % des Modellgewichtes lasten. Oftmals wird dieser Wert jedoch deutlich überschritten und erreicht durchaus 30 %, was in Verbindung mit der hohen Belastung beim Rollen mit hohen Geschwindigkeiten eine ähnliche Dimensionierung wie das Hauptfahrwerk sowie eine mechanische Dämpfung des Fahrwerkbeines erfordert. Sie wird in der Regel durch eine oder mehrere Federwindungen realisiert, die kurz unterhalb des Lagerblockes in den Fahrwerksdraht eingebracht sind.
Einen wesentlichen Unterschied zum Zweibeinfahrwerk stellt die Ausrichtung der Rumpflängsachse durch das Höhenverhältnis von Hauptfahrwerk und Bugrad dar. Die Anstellwinkel aller Modellachsen bleiben während des gesamten Rollvorgangs unabhängig von der Rollgeschwindigkeit konstant erhalten. Daher ist die Ablängung des Bugrades von entscheidender Bedeutung für das Modellverhalten bei Start und Landung. Ist es zu kurz, erhält der Flügel trotz hoher Rollgeschwindigkeit keine positive Anströmung. Das Modell muss mit einem beherzten Höhenruderausschlag von Boden gerissen werden. Ist das Bugrad etwas zu lang ausgefallen, gelingt der Start in der Regel problemlos, eine hüpferfreie Landung ist allerdings schwierig zu bewerkstelligen, da der hohe Anstellwinkel in Kombination mit der noch vorhandenen Vorwärtsbewegung für ein erneutes Abheben sorgt. Deutlich zu lang geratene Bugräder könnten zu einem verfrühten Abheben und damit zu einem Strömungsabriss führen.
Bei optimaler Einstellung entspricht die Anstellung der Profilsehne des Tragflügels der Einstellwinkeldifferenz, womit die Anstellung des Höhenruders Null Grad beträgt. Insgesamt betrachtet lässt sich ein mit einem korrekt eingestellten Dreibeinfahrwerk ausgestattetes Modell am Boden durch den bis zuletzt bestehenden Bodenkontakt besser manövrieren und erscheint daher für erste Bodenstarts die bessere Wahl.

Einziehfahrwerke

Die Position von einziehbaren Fahrwerken muss schon während der Modellkonstruktion festgelegt werden und lässt sich am fertigen Modell nur noch schwer verändern. Sowohl in Bezug auf die Dimensionierung der Bereifung als auch bei der Höhe der Fahrwerksbeine setzen die vorhandenen Fahrwerksschächte enge Grenzen. Falls auf dem eigenen Fluggelände keine Asphaltpiste zur Verfügung steht, empfiehlt es sich, vor einer Anschaffung die maximal möglichen Raddurchmesser zu erkunden und das Ergebnis für die eigenen Platzverhältnisse kritisch zu hinterfragen. Ein weiterer Nachteil von vielen Einziehfahrwerken sind die Toleranzen in Bezug auf verbogene Fahrwerksdrähte. Wirken nur geringfügig erhöhte Kräfte, biegen sich die Federstahldrähte nach hinten und die Fahrwerke schlagen beim Einfahren an den Schachtbegrenzungen an. Mechanische Probleme verhindern dann für die anschließende Landung das ordnungsgemäße Ausfahren.
Für die Betätigung des Einziehmechanismus haben sich drei Systeme etabliert. Verhältnismäßig zuverlässig verrichten elektrische Fahrwerke ihren Dienst. Hier ist in jeder Fahrwerksmechanik ein eigener Elektromotor mit Getriebe montiert. Die Betätigung erfolgt über eine zentrale Elektronik, gespeist aus einer gemeinsamen, eigenen Stromquelle. Ein wesentlicher Nachteil dieses Fahrwerkstyps ist das hohe Gewicht.
Mechanische Einziehfahrwerke sind ebenfalls relativ zuverlässig, allerdings stellen die mitunter langen Gestänge zwischen dem speziellen Fahrwerksservo und den Fahrwerksmechaniken einen Unsicherheitsfaktor dar. Werden mechanische Risiken durch den Einsatz mehrerer Stellservos gemindert, schwindet der Gewichtsvorteil schnell dahin.
Besonders im Segment der Großmodelle kommen häufig pneumatische Fahrwerke zum Einsatz. Die flüchtige Druckluft erfordert eine absolute Dichtigkeit des Systems, die beim Ventil und den vielen Anschlussstellen erst ab einer bestimmten Baugröße sicher zu gewährleisten ist. Ihr größter Vorteil liegt im geringen Gewicht, doch Undichtigkeiten im Drucksystem lassen es oftmals zum Risikofaktor werden.

