Redukujeme otáčky z vystupující primární hřídele, která je přišroubována na klikovou hřídel motoru, jenž má obvykle příliš vysoké otáčky – na sekundární řemenici, ke které je přišroubován vrtulový náboj s vrtulí s nižšími otáčkami. Pokud vydělíme počet zubů nebo obvody obou řemenic, dostaneme redukční poměr.
Asi první otázka, na kterou bychom si měli odpovědět, bude: pro jaký účel stavíme motor a na jaký režim letu se zaměříme?
Někdo bude chtít ekonomiku a životnost. Někdo jiný zase krátký vzlet a maximální stoupavost. Každý může zvolit jinou úpravu řídící jednotky (ŘJ), s kterou se mění i výkon motoru – obvykle se tomu říká slangově „přečipování“ ŘJ.
Takové „přečipování“ v Německu a ve Švédsku nabízí profesionální společnosti, které se zabývají kvalitními úpravami různých výkonů a následným zkoušením motoru 1,2 TSI po přečipování.
Dále, jaké máme požadavky na reduktor? Vhodný převodový poměr, který nám umožní při vzletu z krátkých ploch z motoru dostat maximum a zároveň bude provoz alespoň trochu úsporný. Ekonomiku letu pak částečně doladíme za letu stavitelnou vrtulí.
Nebo naopak máme dostatečně dlouhé letiště a nepotřebujeme využívat plný výkon motoru, potřebujeme však dostatečnou rychlost a ekonomiku letu? Pak zvolíme redukční poměr dle toho a podle uvažované úpravy „přečipování“ ŘJ. Pak by mohla stačit i jednoduchá dvoulistá dřevěná vrtule.
Možná byste chtěli od všeho trochu – i to je možné. Najděte si svou výkonovou křivku, svého úpravce motorů, porovnejte s krouticím momentem, zahrňte spotřebu a zauvažujte, do jakého letadla to dáte. Postavíte si jednoduše reduktor pro své potřeby. Nejspíš na doladění použijete na zemi stavitelnou vrtuli.
Rozebraný reduktor, víko reduktoru se sekundárním hřídelem, Rotax 912 ULS
Co požadujeme od reduktoru?
- Správný redukční poměr reduktoru pro „naši“ aplikaci.
- Minimální váhu reduktoru.
- Přenos potřebného výkonu od standardu 105 HP / 175 Nm přes motorizaci 120 HP / 220 Nm až do špičkové úpravy 140 HP / 250 Nm. Jakou úpravu ŘJ si zvolíte, je jen na vás. Výkonnější úprava stojí kolem šesti až patnácti tisíc.
- Dostatečnou tuhost a odolnost konstrukce proti vzniku trhlin a únavě, samozřejmě – čím výkonnější motorizace, tím tužší a těžší je reduktor.
- Vhodná osová vzdálenost, která nám umožní využít co největší vrtuli. Samozřejmě s největším průměrem vrtule dostáváme nejvyšší účinnost vrtule a tím i celého zařízení. Vrtule je velmi podstatnou součástí celku!
- Dostatečná životnost řemenového reduktoru – zpravidla záleží na šířce řemene, počtu řemenů, průměru primárního kola, zvolených ložiscích atd.
- Hlučnost – volíme raději šikmé ozubení na řemenu nebo ozubeném kole, nebo oddělené řemeny kroužky pro snadný únik vzduchu z nabíhajících zubů řemene do drážek řemenice.
Ideální reduktor by byl reduktor s šikmými ozubenými koly, ten však s sebou nese dodatečné konstrukční „komplikace“ v dělení kol, axiálních ložiscích, přesnosti výroby a sestavy a převodové skříně – a tedy zákonitě mírně vyšší váhu a vysokou cenu. Takový reduktor by byl tichoučký, bez rázů, s minimálním vydíráním oproti tomu, co předvádí R912 s reduktorem s přímými koly. Taky jste se podivovali tomu, když jste začali používat nový R912, jaké zvuky slyšíte, když ho vypínáte nebo hrubě přidáváte plyn? Musím se přiznat, že ani po těch letech užívání jsem si na ty zvuky nezvykl.
