RC-Servos im Flugmodellbau richtig auswählen

Drehmoment, Stellgeschwindigkeit, Spannung, Motor, Getriebe, Gehäuse und Positionssensor richtig beurteilen

Ein RC-Servo gehört zu den sicherheitsrelevantesten Komponenten eines Flugmodells. Es setzt die Steuerbefehle des Empfängers in eine definierte mechanische Bewegung um und bewegt damit beispielsweise Querruder, Höhenruder, Seitenruder, Landeklappen, Störklappen oder Fahrwerksfunktionen.

Bei der Auswahl eines Servos reicht es jedoch nicht aus, lediglich auf eine möglichst hohe Angabe in kg·cm zu achten. Ein für ein Flugmodell geeigneter Servo muss als komplettes mechatronisches System betrachtet werden. Entscheidend sind unter anderem:

  • erforderliches Drehmoment
  • Stellgeschwindigkeit
  • Betriebsspannung
  • Stromaufnahme und Stromversorgung
  • Motorbauart
  • Getriebematerial
  • Gehäusekonstruktion
  • Lagerung der Abtriebswelle
  • Positionssensor
  • Rückstellgenauigkeit und Totband
  • mechanisches Spiel
  • Anlenkungsgeometrie
  • tatsächliche Fluggeschwindigkeit und Rudergeometrie

Gerade bei schnellen Flugmodellen, Großmodellen, Jets und leistungsfähigen Kunstflugmodellen können falsch dimensionierte Servos nicht nur zu unpräzisem Flugverhalten, sondern zu einem Verlust der Steuerbarkeit führen.

Was ist ein RC-Servo?

Ein RC-Servo ist ein geregelter elektromechanischer Stellantrieb.

Im Gegensatz zu einem einfachen Elektromotor soll sich seine Ausgangswelle nicht lediglich drehen. Sie soll eine vom Sender beziehungsweise Empfänger vorgegebene Position möglichst schnell erreichen und anschließend möglichst exakt halten.

Ein klassischer Servo besteht im Wesentlichen aus:

  1. einer Steuerelektronik,
  2. einem Elektromotor,
  3. einem mehrstufigen Untersetzungsgetriebe,
  4. einer Abtriebswelle,
  5. einem Positionssensor,
  6. einem geschlossenen Regelkreis.

Der Empfänger übermittelt eine Sollposition. Der Positionssensor erfasst die tatsächliche Position der Servoabtriebswelle. Die Elektronik vergleicht beide Größen miteinander.

Besteht eine Abweichung, wird der Motor so lange angesteuert, bis die Istposition möglichst genau der Sollposition entspricht.

Ein Servo ist deshalb ein klassisches Closed-Loop-System mit Positionsrückführung. Bei konventionellen RC-Servos erfolgt diese Rückmeldung häufig über ein Potentiometer. Moderne Servos können stattdessen berührungslose magnetische Sensoren, beispielsweise Hall-Sensoren, einsetzen.

Vom mechanischen Steller zum modernen Hochleistungsservo

Die heutige Servotechnik hat mit den frühen Funkfernsteuerungen nur noch wenig gemeinsam.

In den Anfangsjahren des RC-Flugs wurden Steuerflächen teilweise über elektromechanische Escapements oder Reed-Systeme bewegt. Eine wirklich proportionale Steuerung, bei der die Stellung des Senderknüppels direkt einer entsprechenden Ruderstellung zugeordnet werden konnte, setzte sich erst später durch.

1960 erschien mit dem Space-Control-System eines der ersten kommerziell verfügbaren proportionalen RC-Systeme. 1962 kamen bereits proportionale Systeme mit Positionsrückführung hinzu. Ende der 1960er-Jahre wurden Servos und Elektronik zunehmend kompakter; unter anderem wurde die heute vertraute Reduzierung der Servoverkabelung auf drei Leitungen möglich.

Über Jahrzehnte waren typische Servos vergleichsweise einfache Konstruktionen aus:

  • Bürsten-Gleichstrommotor,
  • Kunststoffgetriebe,
  • Potentiometer,
  • analoger Regelelektronik,
  • Kunststoffgehäuse
  • und Betriebsspannungen um 4,8 bis 6 Volt.

Diese Servos funktionieren auch heute noch zuverlässig und können für viele einfache Modelle vollkommen ausreichend sein.

