Holzkonstruktion - wie schwer darf ein Flugel sein oder wie stabil muß es sein

Hallo liebe Leute,

… möchte einen Flieger komplett konstruieren. Allerdings plag ich mich mit der Dimensionierung - da fehlt mir die Erfahrung. Es soll eine Piper Cub werden. Vorlage sind diverse Pläne von Outerzone (Severin, Svensson, ..) die ich "vermische" und in CAD erfasse. Ich habe die Möglichkeit zum Lasern. Bis jetzt hab ich die Materialien folgendermaßen vorgesehen. Beplankung 1,5mm Balsa, Hauptholme Kiefer 4x8, Rippen und Verkastung PappelSperr, Querruderscharniere 4mm PappelSperr. Mit diesem Ansatz kommt der Flügel auf ca. 300g ohne Bespannung und ohne Servo. Das erscheint mir ein wenig zu viel. Eine Rippe ist ca. 320m lang und ein Flügel hat ca. 970mm Länge.


Ich möchte die QuerruderScharniere selber machen - aus Holz (eben 4mm PappelSperr) mit Bowdenzugrörhrchen (3mm/2mm) als Führung und ein 2mm Messingrohr als Achse. Ich denke das das recht viel Gewicht bringt. Weiters denk ich das die Anzahl der Holme etwas viel geworden ist. Ich dachte mir ob da vielleicht auch Balsaleisten reichen würden.


Die Ausnehmungen der Rippen glaub ich sind aber recht brauchbar.

Was meint ihr so vom Gefühl her paßt der Ansatz oder wird mir das zu schwer ? Von der Dichte her hab ich 340 g/cm³ für 3mm Pappelsperr, 440 für 4mm Pappelsperr, 550 für Kiefer und 120 für Balsa genommen. Das sind meine ermessenen Mittelwerte

- danke für eure Kommentare

Gruß
Michael

Hi Michael,

kann dir da leider nicht weiterhelfen - aber da gibts genug Spezialisten hier im Forum.

Darf ich fragen mit welchem Programm du konstruierst?

Bin schwer beeindruckt von deinen 3D Modellen!

*Beplankung 1,5mm Balsa*
PASST, bei einem so großen Modell würde ich aber unter 2mm gar nicht anfangen.

*Hauptholme Kiefer 4x8*
Für ein 2-m-Modell erscheint das knapp, aber ich nehme an, Du wirst tragende Flächenstreben einsetzen, dann könnte es auch genügen. Aus dem Bauch raus würde ich mir da mehr gönnen.

*Rippen und Verkastung PappelSperr*
PASST, nur wundere Dich nicht über krumme Rippen. Eine 3-mm-Pappelverkastung seitlich an den Holm zu leimen ist übrigen sinnfrei, da vom ganzen Pappelholz dann nur eine äußere Furnierschicht wirklich trägt. Da wäre schon 1-mm-Flugzeugsperrholz gleich fest oder eher noch stabiler. Wenn Pappelverkastung, dann zwischen die Holmleisten, als I-Träger. Dann trägt die kräftige Mittellage (stehend).

*Querruderscharniere 4mm PappelSperr.*
Das ist jetzt nicht so toll. Vergiss die Pappel für alle mechanischen Teile. Pappel ist nicht wirklich fester als gutes Balsa. Da fährst Du schon mit 2mm-Flugzeugsperrholz Birke besser. Und 3-mm-Flugzeugsperrholz ist schon nahezu unkaputtbar.

*Mit diesem Ansatz kommt der Flügel auf ca. 300g ohne Bespannung und ohne Servo. Das erscheint mir ein wenig zu viel.*
Nö, nicht für eine 2-m-Piper. Wenns leichter werden soll, dann Balsarippen.

*Die Ausnehmungen der Rippen glaub ich sind aber recht brauchbar.*
Geht so, seitdem die Wright-Flyer vor über 100 Jahren aus der Mode gekommen sind, strebt man Rippen innen diagonal ab, sonst können sie keine Schubkräfte aufnehmen. Nur klappen Diagonalen in PappelSPH leider auch nur sehr mäßig, so dass Deine Lösung vielleicht auch nicht schlechter sein wird.