Nyní si řekneme, proč není úplně vhodné použití reduktoru s ozubenými koly u našeho motoru. Motor 1,2 TSI je řadový oproti Rotaxu řady 912, 914, UL350, Jabiru 3300, které jsou všechny v uspořádání „boxer“. Z toho vyplývá jemnější chod u našeho motoru (mimo Jabiru 3300 – což je šestiválec), ale také – a to je podstatné – méně výhodné zástavbové podmínky pro reduktor s ozubenými koly.
Rotax 912 ULS se sejmutým reduktorem při zjišťování „házivosti“ hřídele
Jde nám o to, abychom mohli reduktor s ozubenými koly napasovat na motor a zároveň, abychom si nepřidělali více práce, než je nezbytně nutné.
V motorové hlavě 1,2 TSI cca 250 mm nad „klikovkou“ je vývod na chladicí kapalinu, který potřebujeme zachovat. Proto reduktor umístěný svisle nepůjde snadno realizovat, respektive půjde za cenu malého primárního ozubeného kola, abychom zachovali vývod chladicí kapaliny z hlavy válce. To však přináší další problémy ve formě malého poloměru, nízké životnosti primárního ozubeného kola a nízko položeného vrtulového hřídele – tím pádem nemožnosti využít patřičný diametr vrtule.
Možná by jednou z možností bylo provozovat motor jako nakloněný nebo invertní se suchou skříní. Tím by se vyřešil vývod chladicí kapaliny. Je ale otázka, zda by to bylo konstrukčně schůdné a zda by komplikace nepřevýšily výhodu popsaného reduktoru. Takové řešení bych nechal na firmu se solidním zázemím.
Protože jsme si v pátém bodě požadavků na reduktor vysvětlili potřebu větší osové vzdálenosti primárního/klikového hřídele a sekundárního/vrtulového náboje kvůli vrtuli, vývodu chlazení atp., nabízí se tato možná konstrukční řešení reduktorů:
- Reduktor s dalšími vloženými ozubenými koly
Výhody: reduktor může být do zatáčky, může mít stejný smysl otáčení, bude mít nejnižší převodové ztráty.
Nevýhody: vysoká hmotnost, komplikované mazání, vysoká výrobní přesnost a tím i cena, potřebuje utěsněnou skříň. V domácích podmínkách obtížně realizovatelné. - Řetězový převod
Výhody: bude lehčí než reduktor s vloženými ozubenými koly, může mít v sobě utěsněný vývod na chladicí kapalinu.
Nevýhody: myslím, že bude špatně realizovatelný pro dostupné materiály řetězů, otáčky a síly, které na něj působí, a nutnost skříně a olejové lázně, popřípadě tlakového mazání. Zatím to vypadá na hudbu budoucnosti nebo silný konstrukční tým, podpořený tučným kontem. Dál se mu tedy věnovat nebudeme. - Reduktor s klínovými řemeny
Výhody: úžasně jednoduchá a levná konstrukce, kterou zvládne každý. Má funkci „prokluzové spojky“ – bez navýšení hmotnosti řemeny „proklouznou“ v řemenicích. Takže pokud si hrábnete s vrtulí do země nebo dojde k havárce, tak máte šanci, že nebude poškozena kliková hřídel. Možno vyvést jejím středem koleno s chladicí kapalinou.
Nevýhody: nutno dimenzovat ložiska na vysoké radiální zatížení, protože jsou díky třecímu přenosu sil řemene v řemenici (tedy nutnosti napínání takového převodu a záběru řemene) silně namáhaná, což v konečném důsledku při špatné konstrukci může lámat klikovou hřídel. Reduktor může při požadavku maximálního výkonu proklouznout, není-li dostatečně dimenzován a předepnut. Řemenice budou široké pro umístění několika řemenů vedle sebe a tím i relativně těžší. Další nevýhodou je ztráta výkonu v třecím převodu.