Bei modernen Hochleistungsservos finden sich dagegen beispielsweise:

  • digitale Regelungen,
  • High-Voltage-Betrieb,
  • Brushless-Motoren,
  • Coreless-Motoren,
  • Stahl- oder Titangetriebe,
  • Aluminiumgehäuse,
  • Hall-Sensoren,
  • programmierbare Regelparameter,
  • Bus-Systeme
  • und teilweise Servotelemetrie.

Aktuelle Flugservos zeigen Betriebsspannungsbereiche bis 8,4 V und darüber sowie Kombinationen aus Brushless-Antrieb, Metallgetriebe und Aluminiumgehäuse. Speziallösungen gehen inzwischen sogar deutlich über klassische 2S-Servo-Spannungen hinaus.

Analogservo oder Digitalservo?

Die Begriffe analog und digital beziehen sich zunächst auf die interne Servoelektronik und deren Regelung – nicht automatisch auf den verwendeten Motor.

Auch ein Digitalservo kann einen klassischen Bürstenmotor besitzen.

Bei einem Analogservo wird der Motor mit einer vergleichsweise einfachen analogen Regelung angesteuert. Bei digitalen Servos verarbeitet eine elektronische beziehungsweise mikroprozessorgestützte Regelung die Soll- und Istposition.

Digitale Servos ermöglichen typischerweise:

  • kleinere Totbereiche,
  • schnellere Reaktion auf Positionsabweichungen,
  • höhere Haltekraft um die Sollposition,
  • bessere Einstell- und Programmiermöglichkeiten,
  • feinere Regelung.

Der Preis dafür kann eine höhere Stromaufnahme sein, insbesondere weil ein digitales Servo bereits kleinere Positionsabweichungen aggressiver korrigiert. Hitec nennt bei seinem Vergleich von Analog- und Digitalservos unter anderem eine schnellere Reaktion und engere Deadbands als typische Vorteile digitaler Systeme.

Für leistungsfähige Flugmodelle ist das Digitalservo heute in der Regel die technisch sinnvollere Lösung. Das bedeutet jedoch nicht, dass ein gutes Analogservo in einem langsamen Sport- oder Trainermodell ungeeignet wäre.

Das Drehmoment – die bekannteste, aber oft missverstandene Servoangabe

Das Drehmoment wird bei Modellbauservos häufig in kgf·cm, meistens verkürzt als „kg·cm“, angegeben.

Beispielsweise bedeutet:

20 kgf·cm

vereinfacht, dass das Servo an einem Hebelarm von 1 cm theoretisch eine Kraft entsprechend etwa 20 kg Masse erzeugen könnte.

Die physikalisch korrektere SI-Einheit ist Newtonmeter:

1 kgf·cm ≈ 0,09807 N·m

20 kgf·cm entsprechen somit ungefähr:

1,96 N·m

Wichtig ist aber: Die höchste Drehmomentangabe eines Herstellers ist nicht automatisch ein sinnvoller Dauerbetriebspunkt.

Je nach Hersteller handelt es sich um maximale beziehungsweise stallnahe Werte. Hitec trennt in seinen technischen Daten beispielsweise ausdrücklich zwischen maximalem Drehmoment, Leerlaufstrom und Stallstrom.

Ein Servo sollte daher nicht so dimensioniert werden, dass es im kritischen Flugzustand permanent an seiner maximal angegebenen Kraftgrenze arbeitet.

Warum die Fluggeschwindigkeit so entscheidend ist

Die aerodynamische Belastung eines Ruders steigt nicht proportional, sondern ungefähr mit dem Quadrat der Fluggeschwindigkeit.

Grundlage ist der dynamische Druck:

q = ½ · ρ · V²

mit:

  • q = dynamischer Druck in Pa
  • ρ = Luftdichte in kg/m³
  • V = Fluggeschwindigkeit in m/s

NASA beschreibt den dynamischen Druck ebenfalls mit dieser grundlegenden Beziehung.

Das Quadrat der Geschwindigkeit ist für die Servoauslegung extrem wichtig.

Wird die Fluggeschwindigkeit verdoppelt, steigt der dynamische Druck theoretisch auf das Vierfache.

Ein Servo, das bei 80 km/h problemlos funktioniert, besitzt deshalb nicht automatisch genügend Reserve für dasselbe Modell bei 160 km/h.

Beispiel

Von:

100 km/h

auf:

200 km/h

steigt die Geschwindigkeit um Faktor 2.