*und ein 2mm Messingrohr als Achse*
Macht nicht so viel Sinn, dann lieber dünner und aus Federstahl (der bleibt auch gerade) oder wenn schon dick, dann aus Gewichtsgründen einen Fiberglasstab oder ein CFK-Teil als Achse.

*Holme -ob da vielleicht auch Balsaleisten reichen würden*
Balsaholme machen keine rechte Freude, wenn sie etwas tragen sollen. Ist eine Lebenserfahrung. Lieber wenige gezielt tragende Kiefernholme, als viele Leisten, bei denen die Funktion eigentlich unklar ist. Viele sogenannte Hilfsholme werden z.B. nur verbaut, um die Bespannung am Einfallen zu hindern.

Hilft das weiter (auch wenn es noch andere Meinungen geben wird)?

Hallo Michael,

das sieht doch schon ganz gut aus. Was mir dazu einfällt:

- die Holme kommen mir auch etwas klein vor, aber der Flügel wird ja noch abgestrebt. Balsa würde ich nicht nehmen, da werden die benötigten Querschnitte viel größer.
Hast Du die Maße von einem Bauplan übernommen? Dann sollte es doch eigentlich passen.

- die Verkastung kann ruhig aus Balsa sein. Ich würde sie aber unbedingt zwischen die beiden hinteren Hauptholme versetzen. Also als I-Träger.

- Querruderscharnieren auf keinen Fall aus Pappel. Die würde ich aus 3mm Flugzeugsperrholz machen. Als Achse ein 2-3mm CfK Stab.

- die Ausnehmungen an den Rippen sind ja schön und gut. Aber auf jeden Fall ganz zum Schluss der Konstruktion alle Innenradien verrunden (Kerbwirkung).

- bei den angenommenen Dichten der Hölzer stimme ich zu. Das passt ungefähr mit meinen Werten überein.

- die 300g gehen bei so einer großen Fläche doch in Ordnung.


Vielleicht kommen ja noch ein paar Gute Ideen dazu. Wird bestimmt ein schöner Flieger.

Viele Grüße,

Achim

- danke für Eure hilfreichen und umfangreichen Antworten.
also CAD = Fusion360 - gratis und legal ! für Hobbyanwendungen ..
Verkastungen.. also ich überleg mir die Verkastung zwischen die Holme zu verlagern schau mir mal an wie ich dann die Augenschrauben für die Abstrebung neu anbringen muß - der Tipp mit Pappel trägt nur die erste Schicht versteh ich - danke


Zu den Scharnieren. Also eigentlich wollte ich eh 3mm BirkeSperr - so wie alle anderen auch. Aber das kann ich nicht lasern. Da kommt der einfach nicht durch. Dann hab ich halt mit 3mm PappelSperr begonnen und die ersten Versuchsanordnungen gemacht so das die Elemente immer fester wurden. Das war mit 3mm kaum drinnen weil eine Querbelastung (kann ja doch mal passieren) eigentlich kaum ausgehalten wurde. Ich hab dann die Scharnierelemente mit Glas (49g und EzeKote) verstärkt. Das hat sehr viel gebracht. Die Achsen waren damals noch Messingröhrchen 2/1,6 mit M2 Beilagscheiben als "Reibfläche". Dann bin auf 4mm Pappel gewechselt mit 3/2 Bowdenzughülle und M3 Nylonscheiben als Reibfläche. Dann hab ich mir auch das Glas erspart. Weiters hab ich auch von einem Ruderhorn auf doppeltes Ruderhorn mit Kugelkopf dazwischen umgestellt. Ich bin ja selber im Zweifel bezüglich der notwendigen vs erreichten Stabilität. 3mm Pappel plus Glas kann man nicht mehr ausreißen. Die 4mm Pappel (ohne Glas) mit den Doppelt geführten Scharnieren auch nicht mehr. Die verklebten Beilagscheiben / Reibflächen haben ein Ausreißen der Löcher auch so gut wie unmöglich gemacht.

