Elektrischer Planetengetriebe-Antrieb für Warbirds der 25kg-Klasse

CAD-Ansicht der Seafury-Propeller-Konfiguration
Blick unter die Haube

Das E-SPX ist unsere neueste Entwicklung: Ein elektrischer Planetengetriebe-Antrieb. Neu? Nein, ein alter Hut, gibt es schon lange! Naja – stimmt fast, denn… Sein Sie gespannt und lesen Sie weiter!

Hier unser kurzes Intro-Video. Bitte auf diesen Text klicken.

Technische Daten E-SPX

Allgeimeine Daten:

Untersetzung Planetenstufe:1:3
Propellerdrehzahl:3000 1/min
Motordrehzahl:9000 1/min
Propellergröße:34×40″ Fünfblatt
Standschub:25 kp

Leistungsdaten:

max. Akkuspannung:52 V
max. Strom:260 A
max. elektr. Leistung: 13,5 kW
max. mech. Leistung:12 kW
durchschnittliche Flugzeiten:8-9 min

Gewichte (ca):

Torqstar 7040/10:1600 g
Planetengetriebe:1140 g
Akku 14S 16Ah:4500 g
Controller:300 g
Motorträger (Sperrholzstruktur):700 g
Gesamtantrieb:8240 g
Hinweis: Gewichte werden in Kürze nochmal vermessen und ggf. korrigiert.

Erstflug-Video

Hier vorab ein Link zum Video des Erstflugs mit Elektroantrieb. Dickes Dankeschön an Wadl! Bitte einfach auf den Text klicken.

CAD-Modell des Getriebemotors
Realer Motor mit 5-Blatt-Klemmnabe

Trotz langer Recherche haben wir keinen Planetengetriebeantrieb in dieser Leistungsklasse gefunden, der derart große Mehrblatt-Propeller drehen kann, wie es ein Warbird der 25kg-Klasse erfordert.

Deshalb war klar: Diese Lücke wollen wir schließen! Wir entwickeln einen High-tech-Antrieb, der allen Ansprüchen gerecht wird!

Und aufgrund seiner Kompaktheit passt er auch unter die Haube von Jagdfliegern, die im Original von einem Reihenmotor getrieben wurden.

Die Vorgeschichte

Vor einigen Jahren haben wir begonnen, den SP-250-X-Planetengetriebeantrieb mit Moki S250 zu entwickeln. 2017 hatte dieses Kraftpaket sein Debüt auf dem Warbirdmeeting Oberhausen und wurde dort perfekt von unserem Chef-Piloten Stefan Jahnke präsentiert.

Eingebaut in unserer Seafury mit originalgetreu großem 5-Blatt-Propeller wurde diese Präsentation mit der Trophäe „Best of Show“ geehrt. Es darf wohl behauptet werden, dass der Antrieb den meisten Piloten am Platz die Nackenhaare aufgestellt hat!

SP-250-X – Moki S250 mit Planetengetriebe
Seafury mit SP-250-X

Nachdem mehrere SP-250-X-Antriebe verkauft worden sind und diese ihre neuen Besitzer glücklich gemacht haben, stellte sich heraus, dass die Qualität der danach verfügbaren Moki-Motoren nicht mehr unseren Vorstellungen entsprochen haben.

Die Planetengetriebe haben einwandfrei funktioniert, bei den Motoren ist jedoch bekannt geworden, dass sie grundlegende Problem mit Kolbenbrüchen gehabt haben.

Wir haben sehr schnell entschieden, dass wir keine Antriebe mit diesen Motoren vertreiben würden, da sämtliche Haftungsansprüche der Kunden direkt von uns beglichen werden mussten. Für den Getriebeanbau haben wir den Motor umgebaut und mit erprobten Tuningteilen ausgerüstet. Damit war der ursprüngliche Motorenhersteller Moki/Airworld natürlich nicht mehr in der Pflicht.

Die Lösung

Alternativ fanden Gespräche mit Fiala/Valach statt, da auch hier ein neuer vergleichbarer 5-Zylinder mit 250cm³ gerade auf den Markt gekommen ist. Bei genauerer Betrachtung hat sich ergeben, dass der Anbau des Getriebes eine fast komplette Neuentwicklung des Getriebes ergeben hätte. Der Motor ist im vorderen Bereich deutlich anders als die Moki-Motoren aufgebaut.