Die aerodynamische Belastungsgröße steigt näherungsweise um:

2² = Faktor 4

Genau deshalb sollten Servos nicht allein anhand von Modellgewicht oder Spannweite ausgewählt werden.

Ruderdruckkraft und Scharniermoment sind nicht dasselbe

Umgangssprachlich wird häufig von der „Ruderkraft“ gesprochen.

Für die Servoauswahl ist aber insbesondere das Moment um die Scharnierachse des Ruders entscheidend.

Eine vereinfachte aerodynamische Kraft kann über

F = q · S · C

abgeschätzt werden.

Die Kraft allein sagt jedoch noch nicht, welches Drehmoment das Servo überwinden muss. Dafür müsste zusätzlich bekannt sein, wo der resultierende Druck relativ zur Scharnierachse angreift.

Ingenieurtechnisch geeigneter ist deshalb die Betrachtung des Scharniermoments.

Eine gebräuchliche Beziehung lautet:

H = q · Sᵣ · cᵣ · Cₕ

mit:

  • H = Scharniermoment in N·m
  • q = dynamischer Druck
  • Sᵣ = Ruderfläche hinter der Scharnierlinie
  • cᵣ = mittlere Rudertiefe
  • Cₕ = Scharniermomentenbeiwert

Diese Beziehung wird auch in der aeronautischen Auslegung von Steuerflächen verwendet.

Der schwierige Wert: Cₕ

Der Scharniermomentenbeiwert ist kein universeller Zahlenwert.

Er wird unter anderem beeinflusst durch:

  • verwendetes Profil,
  • Rudertiefenverhältnis,
  • Position der Scharnierachse,
  • Ruderspalt,
  • Ruderausschlag,
  • Anstellwinkel,
  • lokale Anströmung,
  • Reynolds-Zahl,
  • Ruderausgleich,
  • Geometrie der Steuerfläche.

Eine Tabelle, die pauschal für jedes Flugmodell denselben Cₕ-Wert verwendet, kann deshalb nur eine sehr grobe Näherung liefern.

Für hochbelastete Modelle sollte mit geeigneten aerodynamischen Daten, Simulationen, Messungen oder konservativen Erfahrungswerten gearbeitet werden.

Die Anlenkungsgeometrie entscheidet mit über die erforderliche Servokraft

Ein häufig unterschätzter Faktor ist die mechanische Übersetzung zwischen Servo und Ruder.

Entscheidend sind insbesondere:

  • Länge des Servoarms,
  • Länge des Ruderhorns,
  • Winkel zwischen Hebel und Schubstange,
  • Positionen über den gesamten Ruderausschlag.

Vereinfacht ergibt sich für das erforderliche Servodrehmoment:

MServo = H · rServo / rRuder

Bei nicht rechtwinkliger Anlenkung müssen zusätzlich die wirksamen Hebelarme beziehungsweise die entsprechenden Sinusanteile berücksichtigt werden.

Eine genauere vereinfachte Beziehung lautet:

MServo = H · (rServo / rRuder) · (sin αServo / sin αRuder) / η

mit:

  • rServo = Servoarmlänge
  • rRuder = wirksamer Ruderhornradius
  • α = Winkel zwischen Hebel und Gestänge
  • η = mechanischer Wirkungsgrad.

Anschließend sollte noch ein geeigneter Sicherheitsfaktor berücksichtigt werden.

Kurzer Servoarm

Ein kürzerer Servoarm bedeutet:

  • höhere mechanische Kraftübersetzung,
  • geringeren erforderlichen Servodrehmomentbedarf,
  • feinere mechanische Auflösung,
  • allerdings weniger Gestängeweg.

Langer Servoarm

Ein längerer Servoarm erzeugt:

  • mehr Gestängeweg,
  • potenziell größeren Ruderausschlag,
  • aber einen höheren Drehmomentbedarf am Servo.

Es ist deshalb technisch falsch, einen zu kleinen Ruderausschlag einfach durch einen möglichst langen Servoarm zu korrigieren, ohne die dadurch veränderte Kraftübersetzung zu berücksichtigen.

Welche Betriebsspannung sollte ein Servo haben?

Die Servospannung beeinflusst direkt die erreichbare Leistung.

Bei vielen Servos werden deshalb unterschiedliche Werte für Drehmoment und Geschwindigkeit bei unterschiedlichen Spannungen angegeben.

Aktuelle Servos können beispielsweise für 6,0 bis 7,4 V spezifiziert sein und Betriebsspannungen bis 8,4 V zulassen. Ein aktuelles Futaba-Flugservo liefert beispielsweise bei 7,4 V höhere Drehmomentwerte als bei 6,6 V.