.. hab jetzt die Holme verschoben so das die Verkastungen dazwischen liegen...

HI

von mir als leihe
ich würde die holme im bereich der nasenleiste weglassen und dafür lieber ne ordentliche nasenleiste einbauen
so 15x15
auch die beiden im bereich der entleiste würd ich weg lassen deine beplankung versteift ja das ganze auch noch

...irgendwie ist noch überhaupt kein einziges Bauteil an Bord, welches Torsionsfestigkeit bringt...
z.B. Nasenbeplankung, D-Box, Holmkasten, was auch immer.

Selbst bei den Querrudern hast du es geschafft, bei weitgehend maximiertem Gewicht alle Torsionsfestigkeit systematisch zu verhindern. Da wäre eine durchgehende Balsabeplankung sehr hilfreich gewesen.

.. also die Beplankung ist vom Severin Plan übernommen. Da wird bis zu den vorderen Hilfsholmen beplankt. Und die zarte Balsanasenleiste ist eigentlich nur als Stütze gedacht. Die vordere Beplankung wird in einem Stück aufgebracht.

Ich würde auch vorschlagen die zwei Hilfsholme vorne weg lassen, eine richtige Nasenleiste nehmen und bis zum Hauptholm beplanken. Eine D-Box ist nicht zu verachten.

Franz

Ähm, ihr habt schon bemerkt, dass es eine Piperfläche werden soll? Da geht die Nasenbeplankung nicht weiter nach hinten. Und dass dort, wo die Beplankung endet, eine Leiste drunter kommt, welche die Beplankung hinten abstützt, ist doch völlig okay. Torsion? Eine Piper ist kein Rennflugzeug. Und es gibt zwei tragende Streben. Was soll da groß passieren?
Ich finde die Konstruktion in einigen Details recht verspielt aber grundsätzlich okay. Die Lagerung der Ruder ist in meinen Augen recht aufwändig gemacht. Aber bitte, jeder tobt sich anders aus.

Gruß Mirko

Hallo in die Runde,

ich glaube, die Wirkungsweise eines Torsionskastens ist nicht allen geläufig.
Ein Torsionskasten muss eine größtmögliche GESCHLOSSENE Hülle bilden, also von der Nasenleiste über den Obergurt, die Verkastung, den Untergurt, die untere Beplankung, und wieder vor bis zur Nasenleiste.
Fehlt z.B. der Kraftschluss von der Ober- zu der Unterbeplankung, gibt es keine Torsionsteifigkeit.

Die Kraftlinien im Torsionskasten laufen übrigens unter 45° von der Wurzel zum Randbogen.
Also sollte aus Gründen der Torsionsteifigkeit die Nase bis zum Holm beplankt werden, oben und unten; die Verkastung der Gurte muss ebenso sein, nicht nur wegen der Biegefestigkeit, sondern auch wegen der Torsionsteifigkeit.

Je größer das umschlossenen Volumen ist, desto steifer die Torsionsfestigkeit.

Im Klartext: eine Beplankung bis zum vorderen Hilfsholm ist zu wenig. Und bringt rein gar nichts, wenn vom Hilfsholm die Kraft nicht durch einen senkrechten Steg von oben nach unten (also zum unteren Hilfsholm) weitergeleitet wird, und von wieder nach vorne zur Nasenleiste.

Da helfen die Abstrebungen des Flügels nur bedingt. So, wie sie bei einer Piper ausgebildet sind, helfen sie eher gegen Durchbiegung.

Beste Grüße

Klaus.

@Mirko: klar, könnte auch mit der von Michael gewählten (sehr ungünstigen) Bauweise funktionieren, aber er wollte wissen, wie es besser geht. Da hilft nur, die Prinzipien richtig anzuwenden, und das viele Material an der falschen Stelle durch weniger, aber sinnvoll angebrachtes zu ersetzen.

schau dir doch einfach eine Originaltragfläche einer Piper an. Da ist einiges anders, vor allem keine Rohrsteckung. Selbst bei der TC-Piper gibst die nicht und alles hält trotzdem. Die Streben übernehmen die Last.