Zudem war es ungewiss, ob sich nicht ähnliche Service-Probleme wie bei Moki/Airworld einstellen würden. In der Tat hat es anfangs mit dem VM R5-250 verschiedene technische Schwierigkeiten und stockende Lieferfähigkeit gegeben, weshalb wir davon abgelassen haben.

Sehr viel andere Alternativen haben wir am Markt nicht gesehen.

Daher kam folgender Gedanke auf:

Warum nicht einen ebenbürtigen Antrieb in elektrischer Version? Eine Antriebseinheit, die das Potenzial hat, das SP-250-X zu ersetzten? Einen 25kg-Warbird mit mindestens demselben Power durch die Luft zu jagen wie es der Moki S250 kann?

Gleichzeitig jedoch sollten wieder originalgetreu große Luftschrauben gedreht werden. Bei den amerikanischen Warbirds wie Corsair, Bearcat, Thunderbolt oder eben auch der Seafury hatten die Durchmesser der 4- und 5-Blatt-Propeller rund 1/3 der Spannweite. Die sehr großen Propeller verliehen den Flugzeugen diese brachialen Flugleistungen und das ebenso gigantische Aussehen in der Luft.

Seafury mit E-SPX

Diesen Gedanken hatten natürlich schon andere zuvor:

Es gibt einige sehr unterschiedliche Getriebeantriebe der 7kW+ -Klasse: In großen Seglern werden Planetengetriebe eingesetzt, es gibt 1-stufige offene Zahnradgetriebe oder auch Zahnriemengetriebe usw.

Doch das, was wir uns aus Maschinenkonstrukteur-Sicht vorgestellt haben, war nirgends zu finden:

Einen geschlossener und kompakter Planetengetriebeantrieb, der über eine entsprechend stämmige Lagerung verfügt, um auch einen sehr großen starrer Propeller mit entsprechend großen Kreiselkräften und massiven Spinner sauber montieren zu können.

Bei den erhältlichen Planetengetriebeantrieben war zum einen die Lagerung nur für Klapp-Propeller ausreichend, zum anderen die Leistungsrange nicht groß genug.

Auf die technischen Unzulänglichkeiten der offenen Getriebetypen wollen wir hier nicht näher eingehen.

Proportionen Motor / Propellerblatt

Also war es naheliegend, unser bereits an den Moki S250 adaptierte Getriebe vor einen entsprechend korpulenten Elektromotor zu schnallen. Relativ unaufregend war die Konstruktion der entsprechenden Adapterteile für Getriebegehäuse und Sonnenrad. Es wurde ein Außenläufer mit rund 9kW Nennleistung direkt ans Getriebe geflanscht. Das Adapterteil hat gleich eine zweckmäßige Aufnahme erhalten, um an der Flugzeugzelle montiert zu werden.

Die Komponenten

Nach einiger Rechnerei und Recherche im Vorfeld sind folgende Antriebsteile ausgewählt worden:

– unser Platengetriebe wie gehabt mit Untersetzung 1:3

– ein LMT 7040 mit einer Nenndrehzahl von 9000 1/min

– ein Lipo mit 14S und 16.000 mAh

– ein YGE-Controller mit ca. 260A Spitzenstrom

Das Propeller-Drehzahlniveau liegt jetzt höher als die max. 2200 1/min bei unserem bisherigen SP-250-X -Antrieb.

Dadurch sind nicht ganz so große Steigungen (rund 40“ – 46“) erforderlich und zudem können mit dem E-SPX jetzt auch problemlos Warbirds mit 3-Blatt-Propeller wie die FW-190 ausgerüstet werden, was beim SP-250-X aufgrund des hohen Drehmoments eher schwierig war.

Ein weiterer sehr positiver Effekt des äußerst kompakten Elektroantriebs ist wie oben bereits kurz erwähnt, dass natürlich nicht nur sternmotorgetriebene Warbirds damit ausgerüstet werden können, sondern auch alle Reihenmotoren-Flugzeugtypen! Mustang, Spitfire, ME-109, um nur die bedeutendsten zu nennen, lassen sich problemlos mit diesem Triebwerk befeuern.

Auch entsprechend durchmesserstarke Kunstflieger wie SU-26 und andere ließen sich sehr originalgetreu und vor allem schubstark ausrüsten.

Alles schön und gut, aber

E-Antriebe sind schwer, teuer, lahm und haben vor allem keinen Sound!

Na schön, schauen wir uns die Sache genauer an.