Grundregel:

Servodaten müssen immer bei der Spannung verglichen werden, mit der das Servo im Modell tatsächlich betrieben wird.

Ein mit 8,4 V beworbenes Drehmoment ist wertlos, wenn das Servo im Modell nur mit 6,0 V versorgt wird.

Ebenso darf ein für 6 V ausgelegtes Servo nicht einfach an einem vollgeladenen 2S-LiPo mit rund 8,4 V betrieben werden.

Dafür muss das Servo ausdrücklich freigegeben sein.

High-Voltage-Servos

Als HV-Servo werden im Modellbau üblicherweise Servos bezeichnet, die für höhere Versorgungsspannungen ausgelegt sind und beispielsweise direkt oder über eine entsprechende Stromversorgung mit 2S-LiPo-Systemen betrieben werden können.

Vorteile können sein:

  • höhere Drehmomente,
  • höhere Stellgeschwindigkeiten,
  • geringere Ströme für eine bestimmte elektrische Leistung,
  • geringere relative Auswirkungen von Spannungsabfällen.

Entscheidend ist jedoch immer das komplette Bordnetz.

Dazu gehören:

  • Akku,
  • BEC beziehungsweise Powerbox,
  • Empfänger,
  • Stecker,
  • Kabelquerschnitte,
  • Kabellängen,
  • Verteilersystem.

Ein Hochleistungsservo nutzt wenig, wenn die Spannung bei mehreren gleichzeitig belasteten Servos einbricht.

Stromaufnahme und BEC werden häufig unterschätzt

Ein kräftiges Digitalservo kann erhebliche kurzzeitige Ströme aufnehmen.

Besonders kritisch sind Situationen, in denen mehrere Servos gleichzeitig gegen große aerodynamische Kräfte arbeiten – beispielsweise:

  • schnelle Rollfiguren,
  • Snap-Rolls,
  • große Seitenruderausschläge,
  • Landeklappen,
  • hohe Fluggeschwindigkeit,
  • Belastungen unmittelbar nach starken Manövern.

Die Stromversorgung sollte deshalb nicht anhand des durchschnittlichen Stromverbrauchs ausgelegt werden.

Entscheidend sind auch die Stromspitzen mehrerer gleichzeitig belasteter Servos.

Auch Kabel und Steckverbindungen gehören zur Berechnung, da Spannungsabfälle über lange Leitungen die tatsächlich am Servo verfügbare Spannung reduzieren.

Bürstenmotor, Coreless oder Brushless?

Klassischer Bürstenmotor mit Eisenanker

Konventionelle Servos verwenden häufig Gleichstrommotoren mit mechanischer Kommutierung über Bürsten.

Vorteile:

  • bewährte Technik,
  • einfache Ansteuerung,
  • vergleichsweise preisgünstig,
  • robust für zahlreiche Standardanwendungen.

Nachteile:

  • Bürsten und Kollektor sind Verschleißteile,
  • höhere Rotorträgheit klassischer Eisenankermotoren,
  • begrenzte Lebensdauer bei hoher Dauerbelastung.

Coreless-Servo: nicht mit Brushless verwechseln

Diese Begriffe werden häufig falsch gleichgesetzt.

Ein Coreless-Motor kann weiterhin ein Bürstenmotor sein.

Coreless beschreibt den Aufbau des Rotors. Die Wicklung besitzt keinen klassischen schweren Eisenkern.

Dadurch lassen sich unter anderem reduzieren:

  • Rotormasse,
  • Massenträgheit.

Das ermöglicht eine schnelle Beschleunigung und schnelle Richtungswechsel.

Aktuelle High-End-Servos verwenden beispielsweise Coreless-Motoren zusammen mit Hall-Sensoren und digitaler Regelung.

Vorteile von Coreless-Motoren

  • niedrige Rotorträgheit,
  • schnelle Reaktion,
  • gute Dynamik,
  • hohe Beschleunigung.

Zu beachten

Coreless bedeutet nicht automatisch bürstenlos.

Auch ein Coreless-Motor kann Bürsten und Kollektor besitzen.

Brushless-Servo

Bei einem Brushless-Motor erfolgt die Kommutierung elektronisch. Mechanische Motorbürsten sind nicht erforderlich.

