Solch eine Situation haben schon viele erlebt: Die ersten Rollversuche mit neuem Modell und eigens dafür besorgter Luftschraube sollen erfolgen. Doch sobald der Motor auf Drehzahl kommt, hört man ein deutliches Brummen und der gesamte Flieger vibriert. Grund hierfür ist meist eine Unwucht – ein lös­bares Problem. Bevor man sich jedoch voller Tatendrang aufs Auswuchten stürzt, sollte man sich zunächst klar machen, was „Unwucht“ eigentlich bedeutet und wie sie zustande kommt.

Eine Unwucht entsteht, wenn bei einem rotierenden System Kräfte auftreten, die sich symmetrisch zur Rotationsachse nicht vollständig gegenseitig aufheben. Wichtigste Kraft ist dabei die Fliehkraft. Sie tritt immer dann auf, wenn eine Masse rotiert. Das kann man leicht mit einer kleinen Masse testen, die an einen reißfesten Faden gebunden und in Drehung versetzt wird. Was man nun am Faden spürt, ist die Fliehkraft „Ff“. Führt man diesen Versuch durch, so muss man den Faden gut fest alten, da ansonsten die Masse nach außen „flieht“ – daher der Name. Man muss also eine Haltekraft „Fh“ aufbringen, die genau so groß ist wie „Ff“, sich dieser aber entgegengesetzt richtet.

Analogie
Wiederholt man diesen Versuch nun aber mit zwei genau gleich großen Massen, die sich im selben Radius um den Mittelpunkt bewegen und über den Faden miteinander verbunden sind, so heben sich beide Fliehkräfte gegenseitig auf. Beide Kräfte sind gleich groß, aber entgegengesetzt. Eine Halte­­­kraft ist nicht mehr nötig, um die Massen auf ihrer Kreisbahn zu halten. Das System ist frei von Unwucht. Ebenso verhält es sich in einem System, das zwei unterschiedliche Massen besitzt, die sich dann allerdings in jeweils einem anderen Radius bewegen müssen.

Einen Unterschied in den Massen erzeugt eine Unwucht, wenn die Radien nicht auch entsprechend angepasst sind. Die Kräfte heben sich nicht mehr vollkommen auf und es bleibt eine – wenn auch kleine – Restkraft übrig. Diese kleine Kraft bewegt sich nun mit der Drehzahl der beiden Massen im Kreis und zieht die Drehachse je Umlauf mal zur einen und dann zur anderen Seite. Das System erfährt also eine wechselnde Anre­gung mit einer Frequenz, die der Drehzahl entspricht. Es beginnt zu schwingen. Das ist genau der Effekt, der bei Unwuchten von Luftschrauben das Modell so schön zum Brummen bringt.

Gute Lösung: Ein Propellerblatt ist mit dünnem Klebeband ausgewuchtet

Eine Luftschraube ist nun ein solches Rotations­system, das durch nicht vollkommen symmetrisch geformte Blätter oder eine Heterogenität der Mate­­­­­rialdichte beziehungsweise Fertigungstole­ranzen nicht ausgeglichene Fliehkräfte aufweisen kann und somit Schwingungen am Modell hervorruft. Natürlich ist eine beliebige Kombination aus allen Ursachen der Unwucht vorstellbar.

Gegenmaßnahmen
Um das Problem der Unwucht zu beseitigen, ist das Massen-Radien-Verhältnis beider Blätter aufeinander anzupassen. Unter keinen Umständen darf dabei die Struktur des Propellerblatts verletzt werden. Ein Kürzen, dünner Schleifen oder gar das Einbringen von Bohrungen – sei es im Blatt oder in der Nabe – verbietet sich strikt. Der Grund liegt in den hohen Belastungen, denen ein Pro­peller im Betrieb ausgesetzt ist.

Schlechte Lösung: Ein zwecks Auswuchtung mit einem dicken Klebeband versehenes Blatt

Üblicherweise liegen die Drehzahlen der Modellmotoren im Bereich von bis zu 12.000 Umdrehungen pro Minute. Die dabei auftretenden Fliehkräfte sind immens. Das bedeutet, dass die Struktur eines Propellerblatts einer sehr hohen mechanischen Belastung ausgesetzt ist. Durch bestimmte Flugmanöver kann es nun passieren, dass strömungsbedingt die Luftschraube unsymmetrisch belastet wird, sodass es während eines Umlaufs zu starken Lastwechseln am Propellerblatt kommt. Wurden im Zuge einer Verringerung der Blattmasse dem Propellerblatt kleine Beschä­digungen in Form von tiefen Kratzern, Kerben oder gar Bohrungen beigebracht, so können diese winzigen Schäden im Laufe der Zeit zu Ausgangspunkten von größeren Stressrissen werden. Die Folge ist, dass das Propellerblatt im schlimmsten Fall irgendwann unvermittelt abreißt. Aufgrund der hohen Drehzahlen bewegt sich ein Splitter nun tangential mit einer Geschwindigkeit von etwa 400 Kilometer pro Stunde durch die Luft. Es lässt sich anhand des Dreh­impuls-Erhaltungssatzes zeigen, dass wenn ein ­ganzes Blatt abreißt, es mit fast der gleichen Drehzahl, die der noch intakte Propeller hatte, um seinen Schwerpunkt rotiert.