.. das mit dem Torsionskasten leuchtet mir ein. Ich hab von Krick die Bestmann gebaut. Da sind die Hauptholme 2x10 Kiefer (1,8m Spannweite) - genauso dick wie die Balsabeplankung. Die Fläche kann mit angemessenem Krafteinsatz kaum verwunden werden. Auch wenn das hier sicher nicht ein echter Scale Flieger wird möchte ich mich bei dieser Konstruktion doch optisch an dem Original anlehnen. Ich bin aber über jeden Kommentar sehr froh und versuche das zu verstehen und evtl. einzubauen - die Verkastung ist ja als Verbesserung bereits zwischen die Holme gewandert. Was ich nicht versteh wie "Die Kraftlinien im Torsionskasten laufen übrigens unter 45° von der Wurzel zum Randbogen." Da bekomm ich kein Bild im Kopf dazu zusammen wie das von der Orientierung her gemeint ist

- danke

Michael

Hallo Michael,

das mit dem Torsionskasten leuchtet Dir falsch ein, wenn Du die Holmstärke dafür betrachtest. Die Holmstärke und der Abstand der beiden Holme (oben und unten) ergibt die Biegefestigkeit, nicht die Torsionsfestigkeit.

Das mit dem Torsionskasten und den 45° versuche ich an Hand eines Gedankenmodells zu erklären:

nimm die Papphülse einer Klopapierrolle. Halte sie an je einem Ende fest, und verdrehe sie. Das geht kaum. Nun schlitze die Hülse der Länge nach auf und verdreh die Enden nochmal. Das geht sehr leicht. Du bemerkst, dass sich die Schnittkanten gegeneinander verschieben. Kleb einen Streifen Klebefilm auf den Schnitt, und schon ist die Hülse wieder fest.

Statt dem Klebefilm kannst Du Zwirn über die Schnittkante kleben, unter 45°. Das verhindert das Schieben, der Zwirn wird je nach Verdrehrichtung gestreckt oder gestaucht. Also klebst Du 2 Fäden auf, einen unter +45°, den anderen in die andere Richtung, -45°. So sind beide Verdrehrichtungen abgesperrt. Der Kraftverlauf geht von dem einen Ende der Röhre bis zum anderen DURCHWEGS unter 45°, auch wenn Du dies nur beim Schlitz erkennen kannst.

Die Pappröhre hat einen kreisförmigen Querschnitt. Das ganze funktioniert auch, wenn es kein Kreis ist, sondern ein Profil. Oder eine D-Box. Aber Du darfst keinen Schlitz in der Struktur haben, der Konturzug muss geschlossen sein.

Du siehst, Torsion hat prinzipiell nichts mit dem Biegen zu tun. Die Elemente einer Flügelstruktur Holm, Verkastung, Beplankung) müssen im Betrieb dennoch beides aushalten. Also werden die Elemente so platziert, dass sie sinnvoll ihre Aufgabe erfüllen: die Holme an die dickste Stelle im Profil mit großem Abstand zueinander (gute Biegefestigkeit), der Torsionskasten muss geschlossen sein.

Ohne Steg zwischen den Holmen hättest Du gleich 2 Fehler verbaut:

1. Die Durchbiegung ist schlecht, weil die Holme nicht auf Abstand gehalten werden.
2. Die Torsion wird nicht verhindert, weil die fehlende Verkastung den Schlitz in der Pappröhre darstellt.

Hoffe, Du bist noch dabei?

Gruß
Klaus.

bendh schrieb:

...Rohrsteckung. Selbst bei der TC-Piper gibst die nicht und alles hält trotzdem. Die Streben übernehmen die Last.

Zum Vergrößern anklicken....