Ohne Fahrwerk

Nun könnte der Eindruck entstehen, dass zumindest für kleinere Modelle der Verzicht auf jegliche Fahrwerke der unkomplizierteste Weg für den sicheren Betrieb sei. Neben der Gewichtsersparnis müssten sich alle bisher beschrieben Probleme vermeiden lassen. Weit gefehlt, denn allein der Handstart birgt eine große Anzahl Risiken. Wer den Abwurf nicht sicher beherrscht, wird mit dem Abfangen eines schlecht geworfenen Modells konfrontiert. Ist die Wurfhand nicht schnell genug am Steuerknüppel, lässt sich nichts mehr retten.
Ist das Modell einmal in der Luft, steht unweigerlich die Landung an. Während die dämpfende Wirkung eines Fahrwerks oftmals eine schlechte Landung glimpflich enden lässt, fehlen bei der Landung auf dem Bauch jegliche Pufferelemente. So haben Flugzeuge ohne Fahrwerk in der manntragenden Fliegerei bei den Piloten nicht den besten Ruf, da harte Landestöße unangenehm durchschlagen. Landegeschwindigkeit und Fluglage müssen beim Aufsetzen auf dem Bauch genau stimmen!

Resümee

Unabhängig vom gewählten Fahrwerkskonzept ist ein gewisses Maß an fliegerischem Können für erfolgreiche Starts und Landungen unabdingbar. Die Beachtung bestimmter Regeln und insbesondere die korrekte Einstellung aller Fahrwerksfaktoren können dem Piloten den Start- und Landevorgang jedoch deutlich erleichtern.

Boarding zur Leserfrage "lenkbares Spornrad"

Durch eine Aviator-Leserfrage wurde das Thema "Fahrwerk" einen Monat nach der Veröffentlichung noch einmal aufgegriffen, denn es wurde angefragt, welchen Sinn eigentlich ein lenkbares Spornrad hat. Im Rahmen des vorgegebenen Textumfangs wurde folgende Antwort im Boarding des Aviator-Hefts 5/2011 gegeben:

Das Seitenleitwerk bewirkt eine Stabilisierung des Modells um die Hochachse. Ein Ausschlag des Seitenruders bewirkt eine Kraft am Heck des Modells, die eine Bewegung der Rumpflängsachse herbeiführt. Fehlt dem Seitenleitwerk die nötige Anströmung, werden keine ausreichenden aerodynamischen Kräfte erzeugt, um das Modell gezielt zu lenken. Mit einem lenkbaren Spornrad lässt sich das aerodynamische Defizit während des Rollvorgangs umgehen.
Im Stand und bei langsamer Fahrt lasten 10% bis 20% des Modellgewichts auf dem Spornrad, dessen Wirksamkeit primär von seiner Bodenhaftung abhängt. Um den Anpressdruck auf den Boden zu erhöhen, wird daher mit gezogenem Höhenruder gerollt. Mit zunehmender Fahrt muss das Höhenruder in die Normalposition und das Heck hebt sich. Schlagartig verliert das Spornrad seine Bedeutung und die aerodynamischen Kräfte des Seitenleitwerks übernehmen die Führung. Modelle mit hoch liegendem Schwerpunkt, relativ schmalem Hauptfahrwerk und schlecht angeströmtem Seitenleitwerk können in dieser Phase leicht ausbrechen und müssen gefühlvoll gesteuert werden.

