Smarta vingbalkar

[Bosse Jansson]

Hej,

Jag har funderat en del över vingbalkar.

Ofta, tycker jag, är vingbalkarna alldeles för "biffiga" i vissa byggsatser, och hos många ritningar, äldre eller nyare......

Självklart vill man inte att modellen skall "klappa händerna" i en tvär upptagning, men som den "viktväktare" jag är, kan jag inte komma undan känslan av att många balkar av "massiv furu" är "overkill"....att många balk/webbsystem skulle kunna göras lika starka, men lättare, genom att tänka till litet när det gäller materialkombinationer och materialval....

Utan att använda "exotiska" material har jag, i all enkelhet, testat en metod som faktiskt fungerat bra.

Viktbesparingen blev inte direkt revolutionerande, men det visar att man faktiskt kan klämma ner vingbelastningen genom att tänka litet längre än att bara "drämma dit en stock så att det håller"....

Genom att ersätta en vingbalk av 5x3 mm furu med en balk av 5x1 mm furu + 5x2 mm balsa, får jag en 5x3 mm balk som i kombination med webbar blir förvånansvärt stark, och den är faktiskt 33% lättare än furubalken.....

Inget stort steg för mänskligheten, men experimentet ger mersmak......

Limjigg för lamineringen

Så här blev resultatet.

Nu funderar jag på om man kan gå ännu längre, och hur....?

Jag vill inte förstöra det slutliga intrycket av träbygge, men jag kan tänka mig att på olika sätt "gömma" kolfiber och annat inuti konstruktionen, som helst skall vara en D-sektion i grunden.....

Här är det fritt fram att komma med förslag och tankar kring detta....!

[reparatörn]

Bosse,

Märkligt sammanträffande det här. Jag har börjat "peta i" en elkärra vid namn "Stahlwerk", det är en skalamodell efter en förebild av en tysk maskin från 20-talet tror jag. Visades som ritningsbilaga i Flying Scale Models i oktober år 2017. Ful som stryk, dessutom med parasollvinge, och därför gillar jag den. Den är tänkt att flygas med el. Jag gillar inte el, så det får bli en OS .10 FSR istället. Kruxet blir då vingen, den måste förstärkas. Vingbalken är tänkt att vara 4 mm tjockt balsaträ, 12.5 mm bred. Jag tänker ersätta den med en 10 mm bred balsalist, som är förstärkt på både ovan- och nedansidan med 3 mm furu. Jamen, då blir ju vingbalken mycket bredare då säger någon. Javisst, men jag måste även "Fläska på" med vingprofilen, den är för tunn som det är nu, och vingens framkant måste göras tjockare....men det SKA gå.

Riktigt Phula maskiner är ju ibland riktigt Phina också, därför kommer jag att knåpa ihop denna Stahlwerk.

[Bosse Jansson]

Jag tänker ersätta den med en 10 mm bred balsalist, som är förstärkt på både ovan- och nedansidan med 3 mm furu

Jag tror att du kommer undan med betydligt tunnare furu......
Men då måste jag förstås också fråga om vingen har en enda balk, eller om den har en över- och underbalk....?...det avgör saken.


Jag gjorde en test hemma i köket, med en 950 mm vinge som försetts med övererbalk av den typ som jag visade här ovan.
Underbalken var av samma dimension, men av hård balsa. Mellan balkarna satt webbar, ungefär halvvägs till vingspetsarna.
Jag lade vingen mellan ryggstöden på två stolar, med stödpunkterna ungefär 2/3 ut från vingcentrum.
Sedan hängde jag på vikter i centrum, och vid drygt 3 kg vikter hördes inte ett enda knak...!....och jag nöjde mig där...
Och det skall tilläggas att vingen då var oklädd...!
Med en modell på ca 375 gram motsvarar det ca 9G belastning.....och det tyckte jag var ganska imponerande....

Vingen ifråga - men här har den inte fått webbar än.
.

[reparatörn]

Bosse,

Jag tror också att jag klarar mig med mindre än 3 mm tjock furu, trots att det är enda vingbalken. MEN- nu hade jag några 3 mm furulister till hands, och eftersom jag är en lat dj-l ibland gör jag som Kajsa Warg.....tager vad jag haver.

[Bosse Jansson]

Ja, Kajsa Warg-faktorn får man ibland böja sig för.....
Som enkelbalk kommer den att bli väldigt stark, den saken är klar.