Schwer

Die Aufstellung der Massen und Kosten haben ein sehr überraschendes Bild ergeben:

Rechnet man ALLE Massen der Komponenten des SP-250-X 5-Zylinders zusammen und vergleicht dies mit denen es Elektroantriebs, kommt heraus, dass der Elektroantrieb bei etwas geringerer Flugzeit dasselbe Gewicht hat!

Sternmotor, Motorträger, Zündung, -Akku, Schalter, Gas- und Choke-Servo, Tank, Sprit, Schläuche

wird ersetzt durch

Außenläufer, Akku, Controller, Motorträger, Soundanlage

Das Getriebe wiegt etwa dasselbe wie beim SP-250-X, der Propeller spart etwas durch grazilere Blätter.

Summa summarum sind wir beim selben Gewicht gelandet und fliegen unsere Seafury weiterhin unter 25kg!

Teuer

Die Kosten der obenstehenden Ausrüstungsteile sind beim Elektroantrieb deutlich geringer! Sogar incl. Ladegerät! Was zugegebenermaßen allerdings noch On Top kommt, ist ein entsprechend großer Puffer-Akku, aus dem auf dem Flugplatz der Flug-Akku nachgeladen wird. Außerdem ist ein leistungsstarkes Netzteil ratsam, an das der Lader angeschlossen werden kann, um zu Hause den Puffer-Akku zu laden.

Rechnet man jedoch die Spritkosten der Verbrenner-Variante gegen die Akku-Verschleißkosten + Puffer-Akku und Netzteil, sind selbst diese Kosten – je nach jährlicher Fluganzahl – schnell wieder hereingeflogen. Die Ersatzteilkosten bzw. der Verschleiß für den Stern wurden hier nicht einbezogen.

Lahm

Auf dem Prüfstand wurden für den Moki S250 trotz Tuningmaßnahmen max. 7kW / 12kW unter guten Kühlbedingungen mit recht genauer computerunterstützter Messtechnik ermittelt. Wie üblich stehen in den technischen Daten des Herstellers deutlich optimistischere Werte.

Zugegeben: Füttert man den Sternmotor mit rund einem Liter Stihl Motomix, kann man damit 15min Vollgas fliegen! Solche Piloten gibt’s. Doch gibt’s wenige Mokis, die diese Gangart länger als 20 Flüge beherschen.

In unserer elektrischen Seafury haben wir über die Messtechnik, die schon im Controller „umsonst“ mitgeliefert wird, folgendes gemessen:

elektrischer Motorpower: 9 kW

kurzzeitige Spitzenleistung: 12 kW

Flugzeit: 9 min

bei großräumigen Warbird-Flugstil mit doch einigen Vollpower-Loopings und -Durchflügen und rund 70% Akku-Kapazitätsausnutzung (11 Ah von 16 Ah Nennkapazität)

Noch sind wir nicht gleichzeitig mit Moki S250-Warbirds in der Luft gewesen, aber wir wagen zu behaupten, dass wir bei einem Looping mit 200m Höhe oben nur geringfügig langsamer herumkommen, als wir unten eingeflogen sind. Wir sind gespannt, welcher Moki hier mitkommt.

Last but not least: Der Sound!

Ja, der Sound fehlt! Der Elektroantrieb mit Planetengetriebe und 3000 1/min schnell drehendem Propeller hat nichts mit dem Original gemeinsam. Auch fehlt ein Teil des niederfrequenten dumpfen Dröhnens des 2000 1/min drehenden Propellers des SP-250-X-Antriebs. Hier ist mehr ein konstantes Rauschen kombiniert mit einem leicht singenden Klang vergleichbar dem eines Turboladers zu hören.

Doch halt, es gibt ja Soundmodule!

Und da ein 25 kg-Flieger kein Parkflyer ist, gibt es auch problemlos Platz und Tragfähigkeit, um entsprechend tiefe und laute Motorgeräusche zu erzeugen. Nebenher sei erwähnt, dass diese vom Original aufgenommen sind und daher mindestens so authentisch sind wie der beste Modell-Viertakter!

Lautsprecher? Fehlanzeige! Schallwandler missbrauchen den geräumigen Rumpf und bei Bedarf die Tragflächen als Bass-Resonanzkörper und strahlen ordentlich Sound ab!

Natürlich ist es nicht möglich, wie beim Verbrenner mehrere Kilowatt an Lärm zu erzeugen, aber aufgrund der reichlich verfügbaren elektrischen Leistung direkt aus einem Teil der Antriebs-Akkus lassen sich schon beeindruckende Dezibel produzieren.