Typische Vorteile sind:

  • kein Bürstenverschleiß,
  • hohe Lebensdauer des Motors,
  • gute Leistungsdichte,
  • hohe Dynamik,
  • gute Eignung für häufige Lastwechsel,
  • hohe Dauerleistungsfähigkeit bei geeigneter Auslegung.

Aktuelle Hochleistungsservos von Herstellern wie Futaba oder Hitec verwenden Brushless-Antriebe zusammen mit digitalen Regelungen und hochwertigen Getrieben.

Brushless bedeutet jedoch ebenfalls nicht automatisch, dass ein Servo grundsätzlich präziser ist.

Rückstellgenauigkeit und Regelqualität werden zusätzlich beeinflusst durch:

  • Sensor,
  • Regler,
  • Getriebespiel,
  • Lagerung,
  • Gehäusesteifigkeit
  • und Software.

Potentiometer als Positionssensor

Das Potentiometer ist die klassische Form der Positionsrückmeldung eines Modellbauservos.

Dabei dreht die Servoabtriebswelle einen Schleifer über eine Widerstandsbahn.

Die daraus resultierende Spannung entspricht der aktuellen Position.

Das Prinzip ist einfach, kostengünstig und seit Jahrzehnten bewährt. Bei speziellen Feedback-Servos kann dieses Potentiometersignal sogar direkt nach außen geführt werden.

Vorteile

  • bewährtes Prinzip,
  • günstig,
  • hohe Verfügbarkeit,
  • einfache Signalverarbeitung.

Nachteile

Das Messprinzip besitzt mechanischen Kontakt zwischen Schleifer und Widerstandsbahn.

Dadurch können langfristig entstehen:

  • Verschleiß,
  • Kontaktveränderungen,
  • Rauschen,
  • Veränderungen der Neutralposition.

Wie relevant das ist, hängt stark von Qualität und Belastung des Servos ab.

Hall-Sensor im Servo

Hall-Sensoren erfassen Magnetfelder und ermöglichen eine berührungslose Positionserfassung.

Ein entsprechender Magnet befindet sich beispielsweise auf beziehungsweise an der Servoabtriebswelle. Der Sensor bestimmt daraus die Winkelposition.

Ein aktuelles Beispiel ist das PowerBox iServo HVC.45 mit hochauflösendem Hall-Sensor, Coreless-Motor, gehärtetem Stahlgetriebe und Aluminiumgehäuse.

Vorteile

  • keine schleifende Widerstandsbahn,
  • kein mechanischer Sensorverschleiß durch einen Potentiometerschleifer,
  • hohe Wiederholgenauigkeit möglich,
  • hohe Auflösung möglich.

Aber auch hier gilt:

Hall-Sensor bedeutet nicht automatisch gutes Servo.

Entscheidend sind ebenso:

  • Sensorauflösung,
  • Magnetqualität,
  • mechanische Lagerung,
  • Kalibrierung,
  • Getriebespiel,
  • Regelsoftware.

Ein hervorragend konstruiertes Potentiometer-Servo kann deshalb einem schlecht konstruierten Hall-Servo überlegen sein.

Das Getriebe – Kunststoff, Stahl oder Titan?

Das Servogetriebe reduziert die hohe Motordrehzahl und erhöht das am Servoabtrieb verfügbare Drehmoment.

Dabei entstehen große Zahnkräfte.

Kunststoff- und Nylongetriebe

Vorteile:

  • geringes Gewicht,
  • geringe rotierende Masse,
  • häufig leiser Lauf,
  • geringe Kosten.

Nachteile:

  • geringere Widerstandsfähigkeit gegen extreme Stoßlasten,
  • Zähne können bei Überlastung abscheren.

Für leichte Modelle können Kunststoffgetriebe trotzdem eine technisch sehr gute Lösung sein.

Verstärkte Polymergetriebe

Hersteller verwenden spezielle hochfeste Kunststoffe beziehungsweise Verbundwerkstoffe.

Hitec bietet beispielsweise sogenannte Karbonite-Getriebe an und positioniert diese zwischen klassischen Kunststoff- und Metalllösungen.

Sie können für Sport- und Segelflugmodelle ein interessantes Verhältnis aus:

  • Gewicht,
  • Haltbarkeit,
  • Kosten

bieten.

Metallgetriebe

Der Begriff „Metallgetriebe“ allein ist relativ wenig aussagekräftig.

Metall kann unter anderem bedeuten:

  • Aluminiumlegierung,
  • Messing,
  • Stahl
  • oder verschiedene Kombinationen.