Blev tvungen att googla på "Stahlwerk".......den är väl inte så phul.... :-)

[Cox]

Bosse,
Den är tänkt att flygas med el. Jag gillar inte el, så det får bli en OS .10 FSR istället. Kruxet blir då vingen, den måste förstärkas. Vingbalken är tänkt att vara 4 mm tjockt balsaträ, 12.5 mm bred. Jag tänker ersätta den med en 10 mm bred balsalist, som är förstärkt på både ovan- och nedansidan med 3 mm furu. Jamen, då blir ju vingbalken mycket bredare då säger någon. Javisst, men jag måste även "Fläska på" med vingprofilen, den är för tunn som det är nu, och vingens framkant måste göras tjockare....men det SKA gå.

Tror inte att du behöver ändra någonting på vingen, krafterna i luften på vingen blir ju samma som med en el-motor i nosen...
Snarare är det så att planets total vikt blir lägre än för motsvarande eldrivet, så belastningarna på vingen vid flygning blir också lägre.

Just .10FSR tycker jag vibrerar en hel del. Det har gett mig lite problem när själva flygkroppen är klent byggd. Det skakar då rejält vid vissa vartal, och hela stjärtpartiet kan hamna i resonans. Jag har tex tappar höjroder verkan pågrund av detta, inte alls roligt...

Om du har en OS .10FP istället, så går det mycket mjukare. Ser ut att vara identisk vevaxel men aluminium-kolven i FPn väger ju mindre.

Så mitt råd är snarast att förstärka ordentligt kring brandväggen och bakåt genom kroppen, själva vingen har jag aldrig behövt ändra på. Man behöver tex kunna ta ett stadigt grepp i nosen med oljiga fingrar när man startar motorn etc.

Här är föresten en liten snutt med en OS .10FP, för de som gillar motorljud (motorn är lite rikt inställd för att vara lagom vid flygning);

[Gee_Bee]

Jag har gjort samma observation som Bosse, ofta är vingbalkarna klart överdimmensionerade, samtidigt som vingkoppel och skarvar kan vara underdimmensionerade.

En balk består av tre delar och den blir inte starkare än den svagaste länken.
- Övre fläns
- Undre fläns
- Balkliv

Övre flänsen utsätts för tryck (vid normal flygning)
Undre flänsen utsätts för drag (vid normal flygning)
Balklivet skall ta upp skjuvkraftena som uppstår mellan flänsarna

Det är lätt att tro att de är drag resp tryckkraft som är dimmensionerande för en balk, men på våra flygplan så är det oftast knäckning enl Eulers kncäkning #4 på den övre balken som är kritisk, se https://sv.wikipedia.org/wiki/Knäckning. Detta unviks enklast genom stöd mellan fläsarna, antingen som webbar eller med tätare spryglar. Minskar man på kncäkavståndet så kan man säkert snåla in på material i flänsarna med bibehållen styrka.

Vill man spara vikt utan att påverka styrkan så kan man börja med att göra vingbalkarna trapetsfromade, det finns ingen mening med att göra vingspetsarna lika starka som roten. Belastningen på spetsen är mer eller mindre obefintlig och det avtar hela vägen ut.

[Gee_Bee]

Det går givetvis att räkna med hur stora flänsarna skall vara. Kroppens vikt skall hänga i vingen, lyftkraftcentrum är ca 50% ut av spännvidden. Det ger ett moment över mitten på vingen, detta moment skall sedan översättas till vingbalken som sedan ger drag-/tryckkraft på flänsarna.

Jag gjorde ett liten räkneövning:
Flygplansvikt: 500g (varav kroppen väger 350g), det är bara kroppens vikt som belastar vingbalken
Spännvidd: 1m
Det ger ett böjmoment på mitten av vingen på 1,75Nm

Om vingprofilen är 15mm tjock så blir belastningen i resp fläns 466N

Balsa har en brottgräns på ca 5MPa => flänsarea på ca 100mm^2 eller en 10x10mm list (det blir svårt att få plats med två sådana lister på 15mm
Furu har en brottgräns på ca 50MPa => flänsarea på ca 10mm^2 eller en list på 3x3mm
Obs det finns ingen säkerhetsmarginal ovan, stor risk att vingarna går av vid looping etc.

Densitet på balsa är ca 0,15 g/cm^3 => en list på 10x10x1000mm väger ca 15g
Densitet på furu är ca 0,5 g/cm^3 => en list på 10x10x1000mm väger ca 5g
Det är alltså inte självklart att man kan ersätta furu med balsa och samtidigt bygga lite start till lägre vikt.

[Gee_Bee]

Räknar man på knäckning så blir resultatet helt annolunda. Med tväsnitten ovan och ett sprygelavstånd på 50mm så knäcks balsalisten vid ca 30ggr högre kraft än furulisten.

• Knäckkraften ökar med kuben på tvästnittsytan. Att gå ifrån 3x3 => 10x10 ökar knäckkraften 125gånger
• Knäckkraften ökar med inversen av kvadraten på sprygelavståndet att gå ifrån 50mm till 25mm mellan spryglarna ökar kraften med 4gånger.