Beim Probelauf hinter dem Haus darf man sicher sein, dass auch der übernächste Nachbar den Kopf reckt, wenn er in den Genuss eines kultivierten Motorklangs kommt. Und das sollte im Flug auch ausreichen.

Ein grundlegender Punkt und unseres Erachtens der gravierendste Vorteil des Elektroantriebs wurde noch gar nicht erwähnt:

Die Zuverlässigkeit

Der Antriebseinheit ist es im Gegensatz zum Verbrennungmotor praktisch gleichgültig, ob die Luftfeuchtigkeit heute höher ist als gestern, ob es warm, kalt oder sonst was ist. Ob die Ventile ordentlich geschmiert sind, ob Zylinder oder Vergaser überhitzen, der Flieger nach unten, nach oben, auf dem Rücken, im Trudeln ist, der Tank halb oder ganz voll ist, alle Zündkerzen sauber funken und vieles mehr. Die Leistung liegt einfach am Knüppel an, falls man nicht einen lehren Akku eingeschoben hat 😉

Natürlich kann es auch beim elektrischen Antriebsstrang einen spontanen Ausfall geben, der sich nicht ankündigt und der von einer Sekunde zur anderen den Flieger in den Acker zwingt.

Hier hängt sehr viel von der ursprünglichen Aufmerksamkeit ab, die man dem Antrieb beim Auslegen und Einbauen gewidmet hat. Insbesondere das Kühlkonzept sei hier erwähnt.

Auch gibt es ein paar mechanische Problemzonen wie Anschraubungen von Propeller und Kabelschuhen, Stecker für Leistung und Ansteuerung, Fixierung des Akkus und des Antriebs selbst.

Aber – ganz großes ABER:

Der Elektroantrieb läuft um Welten schwingungsärmer, was der kompletten Flugzeugstruktur in hohem Maße zu einem massiven Zuverlässigkeitsgewinn verhilft: Abgerüttelte Anlenkungen, sämtliche mechanische Verbindungen wie Ruderscharniere, Schubstangen, Seilzüge, die Servos selbst und nicht zuletzt der komplette Einbau der elektronischen Komponenten incl. deren inneren Vibrationsbelastung.

Und der Elektroantrieb lässt sich sehr viel besser in der Drehzahl steuern: Ein zu hohes oder unruhiges Standgas kann nicht den Landeanflug im entscheidenden Moment vermasseln. Ein Absteller in der Landekurve nicht die unvermeidbare Außenlandung einfordern – ebenso wenig wie ein Überhitzungsversager in der heißen Startphase eine Bruchlandung im Nirgendwo zur Folge hat.

Elektrofliegen ist was für Anfänger

Für Leute, die keine Männer sind und mit einem kernigen Verbrenner nicht klar kommen! Für Luschen und Weicheier!

Der Elektro-Pilot hat nur ein verschmitztes Lächeln im Gesicht und wartet in Ruhe ab, bis Mr. Hardcore sich Richtung Maisfeld aufmacht, um die Überreste seiner Maschine zu orten, die dort irgendwo verstreut liegen müssen. Nur weil einer dieser Kugelköpfe seine Kugel verloren hat. Sowas KANN doch gar nicht sein!!!

Eben weil Flieger dieser Größe nicht aus knautschigem Schaumstoff sind, ist ein einziger Crash, der durch mehr Zuverlässigkeit vermieden wird, einige Karat Gold wert!

Vom Risiko für die Anwesenden und der vorgezogenen Bausaison ganz zu schweigen. Wir möchten behaupten, es gibt keinen Verbrennerflieger, der nicht ähnliches zu berichten weiß.

Zunächst zum Einbaukonzept

Nachdem bei der Verbrennervariante das meiste Gewicht im 5-Zylinder selbst liegt und dieser relativ weit vor dem Schwerpunkt aufgehängt ist, muss der Tank praktisch im Schwerpunkt liegen. Das passt hierbei ja auch hervorragend, da somit der Schwerpunkt unabhängig von der aktuellen Spritmenge konstant bleibt.

Akkuzugang durch Klappe in der Cowling
Cowling problemlos nach vorne abnehmbar

Der Elektroantrieb hat insgesamt das gleiche Gewicht, der weit vorne liegende Motor ist jedoch deutlich leichter als der Sternmotor. Dies ermöglicht es, die Akkus und den Controller ebenfalls vor dem Kopfspant des Rumpfes zu platzieren. Der magische Vorteil ist, dass für den Zugang und Wechsel des Akkus keine zusätzlichen Rumpfausschnitte benötigt werden, sondern ein einfacher Deckel in der Cowling ausreichend ist, der die Rumpfstruktur nicht schwächt.