- Reduktor s lineárními (ozubenými) řemeny:
Výhody: přesný přenos sil, žádný prokluz, minimální síly v ložiscích (tím i nižší návrhová hmotnost použitých ložisek). Možno vyvést středem reduktoru koleno s chladicí kapalinou. Je možné přenášet i několikanásobně větší výkony než u klínových řemenů, nebo snížit šířku řemenic, a tím ušetřit váhu. Některé typy lineárních řemenů dokáží přenést i daleko větší zatížení např. polychain carbon od firmy Gates. Některé řemeny jako třeba Goodyear mají šikmé zuby – tím snižují hlučnost, nemají však schopnost přenosu takových sil.
Nevýhody: dražší konstrukce, nutno přesně obrábět řemenice nebo zakoupit polotovary, a ty upravit a nalisovat na duralové středy. Řemeny jsou také poměrně drahé, cena okolo 4 000 – 8 000 Kč. Vyšší „pískavá“ hlučnost řemenu při vysokých otáčkách – pokud není řemen dělen a nejsou vloženy nabíhací mezikroužky, jak bylo popisováno v požadavcích v bodě 7.
Porovnáním výše uvedených možností redukce bych se jednoznačně přiklonil k moderním lineárním řemenům. Zdůrazňuji moderním, protože se starými gumovými „HTDčkovými“ řemeny, jak je znáte z rozvodů ventilů, nemají snad kromě vizuální podobnosti z protějšího chodníku nic společného. Popisovat rozdíly je nad rámec tohoto článku.
Nuže, máme tedy vybrán typ reduktoru, jak budeme pokračovat dále?
Zvolíme si předběžnou osovou vzdálenost mezi primární řemenicí – vývodem z klikového hřídele a sekundární řemenicí – tedy tam, kde bychom si představovali vývod vrtulového náboje. Předběžnou proto, že bude ještě korigována výpočtem – to závisí na normalizovaných délkách plochých řemenů, na průměrech jednotlivých řemenic a na průměru excentru, který předepne celý řemenový převod, a dalších drobnostech.
Vezmeme si k ruce graf výkonu a krouticího momentu vámi zvolené úpravy ŘJ a zjistíme maximální otáčky a průběh výkonu s krouticím momentem. Z toho dovodíme, kde je největší krouticí moment, a v jeho blízkosti by bylo dobré uvažovat ekonomický režim letu. Tam, kde je vrchol křivky výkonu, bychom mohli uvažovat maximální vzletový výkon. Záměrně píšu v blízkosti, protože každému typu letounu a majiteli to bude vyhovovat jinak.
Ideální by bylo počítat s nejvyšší možnou reálně dosažitelnou úpravou, což pro náš motor 1,2 TSI je 140 HP / 6 200 RPM a něco kolem 250 Nm při 3 100 RPM. Takto dimenzovaný převod bude ale kapátko masivnější a těžší.
Graf výkonu 1,2 TSI - modré křivky před úpravou, červené po úpravě. Spodní křivky jsou výkonové, horní vyjadřují krouticí moment, vše v závislosti na otáčkách motoru (kliknout pro zvětšení)
Další důležitá věc je, kam bude možné posunut omezovač otáček, nebo zda zůstane na své původní hodnotě. Nikdy se v provozu na plném výkonu nesmíme dostat k této hranici omezovače otáček! Pokud se tak stane, ŘJ náhle a prudce sníží výkon a dochází k pulzování otáček a výkonu, což s sebou nese možnost popraskání nebo destrukce reduktoru!
Když jsem před třemi lety létal vstřikovaný motor Škoda/VW 1,4 (16 V, 105 HP) s řídicí jednotkou, měl jsem špatně dotaženou objímku na jedné z podtlakových hadic, vstupující pod regulační klapku přípusti v sání motoru. Ta hadice náhle vypadla a motor ve vzletové konfiguraci pulzoval někde mezi 6 200 otáčkami a 4 500 RPM. Hodně mě to nízko nad zemí vylekalo! Naštěstí, po stažení plynu pod 4 200 RPM bylo možné držet kladnou nulu nebo jemně stoupat a dolétnout. Tuto epizodu vám popisuji, aby se i méně pozorný čtenář mohl vyvarovat překročení otáček přes hodnotu omezovače. Každá nová věc s sebou nese jistá rizika a ty je dobré znát a předcházet jim.