Vorteile sind häufig eine hohe Stoßfestigkeit und Belastbarkeit.

Mögliche Nachteile:

  • höheres Gewicht,
  • höhere rotierende Masse,
  • bei ungünstiger Konstruktion zunehmendes Spiel durch Verschleiß.

Stahlgetriebe

Gehärtete Stahlzahnräder können sehr hohe Lasten übertragen und besitzen eine hohe Verschleißfestigkeit.

Sie finden sich deshalb häufig in leistungsfähigen Großmodellservos. PowerBox verwendet beispielsweise massive gehärtete Stahlzahnräder in aktuellen Hochleistungsservos.

Titangetriebe

Titan besitzt eine hohe spezifische Festigkeit und geringere Dichte als Stahl.

Hochwertige Servos können daher Zahnräder beziehungsweise Getriebestufen aus Titan verwenden. Hitec führt sowohl Stahl- als auch Titan-Getriebesätze für verschiedene Servotypen.

Die Bezeichnung „Titangetriebe“ allein ist aber ebenfalls kein Qualitätsnachweis.

Wichtig bleiben:

  • verwendete Titanlegierung,
  • Zahngeometrie,
  • Wärmebehandlung,
  • Lagerabstände,
  • Oberflächenqualität,
  • Getriebespiel.

Hybridgetriebe

Interessant sind Konstruktionen, bei denen unterschiedliche Materialien kombiniert werden.

Beispielsweise können erste Getriebestufen aus Kunststoff oder Verbundmaterial und besonders hoch belastete Endstufen aus Metall bestehen.

Ziel kann es sein, Vorteile unterschiedlicher Materialien miteinander zu kombinieren:

  • geringere Massenträgheit,
  • Geräuschreduzierung,
  • Stoßfestigkeit,
  • geringeres Gewicht.

Auch aktuelle Hersteller verwenden solche Hybridkonstruktionen.

Kunststoffgehäuse oder Aluminiumgehäuse?

Kunststoffgehäuse

Vorteile:

  • leicht,
  • preiswert,
  • elektrisch isolierend,
  • gute Vibrationsentkopplung möglich.

Für kleine und mittlere Modelle ist ein hochwertiges Kunststoffgehäuse keineswegs automatisch schlechter.

Aluminiumgehäuse

Aluminiumgehäuse bieten:

  • hohe Steifigkeit,
  • stabile Lagerung der Abtriebswelle,
  • gute Wärmeleitung,
  • geringere Gehäuseverformung unter hoher Belastung.

Nachteile sind:

  • höheres Gewicht,
  • höhere Kosten.

Besonders bei kräftigen Digitalservos kann das Aluminiumgehäuse gleichzeitig als Wärmeableiter für Motor und Elektronik dienen.

Aktuelle Hochleistungs-Flugservos kombinieren deshalb häufig Aluminiumgehäuse mit Metall- oder Stahlgetrieben.

Lagerung der Abtriebswelle

Ein weiteres Qualitätsmerkmal ist die Lagerung.

Sehr einfache Servos können die Ausgangswelle lediglich über Kunststoffbuchsen führen.

Hochwertigere Konstruktionen verwenden Kugellager.

Bei hohen Ruderkräften entstehen nicht nur Drehmomente, sondern auch Radialkräfte durch Servoarm und Gestänge.

Eine stabile Lagerung reduziert:

  • Reibung,
  • Bewegung der Abtriebswelle,
  • Verschleiß,
  • zusätzliches Spiel.

Gerade bei Großmodellen sollte deshalb auch die Konstruktion des Servoabtriebs betrachtet werden.

Stellgeschwindigkeit – schneller ist nicht automatisch besser

Die Stellgeschwindigkeit wird meistens angegeben als:

Sekunden pro 60°

Beispiel:

0,10 s / 60°

bedeutet, dass die Ausgangswelle unter den jeweiligen Prüfbedingungen für eine Bewegung um 60 Grad ungefähr 0,10 Sekunden benötigt.

Moderne Hochleistungsservos erreichen teilweise Werte deutlich unter 0,1 s/60°.

Eine hohe Geschwindigkeit ist besonders interessant für:

  • Kunstflug,
  • F3A,
  • 3D-Flug,
  • Jets,
  • Kreisel- und Stabilisierungssysteme.

Bei einem gemütlichen Scale- oder Trainermodell ist die maximal mögliche Geschwindigkeit dagegen nicht zwangsläufig das wichtigste Kriterium.