Nur mal so angemerkt:
Steckung und tragende Streben ist Blödsinn. Das ist statisch überbestimmt und das Gewicht und den Aufwand für die Steckung hätte man weglassen können.

Die hier gezeigte Fläche ist ein schönes Beispiel dafür, dass man an sich simple Konstruktionen durch den Einsatz virtueller Techniken heillos verkomplizieren kann, einfach weil es am Bildschirm praktisch keinen Mehraufwand darstellt. Sie verstösst damit eklatant gegen den von Saint Exupéry formulierten Grundsatz

Eine Lösung ist dann perfekt, wenn man nichts mehr weglassen kann.

Oder neudeutsch: KISS (keep it stupid simple).

Für jedes einzelne Teil der gezeigten Konstruktion gibt es eine Lösung, die bei halbiertem Aufwand die Anforderung doppelt so gut erfüllt.

Und jetzt kommt die Überraschung: funktionieren wird es trotzdem, und das Modell wird zwischen den tausenden anderer Piper-Modelle nicht auffallen.

Also was soll's, hier ist schliesslich Hobby.
H.

Hallo,
Bei der Piper sitzt der vordere Holm im Original viel näher an der Nasenleiste. Daher ergibt sich auch mit der schmalen Beplankung eine wenn auch kleine D-box.
Gruß Martin

Auch wenn die Steckung statisch tatsächlich völlig überflüssig ist, so hat sie wenigstens den Vorteil, dass die Flächen erst mal an Ort und Stelle halten, bis man die Streben montiert hat.

Bei der legendären Burda-Piper von HEGI waren da statt dem ganzen Steckungsgedöns je zwei kurze Holzdübel aus dem Schreinerbedarf. So einfach kann ein Tragflächenanschluss sein...

Story: Ein Kollege hatte in unserer Jugend seine Burda anstelle der Original-Holzstreben mit Streben aus 3-mm-Federstahdraht ausgerüstet, weil der dem Holzkram nicht getraut hat. Und diesen Federstahl hat es in der Luft schon beim Erstflug auf Zug zerrissen (mitten in der Drahtlänge), während meine Holz-Streben über die ganzen Jahre unkaputtbar waren.

Ich hatte mir übrigens einfache Gelenke aus Aluprofilen an die Tragfläche gebastelt, so dass die Steben immer an den Flächen bleiben konnten und beim Transport einfach angeklappt wurden. So musste ich nur unten am Rumpf je eine Schraube mit Stoppmutter montieren. So ähnlich haben das viele Piper-Erbauer auch gelöst.

@Klaus - danke für die Erklärung - jetzt weiß ich wie du das gemeint hast.
@Holger - das bei Steckung und tragenden Streben eins zu viel ist ist klar. Ich wollte halt das Handling beim Aufbau vereinfachen. Das ist wahrscheinlich dann doch übers Ziel hinaus geschossen. Ich denk noch mal nach und vielleicht ersetz ich die Steckung durch eine kurze Sperrholzzunge.

d.h. ich werde mir überlegen die vordere Beplankung bis zum verkasteten Holm zu ziehen. Dann kann ich auf die kurzen Hilfsrippen im Nasenbereich auch verzichten. Leiden würde halt der optische Eindruck. Oder - wenn die massive Steckung eh vielleicht fällt - brauch ich keinen zweiten Hauptholm sondern nur ein Paar - wie ganz am Anfang vorgeschlagen mit den "eindeutige Holmen".

@Jonas - Für die Streben hab ich 4mm Alu Augenschrauben vorgesehen wo die Anbindung dann mit Gabelköpfen erfolgen soll


- danke für eure Kommentare

...aber bitte mit stabilen Gabelköpfen, nicht irgendein M2 oder M2,5 Spielzeug?
Bedenke: An den Verbindungen hängt viel mehr Kraft, als das Flugzeuggewicht. Die Geschichte von den durchgerissenen 3-mm-Stahldrähten habe ich nicht zum Spass erzählt (gut, die waren gehärtet, das ist für Zugbelastung ja auch sicher falsch).