Správná volba vrtule je půl úspěchu!
Redukční poměr. Je potřeba si uvědomit, že výroba řemenic na zakázku v jedné z několika specializovaných firem bude stát kolem 8-12 tisíc. Případná úprava standardních řemenic na nějaké vaše polotovary bude levnější, ale také bude něco stát, proto pečlivě dumejte, jaký redukční (převodový) poměr zvolit. O to důsledněji uvažujte, použijete-li pouze pevnou vrtuli. Podle toho vám bude také letadlo létat! Ne každý bude mít na dodatečnou montáž za letu stavitelné vrtule, kde se cena pohybuje od 60 tisíc výše, nebo na zaplacení výměny řemenic.
Pro volbu redukčního poměru musíme vycházet ze znalostí o vrtulích, případně o vrtuli, kterou hodláme zavěsit a provozovat. Je třeba znovu zdůraznit, že výkonný motor nebude plně využit, pokud nevyužijeme veškerý výkon a nepřeneseme ho do vzduchu. O tom jsme si podrobně povídali v první článku série - Vyrábíme letecký motor: 1. Současný trh s leteckými motory.
Také popřemýšlejte, kam ten motor zavěsíte. Jestli na ostruhové letadlo, můžete využít průměru vrtule třeba až 2 200 mm (podle typu a výšky podvozku), pokud na příďový podvozek, tak díky velké osové vzdálenosti se můžete dostat až na pěkných 1 900 mm, tedy diametr, který má třílistá až pětilistá šavlovitá na zemi stavitelná kompozitová vrtule s ocelovými břity na náběžné hraně (Kievprop 293, www.kievprop.com). Musím se přiznat, že je mi líto, že tu mluvím o cizích výrobcích, ale podobný produkt české firmy prostě nevyrábí. Vrtule by dle předpisu měla být minimálně 170 mm nad zemí, při plně zatíženém letadle, při plně stlačeném tlumiči či pružině a prasklým či plně vypuštěným příďovým kolem.
Vrtule je velmi, velmi důležitá! Pokud v této fázi nevíte, jakou použít, nebo se vám změní podmínky využití motoru, nezoufejte. Pan Wollner z Miroslavi (http://www. wollnerpropeller.cz) umí udělat dřevěnou dvoulistou vrtuli dle vašeho přání, na požadovaný výkon i otáčky, podle toho, jak byste si letadlo přáli provozovat. Dokonce je i levnější oproti jiným výrobcům. Ale pozor! Taková pěkná dřevěná vrtule s velkým průměrem má svá specifika a rozhodně vyžaduje zkušeného pilota. Co se může stát, jsem popsal v jiném svém článku - Jak mi vrtule nedovolila vylétnout ze zatáčky…
Já osobně bych zvolil pro začátek nějakou lehkou kompozitovou třílistou na zemi stavitelnou vrtuli s velkým průměrem přes 1 740 mm, třeba Kievprop nebo Ivoprop, které dokážou přenést potřebný výkon. Pro výkonovou verzi pro STOL letoun bych se vyhnul vrtulím, jež jsou omezeny otáčkami do 2 600 RPM, neboť právě nad danou hranicí se efektivněji dostaneme k výkonu. Samozřejmě, všechny vrtule mají svá konstrukční omezení, kolem rychlosti M 0,73 dochází k utrhávání proudnic, vznikají rázy, vrtule ztrácí účinnost a nepěkně řvou, nehledě k možné destrukci vrtule. Konec konců, budete-li provokovat místní s příliš hlučnou vrtulí, jistě vám osladí už tak nelehký život aviatika.