Boarding zur Leserfrage "Fahrwerksstabilität"

Durch eine Aviator-Leserfrage wurde das Thema "Fahrwerk" ein weiteres mal aufgegriffen, denn es wurde angefragt, warum sich Fahrwerke so schnell verbiegen. Im Rahmen des vorgegebenen Textumfangs wurde folgende Antwort im Boarding des Aviator-Hefts 2/2012 gegeben:

Das Fahrwerk muss den auftretenden Kräften in allen Phasen des Rollvorgangs gewachsen sein. Dabei sollten auftretende Kräfte aber nicht ungedämpft auf die Befestigungspunkte einwirken. Eine gewisse Flexibilität des eingesetzten Fahrwerksdrahts ist daher von Vorteil, wobei das Material nach einer Verwindung wieder in seine Ausgangsform zurückkehren soll. Aus diesem Grund wird Federstahldraht verwendet. Mit zunehmender Materialstärke steigen auch die Torsionsfestigkeit, die Stabilität und das Gewicht des Drahtes exponential an.
Bei der Auswahl der passenden Drahtstärke sind neben dem Modellgewicht noch die Aufsetzgeschwindigkeit und die Pistenbeschaffenheit als maßgebliche Größen zu berücksichtigen. Im Regelfall sollte aber für ein Flugmodell mit einem Gewicht von 3 kg ein 4 mm starker Fahrwerksdraht den richtigen Kompromiss zwischen Fahrwerksstabilität und Fahrwerksgewicht darstellen. Übrigens dämpft die Elastizität der Fahrwerksdrähte auch den Schlag bei missglückten Landungen teilweise ab. Die Einwirkung zu großer Kräfte verhindert allerdings das vollständige Zurückfedern in den Ausgangszustand.

Boarding zur Leserfrage "Bugradanlenkung"

Durch eine Aviator-Leserfrage wurde das Thema "Fahrwerk" ein drittes mal aufgegriffen, als eine Frage zur Bugradanlenkung die Redaktion erreichte. Im Rahmen des vorgegebenen Textumfangs wurde folgende Antwort im Boarding des Aviator-Hefts 2/2014 gegeben:

Leserfrage:
Ich möchte ein Bugfahrwerk anlenken. Ein Servo mit Metallgetriebe habe ich schon. Muss ich noch was anderes beachten? Was ist mit den Stößen beim Landen?

Antwort:
Die Anforderungen an das Bugrad-Lenkservo hängen von verschiedenen Faktoren ab. Neben der modellspezifischen Abhebe- und Landegeschwindigkeit spielt die Beschaffenheit der Piste eine wesentliche Rolle. Besonders auf Rasenplätzen treten massive Belastungen auf. Hier sind ein mechanisch stabil konstruiertes Servo und zusätzlich ein nicht zu weich abgestimmter Servo-Safer zu empfehlen. Ein Metallgetriebe allein reicht für eine hinreichende Betriebssicherheit nicht aus, da besonders in miniaturisierten Servogehäusen die Lagerung der Getriebeachsen ebenso wie die Befestigungsflansche für diesen Anwendungsfall oft unterdimensioniert sind.
Je nach Größe des Modells kann durchaus ein Lenkservo aus dem RC-Car-Sektor eine sinnvolle Lösung darstellen. Es geht aber auch kostengünstiger. Optimale Voraussetzungen bieten ältere Servos in Standardgröße, ausgestattet mit groben Kunststoffgetrieben und kugelgelagertem Abtrieb, robust und zuverlässig. Soweit es das Modellgewicht zulässt, erhöht die Entkopplung vom Seitenruder durch ein separates Lenkservo die Betriebssicherheit.
Obwohl sich beim Spornrad die Belastungssituation für das Servo etwas anders darstellt, gelten hier prinzipiell die gleichen Grundsätze für die Servowahl. Allerdings werden Spornräder oftmals direkt über das Seitenruderblatt geführt, was eine Dämpfung oder Entkopplung mitunter erschwert.

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