Entscheidender sind oft:

  • Präzision,
  • Rückstellgenauigkeit,
  • ausreichendes Drehmoment,
  • geringe Spielfreiheit.

Rückstellgenauigkeit und Totband

Ein gutes Servo muss nicht nur eine Position erreichen, sondern nach unterschiedlichen Bewegungen wieder reproduzierbar dieselbe Position anfahren.

Diese Eigenschaft ist beispielsweise wichtig für:

  • exakte Neutralstellung,
  • symmetrische Querruder,
  • präzisen Kunstflug,
  • mehrere Servos auf einer gemeinsamen Steuerfläche.

Ein hoher Drehmomentwert sagt über diese Eigenschaft fast nichts aus.

Zu den relevanten Faktoren gehören:

  • Auflösung der Elektronik,
  • Totband,
  • Positionssensor,
  • Getriebespiel,
  • Regelalgorithmus,
  • mechanische Steifigkeit.

Mehrere Servos auf einem Ruder

Bei Großmodellen werden häufig zwei oder mehr Servos auf einer gemeinsamen Steuerfläche eingesetzt.

Dabei darf die nominelle Servokraft nicht einfach bedenkenlos addiert werden.

Wenn zwei Servos nicht exakt synchron laufen, können sie gegeneinander arbeiten.

Mögliche Ursachen:

  • unterschiedliche Neutralposition,
  • unterschiedlicher Servoweg,
  • verschiedene Kennlinien,
  • unterschiedliches Getriebespiel,
  • asymmetrische Anlenkungen.

Moderne programmierbare Servos beziehungsweise Power-Management-Systeme ermöglichen deshalb unter anderem eine genauere Einstellung von:

  • Neutralstellung,
  • Endpunkten,
  • Geschwindigkeit,
  • Drehrichtung,
  • Kennlinie.

Ein mechanisch verspannter Mehrservo-Antrieb kann bereits im Stand erhebliche Ströme aufnehmen.

Servoauswahl Schritt für Schritt

1. Maximale Geschwindigkeit festlegen

Nicht die typische Reisegeschwindigkeit verwenden.

Relevant ist die höchste realistisch auftretende Geschwindigkeit einschließlich:

  • Sturzflug,
  • Abfangmanöver,
  • Rückenflug,
  • Kunstflug,
  • Wind beziehungsweise Böen.

2. Ruderfläche bestimmen

Ermittelt wird die Fläche hinter der Scharnierachse.

3. Mittlere Rudertiefe bestimmen

Für das Scharniermoment wird die mittlere aerodynamisch relevante Tiefe der Steuerfläche benötigt.

4. Scharniermoment abschätzen

Ideal:

H = q · S · c · Cₕ

Dabei ist ein möglichst realistischer Scharniermomentenbeiwert zu verwenden.

5. Anlenkungsgeometrie berücksichtigen

Servoarm und Ruderhorn verändern das tatsächlich erforderliche Servodrehmoment erheblich.

Die ungünstigste Geometrie innerhalb des gesamten Ruderausschlags ist zu prüfen.

6. Sicherheitsfaktor berücksichtigen

Die theoretisch berechnete Kraft sollte nicht identisch mit der maximalen Servoangabe sein.

Zusätzliche Reserven sind unter anderem notwendig für:

  • Modell- und Fertigungstoleranzen,
  • Reibung,
  • Alterung,
  • Spiel,
  • Belastungsspitzen,
  • dynamische Manöver,
  • aerodynamische Unsicherheiten.

7. Betriebsspannung prüfen

Drehmoment und Geschwindigkeit müssen zur tatsächlichen Bordspannung passen.

8. Stromversorgung prüfen

BEC, Akku, Kabel und Stecker müssen auch mehrere gleichzeitig belastete Servos versorgen können.

9. Getriebe und Gehäuse zum Modell wählen

Leichtes Segelflugmodell:

Gewicht kann höher priorisiert werden.

Großmodell oder Jet:

Steifigkeit und Belastbarkeit können wichtiger sein.

10. Stellgeschwindigkeit bestimmen

Die Geschwindigkeit sollte zum Flugzeugtyp passen – nicht einfach maximal hoch gewählt werden.

Übersicht: Welche Servoeigenschaft ist wann wichtig?