Máme tedy vrtuli, její průměr, maximální výkon, pro který ji je možno použít, jsme si jistí, že dle výše uvedeného předpisu bude mít minimálně 170 mm nad zemí a známe její nepřekročitelné otáčky. Řekněme 2 700 RPM / 130 HP v případě třílisté 1 900mm Kievprop.
Víme, že náš motor má omezovač na 6 500 RPM (může být nastaven jinak, dle softwaru v ŘJ) a nejvyšší výkon při 5 500 RPM. Zkušenost říká, že motor na zemi točí dle hustoty vzduchu asi o 300 RPM méně než při rozletu. Nastavíme si tedy maximální hodnotu otáček na zemi 6 500 bez 300, což je 6 200 RPM – to jsou ony otáčky s maximálním výkonem. Pro jistotu z nich odečteme ještě asi 70 RPM kvůli změnám tlaků a teplot okolního prostředí.
Nemělo by se tedy stát, že překročíme maximální otáčky motoru ani při rozletu v létě na stoupací rychlosti před přechodovým obloukem. Znovu zdůrazňuji – pulzování výkonu při zapnutém omezovači může reduktor i vrtuli poškodit! Maximální povolené provozní otáčky tedy jsou 6 430 za letu při rozletu a 6 150 RPM na zemi.
Pokud jsou maximální otáčky uvažované vrtule (Kievprop) 2 700 RPM a maximální otáčky motoru na zemi 6 150 RPM, tak je výpočtový redukční poměr 1 : 2,27. Takto bychom redukční poměr navrhli v případě, že máte dům na konci vesnice a za ním svou louku – zde potřebujete maximální výkon a maximální stoupavost, nebo spíše maximální úhel stoupání, abyste přelétli ty stromy na konci louky – pak je vhodné křídlo doplnit ještě turbulátory, popřípadě slotem, pokud to jde, nejlépe na celém rozpětí křídla. Zvýší se vám sice odpor a spotřeba, ale budete moct stoupat na daleko větším úhlu náběhu. Touto cestou bych chtěl jít já, konec konců s dobrým podvozkem přistanete a vzlétnete téměř všude.
Vstřikovaný Motor VW 1,4 s příhradovým reduktorem a převodem s lineárním řemenem ještě bez startéru, motorové lože uchycuje motor do třech silentbloků
Jenže každý nepotřebuje, nebo nechce stoupání jak ve výtahu… Ano samozřejmě! Ti, kteří chtějí létat ekonomicky, zvolí jiný postup. A tady je potřeba spíše než z výpočtů vycházet ze zkušeností se svým letadlem.
Zjistěte, při které motorizaci (záleží na úrovni načipování ŘJ) je krouticí výkon motoru nejvyšší – např. u motorizace 140 HP / 250 Nm je to 3 150 RPM a na těchto otáčkách motoru byste chtěli mít svou ekonomickou rychlost kolem, řekněme, 160-170 km/h. V oblasti nejvyššího krouticího momentu budete mít nejnižší spotřebu. Ovšem budete muset mít přizpůsoben redukční poměr reduktoru.
Vycházím-li ze zkušenosti s Yetti J-03 a Tecnamem P2002 Sierra, pak snad mohu interpolovat. Oba letouny jsou řádově odlišné, ale oba mají R 912 (100 HP) a za letu stavitelnou vrtuli o poloměru 1 740 mm. Letouny ve dvojím – plně zatížené při otáčkách motoru kolem 4 300 – létají 115 až 145 km/h. Každé letadlo má jiný odpor. Při redukčním poměru 2,42, který má R 912 S a ULS u obou mých školních letadel, to dává (4 300 / 2,42) 1 777 otáček na vrtuli.
Řekněme, že optimální ekonomická cestovní rychlost vašeho „průměrného“ letadla (Alto nebo Eurostar) s 1,2 TSI bude při 160-170 km a 3 150 RPM na klikovce a 1 800 RPM na vrtuli. Redukční poměr pak bude (3 150 / 1 800) 1,75. Spotřeba by měla být někde kolem neskutečných 7 l/ h. Je to ale jen můj odhad! Mimochodem, kdyby někdo našel křivku spotřeby k motoru 1,2 TSI 105 HP a dal odkaz do diskuze, byl bych rád. Já jsem měrnou spotřebu nikde na internetu nenašel.