Somit können alle Komponenten des Kraftpakets im Motorträger integriert werden. Mit 5 Schrauben wird die Einheit direkt am Rumpfspant mittels Einschlagmuttern angeschraubt.

Kompletter Antrieb mit Akkubox, Motorträger und Getriebeantrieb

Es wird nur das Controllerkabel am Empfänger angesteckt und das war’s! Das heißt, dass sowohl bei einem Flugzeugneubau als auch -Umbau die Arbeiten an der Zelle äußerst gering sind, um den Elektroantrieb zu integrieren!

Aufbau des Motorträger-Kits

CAD-Modell der Antriebseinheit

Die komplette Struktur vor dem Rumpf-Kopfspant wurde per CAD konstruiert und in Sperrholz-Steckbauweise ausgelegt. Hochbelastete Partien (rot) wurden aus 4mm Flugzeugsperrholz gefräst, der Rest aus leichtem Pappelsperrholz (grün).

Selbstredend wurde gleich Motorsturz und -Seitenzug vorgesehen und alle Komponenten wie Akkus, Controller, Getriebeantrieb und nicht zuletzt das Soundmodul wurden in mehreren Revisionen einzeichnet. Alles wurde so lange verrutscht und variiert, bis es final perfekt zusammengepasst hat.

Motorträger und Akkubox als 3D-Puzzle

Von Anfang an wurde besonderer Wert auf eine möglichst gute Kühlung aller Komponenten gelegt. Trotz recht guter Wirkungsgrade entsteht bei 9 kW elektrischer Leistung doch eine nennenswerte Abwärme, die nicht einfach unkoordiniert irgendwohin ihren Weg suchen soll.

Stecker Akku zu Regler leicht zugänglich
Akku durch Entrieglen herausnehmbar

Zudem sollte die Akku-Entnahme sehr einfach und praktikabel gehalten sein. Im Ergebnis ist eine 3D-Struktur entstanden, die allen Anforderungen gerecht wird.

Motor, Akku-Pack und Controller werden jeweils getrennt mit zwangsgeführter frischer Kühlluft durchströmt und übertragen nicht ihre Wärme auf die anderen Komponenten.

Schnittmodell mit Lüftungskanälen für Motor und Regler

Die Luft, die zwischen Spinner und Cowling einströmt, wird vom vorderen runden Schott-Spant aufgestaut. Dieser Spant hat von vorne die Rippen des 18-Zylinder Doppelsterns als Attrappe eingefräst.

Der Motor selbst wird umspült, seitlich separat wird der Regler gekühlt und unter der Einheit wird der Akku von unten nach oben durchgeblasen.

Die Abluft wird noch vor dem Rumpfspant an den Seiten im Bereich der Auspuffbänke abgeblasen.

Auch bei hohen Außentemperaturen funktioniert die Kühlung des System einwandfrei.

Der Akkupack sitzt in einer luftdurchlässigen Sperrholzbox, die oben ein Riegelsystem enthält und so alles formschlüssig und sicher einrastend im Akkuschacht hält.

Zum Laden und Transport wird der ganze Doppelblock von 2x 7S 16.000er Lipo einfach entnommen.

Selbstverständlich wurde der Hauptstecker für den Kontroller fest integriert, so dass sein am Regler angebrachtes Gegenstück einfach aufgesteckt und abgezogen werden kann.

Die beiden 7-Zeller werden über einen Verbindungsstecker mit Blitzschutz verbunden. Dieser Stecker dient gleichzeitig zum Schließen des Stromkreises und schaltet somit den Antrieb scharf. Ein entnehmbares Isolierstück sorgt dafür, dass die Einzelstecker im ungesteckten Zustand keine Dummheiten machen.

Akku-Box 2x 7S LiPo
Riegelsystem zum Einrasten des Akkupacks
Akkupack wird in den Schacht geschoben
und formschlüssig verriegelt

Fortsetzung folgt in Kürze 😉 Wir sind gerade dran. Es werden noch technische Daten und ein Gewichtsvergleich aufbereitet und hier eingefügt. Bitte schauen Sie einfach in den nächsten Tagen wieder vorbei. Danke!