[Gee_Bee]

Summering och recept för att bygga lätta starka vingbalkar

• Använd ett material med hög kvot brottgräns/densitet för vingbalkar, furu är mycket starkare än balsa per viktenhet.
• Klena furuslister knäcks lätt, behöver stöd.
• Se till att flänsarna i balken är tätt sammabundna. Bäst är ett balkliv med 45x45 graders vinkel, näst bäst är stående webbar, förtätning av spryglar hjälper lite.
• Smalna av listerna mot spetsen, webbar behövs kanske bara på inre 3/delen av vingen.

Bosses variant med tunn furu som stödjs av grövre balsa är inte så tokigt, den kan optimeras ännu mera genom att använda en smalare och högre balsalist och ställa den på högkant och sedan sätta webbar på den inre delen av vingen. Det blir lite lurigt att göra uttag i spryglen men det fixar man med en nålfil och lite tålamod.

Man kan bygga mycket lättare än vad den normala konstruktören ritat på ritningen, men det kräver lite egen insats i tänkandet och mera arbete vid byggandet.

[Gee_Bee]

Kort sista inlägg om laminat/sandwish. Det är lockande att använda kolfiber för att få bättre styrka, men det kan bli tokigt.
Kolfiber har signifikane högre E-modul än trä, det gör att i alla former av belastning så kommer det enbart bara kolfibern som tar upp lasten. Det innebär att allt trä i konstruktionen enbart är formgivande och inte lastbärande. Kan man bygga med kolfiber utan att kombinera med trä så kommer det bli lättare till samma styrka än att kombinera. Dock så måste man hantera att en tunn kolfiberlist kommer att knäckas oerhört lätt. Det är inte utan anledning som att man ofta ställer trä på högkant mellan kolfiberfläsnarna och sedan lindar aramidtråd i för att hålla ihopp allt. Det blir skitstarkt men också mycket tungre än en ren träkonstruktion för mindre flygplan.

[reparatörn]

Tänkvärda inlägg/kommentarer från både Cox och Gee_Bee. Cox har nog helt rätt i att den gamla OS .10 FSR skakar, jag tycker likadant. Jag vet inte om kolv/vevstake i en .10 FP väger mindre då jag inte kunnat kolla, men tror i detta fallet att Cox har helt rätt. Gick det att "fläska på" med motbalansen i vevaxelbröstet till en .10 FSR vore det en lösning, ellllllllerrr….så kan man minska på materialet vid sidan om tappen för vevstaken. Det har jag försökt med redan, men vet inte hur lyckat eller misslyckat det blev förrän motorn körs. Syftet var att avlägsna ett par gram, tar man bort för mycket blir det inte bra det heller.

Stahlwerk då- jag inhandlade en materialsats från publicisten, och första upptäckten var att vingspryglarna verkar bräckliga, och med en i mitt tycke för tunn vingprofil. Vass eller skarp vingframkant också. Kanske en overkill, men jag kommer att förstärka spryglarna lite extra, samtidigt som vingprofilen görs tjockare med några mm. Då bör även skevroderservona få plats i vingen. Jag är helt inställd på att kroppen behöver förstärkas också, men kommer att jobba med vingen först. Vingbalken blir en furu/balsa/furu historia, där jag kommer att slipa ner furulisterna till c:a 1,5 mm tjocklek. Finns ju bandslipar, så det borde gå.

En lite för mig ovanlig finess är att det ingår material för att bygga egna hjul. Gummilister ingår inte, men hjulen verkar överkomliga.

[reparatörn]

Har limmat ihop vingbalkarna (2 st) nu. Balsa 9 mm samt 3 mm furu, till en list 3/9/3. Den blev styv. MYCKET styv, nästan helt utan "fjong". Bosse hade helt rätt när han antydde att 3mm var för mycket. Kommer att slipa ner till max 1,5 mm, borde gå då en bandslip gör jobbet snabbt och elegant. Nåja, snabbt i alla fall. Man lär sig....

[Cox]

Ser ut som att planet är designat med fungerande vingstöttor?
Då behövs det nog inte särskilt mycket styrka i vingen självt, eller har du tänkt att inte ha några vingstöttor?

[reparatörn]

Jodå, vingstöttor blir det- men ganska bräckliga sådana då jag tycker de endast bör tjänstgöra som dekoration.

[Cox]

Ja, de kanske mest är dekorativa men om du bara flyger rättvänt (positiva g) så kan de kanse tåla en hel del. Om man läser igenom byggtexten så poängterar de att man skall använda hård balsa till vingbalken, eller helt enkelt ta ett starkare trämaterial (lind).

Är det denna som vi pratar om ? :