Redukční poměr 1 : 1,75 neumožní využít plný výkon motoru, abyste nepřekročili maximální otáčky vrtule, které jsou u běžné vrtule obvykle kolem 2 750 RPM. Váš motor při vzletu s použitým redukčním poměrem 1,75 pak nesmí točit více než 4 812 RPM, což zajistíte dostatečně hrubou vrtulí nebo „nahrubením“ na zemi stavitelné vrtule. Při použití grafu pro úpravu 140 HP / 250 Nm dává úctyhodných 135 HP a 196 Nm!
To by se vlastně vyplatilo dělat ekonomickou úpravu u maximální motorizace skoro všem.
Za letu stavitelná vrtule Woodcomp SR 2000 (pozor, její cena se zvyšuje nutností dodržovat bulletin a výměnu všech listů po výrobcem určených měsících do GO bez ohledu na nálet!)
Asi by bylo dobré dodat, že každé letadlo létá trochu jinak. Proto zkuste s kolegy, kteří mají stejný typ letadla, podumat právě nad vhodným redukčním poměrem a osovou vzdáleností z hlediska zkušeností z provozu a rychlostí toho či onoho letadla a použitelné vrtule a jejího průměru. Vždy uvažujte společně odpor letounu, výkon motoru, použitou vrtuli a využití letounu.
Na konci všeho vezměte hodnoty, které vám vyšly pro vaše letadlo. Váš navržený redukční poměr, požadovanou osovou vzdálenost, požadovaný přenos výkonu a maximální krouticí moment (dle zvolené motorizace – přečipování), požadovanou životnost řemenu (cca 1 000 – 5 000 hodin) a požadovaný součinitel bezpečnosti (doporučuji 1,5) a pošlete údaje do specializované firmy, např. Tyma, Habekorn, T. E. A. technik, Uzimex atp. Tam vám udělají výpočet a návrh a po odsouhlasení si necháte vyrobit obě řemenice. Prodají vám také řemeny nebo polotovary řemenic. Potom si dle návodu, který bude následovat v dalším článku, sestavíte svůj vlastní reduktor.
Pro zatvrzelé odpůrce reduktorů se nabízí ještě jedna možnost úpravy motoru 1,2 TSI. Použijete-li přečipování ŘJ na maximální výkon dle výše zobrazeného diagramu JDEngeneering a přes vhodný hřídel, axiální ložisko a ložiskový domeček dáte vrtuli na přímo, dostanete motor s „relativně“ nižším výkonem oproti R912S. Zato ale s daleko vyšším krouticím momentem až o 100 Nm – tedy pěkných 95 HP / 230 Nm při 2 800 RPM. Kdo čte pozorně tyto články, ví, proč „relativně“ – popis opět v prvním článku série. Budete se však muset smířit s menším diametrem vrtule kvůli nepřekročitelným otáčkám vrtule, závisejícím na průměru a tím i menší účinnosti celého kompletu.
Zbývá doplnit, že pro výhodný přenos výkonu by bylo vhodné nechat udělat nebo použít takovou vrtuli, která neroztočí motor více než na maximální povolené otáčky vrtule, což je někde kolem 2 700 – 2 850 RPM. Tím si ušetříte komplikace a váhu reduktoru. Životnost, spotřebu a váhu agregátu budete mít nejspíš nevídaně úžasnou. Účinnost však o dost menší.
 Letecká škola Vysočina - Filip ZejdaLetecká škola Vysočina provádí výcvik na ultralehkých letounech, přeškoluje piloty na ostruhový podvozek, vyučuje létání na lyžích a pořádá také trénink bush flyingu. Sídlíme na letišti Zbilidy na Vysočině. http://www.letecka-skola-vysocina.cz |