Shuriken
Man hat es quasi mit einem rotierenden Wurfmesser zu tun. Das Verletzungspotenzial ist immens. Daher gilt es, Beschädigung des Propellers jedweder Art unter allen Um­­ständen zu vermeiden. Ebenso verbieten sich Eingriffe in den Außenbereichen des Propellers. Würde man beispielsweise versuchen, den Massenausgleich durch Kürzen des schwereren Blatts zu erzielen, verändert man die geometrische Symmetrie und damit die Aerodynamik des Propellers einseitig. Welche Folgen ein asymmetrisches aerodynamisches Verhalten hat, sehen wir später.

Asymmetrische aerodynamische Kräfte erzeugen ebenfalls eine Unwucht

Als einzig sinnvolle Maßnahme ist also zusätzliche Masse auf das leichtere Blatt aufzubringen. Leider ist selten ersichtlich, wo die Unterschiede der Blätter nun genau liegen, weil sich die Produktionstoleranzen oft über das ganze Blatt erstrecken. Daher ist das Mittel der Wahl, großflächig Masse in Form eines sehr dünnen Klebestreifens oder dünnflüssigen Klebstoffs beziehungsweise Lacks aufzutragen. Bei Modellen mit Verbren­nungs­motor ist selbstverständlich darauf zu achten, dass das aufgebrachte Material kraftstofffest ist.

In der Praxis findet man häufig Ausgleichs­massen in Form von schweren und dicken Klebebandstreifen am Propellerblatt. Aus Strömungsgründen ist davon dringend abzuraten. Man würde den Teufel mit dem Beelzebub austreiben. Wenn man die Strömung um ein Propellerblatt mit und ohne dicken Klebestreifen vergleicht, sieht man, dass die Strömung an der Vorderkante des Klebestreifens schlagartig turbulent wird. Beim ungestörten Blatt setzt die turbulente Strömung sehr viel später ein.

„Störodynamik“
Turbulente Strömungen erzeugen sehr viel mehr Widerstand als laminare. Das hat zur Folge, dass wiederum die Kraftverhältnisse am Propeller unsymmetrisch werden und somit erneut eine Unwucht auftritt. Diesmal nicht durch Fliehkräfte, sondern durch nun unterschiedliche aerodynamische Verhaltens­weisen beider Propellerblätter. Zudem gibt es durch das dicke Klebeband gerade bei modernen Propellern mit dünnen Profilen eine merkliche Veränderung der Auftriebs­ver­hältnisse, was das Problem weiter verschärft. Da diese Unterschiede in den Strömungsver­hältnissen nicht linear sind, kann man diesem Effekt nicht mit einer statischen Auswuchtung zu Leibe rücken.
Man wird also in der Praxis nur mit dünnem Klebeband oder Lack arbeiten und daher lediglich geringe Massenunterschiede ausgleichen können. Im Extremfall muss auf den Einsatz des Propellers verzichtet und dieser gegebenenfalls reklamiert werden. Es ist also darauf zu achten, dass das aufgebrachte Material nicht zu sehr aufträgt. Die Dicke sollte unter 0,05 bis 0,1 Millimeter liegen (maximal zwei Lagen Tesafilm).

Zentrierte Luftschrauben-Waage. Sie wird in der Regel mit geringem Druck zwischen Zeigefinger und Daumen gehalten

Auswiegen
Ohne weitere Hilfsmittel ist es sehr schwer vorherzusagen, wo welche zusätzliche Masse auf welchem der Blätter aufzubringen ist. Dies experimentell zu ermitteln ist mühevoll. Es gibt jedoch ein einfaches Hilfsmittel: die Propellerwaage. Man macht sich dabei eine weitere Eigenschaft der Masse zu Nutze und das ist ihr Gewicht. Wenn ein Propeller, der in seiner Nabe aufgehängt ist, in der Waage bleibt und nicht von selbst in eine Richtung ausschlägt, so ist er im Gleichgewicht und damit ausgewuchtet. Eine genauer Methode ist die axiale Lagerung, wie sie von vielen Herstellern fertig angeboten wird. Sie lässt sich mit einer Drehbank auch leicht selbst fertigen. Das Verhalten des Propellers bei der Auswuchtung ist bei solchen Systemen etwas anders. Da sich die Drehachse genau in der Schwerpunktlinie des Propellers befindet, wird eine mit Unwucht behaftete Luftschraube die Tendenz haben, sich senkrecht aufzustellen. Eine ausgewuchtete Schraube hingegen wird in jeder Stellung verharren, in die man sie zuvor bewegt hat. Diese Methode zeichnet sich durch eine höhere Empfindlichkeit aus. Beide Methoden können ohne Einschränkung auch bei höheren Blattzahlen angewendet werden.

Oben: Der Propeller ist in der Waage und damit ausgewuchtet

Unten: Der Propeller ist nicht in der Waage, das vordere Blatt braucht mehr Masse

Sollte der Propeller trotz des erfolgreichen Massen­ausgleichs immer noch Vibrationen hervorrufen, so muss davon ausgegangen werden, dass es kein Problem der ungleichen Massenverhältnisse ist, sondern durch Verzug oder produktionsbedingte Asymmetrien in der Auftriebsverteilung vorliegen. In diesem Fall muss von der Verwendung der Luftschraube abgesehen werden.