EigenschaftBedeutung
DrehmomentMuss aerodynamisches Scharniermoment mit Reserve überwinden
StellgeschwindigkeitBestimmt Dynamik und Reaktionsgeschwindigkeit
BetriebsspannungBeeinflusst Kraft, Geschwindigkeit und Bordnetz
StromaufnahmeEntscheidend für BEC, Akku, Kabel und Stecker
BürstenmotorBewährte und kostengünstige Technik
Coreless-MotorGeringe Rotorträgheit und schnelle Reaktion
Brushless-MotorKein Bürstenverschleiß und hohe Leistungsfähigkeit
PotentiometerBewährte Positionsrückmeldung mit mechanischem Kontakt
Hall-SensorBerührungslose Positionsmessung
KunststoffgetriebeLeicht und für moderate Belastungen geeignet
StahlgetriebeSehr hohe Belastbarkeit
TitangetriebeHochwertige Leichtbauoption bei entsprechender Konstruktion
AluminiumgehäuseSteifigkeit und gute Wärmeableitung
KugellagerPräzisere Lagerung der Abtriebswelle
geringes GetriebespielWichtig für präzise Steuerung
RückstellgenauigkeitWichtig für Neutralpunkt und präzisen Flug

Häufige Fehler bei der Auswahl von Flugmodellservos

Nur nach kg·cm auswählen

Drehmoment ist nur ein Teil des Gesamtsystems.

Servowerte bei unterschiedlichen Spannungen vergleichen

30 kg·cm bei 8,4 V sind nicht direkt mit 30 kg·cm bei 6,0 V vergleichbar.

Einen zu langen Servoarm einsetzen

Mehr Weg wird mit schlechterer Kraftübersetzung bezahlt.

BEC nicht ausreichend dimensionieren

Mehrere Hochleistungsservos können kurzzeitig hohe Ströme verlangen.

Getriebespiel ignorieren

Ein sehr kräftiges Servo mit starkem Spiel kann für präzisen Flug ungeeignet sein.

Metallgetriebe automatisch als besser betrachten

Material ist nur ein Faktor der gesamten Getriebekonstruktion.

Brushless automatisch mit Präzision gleichsetzen

Der Motor sagt wenig über Getriebespiel, Positionssensor und Regelalgorithmus aus.

Servo nach Modellgewicht auswählen

Ein schweres langsames Modell kann kleinere Rudermomente besitzen als ein deutlich leichteres, aber sehr schnelles Modell.

FAQ zur Servoauswahl im Flugmodell

Wie viel Drehmoment benötigt mein Flugmodellservo?

Das erforderliche Drehmoment sollte aus dem aerodynamischen Scharniermoment des Ruders, der Anlenkungsgeometrie und einem Sicherheitsfaktor bestimmt werden. Nur das Modellgewicht oder die Spannweite reichen für eine technisch fundierte Auswahl nicht aus.

Warum steigt die Servobelastung bei hoher Geschwindigkeit so stark?

Weil der dynamische Druck proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit steigt:

q = ½ · ρ · V²

Eine Verdoppelung der Geschwindigkeit erzeugt bei ansonsten gleichen Bedingungen ungefähr den vierfachen dynamischen Druck.

Ist Brushless besser als Coreless?

Die Begriffe beschreiben unterschiedliche Eigenschaften.

Coreless bezeichnet den Rotoraufbau und kann weiterhin einen Bürstenmotor bedeuten.

Brushless bedeutet, dass der Motor ohne mechanische Bürsten elektronisch kommutiert wird.

Keine der beiden Angaben allein bestimmt die Qualität des gesamten Servos.

Ist ein Hall-Sensor besser als ein Potentiometer?

Ein Hall-Sensor arbeitet berührungslos und besitzt deshalb keine schleifende Widerstandsbahn wie ein klassisches Potentiometer.

Das kann Vorteile bei Lebensdauer und Wiederholgenauigkeit bieten.

Die tatsächliche Servoqualität hängt jedoch zusätzlich von Mechanik, Elektronik, Getriebe und Regelung ab.

Sind Metallgetriebe immer besser?

Nein.

Für leichte Modelle kann ein hochwertiges Kunststoff- oder Verbundgetriebe eine hervorragende Lösung darstellen.

Bei großen Steuerflächen, starken Vibrationen und hohen Stoßlasten können Metall-, Stahl- oder Titangetriebe dagegen Vorteile bieten.

Kann ich ein Servo direkt an einen 2S-LiPo anschließen?

Nur wenn das Servo ausdrücklich für die maximale Spannung eines vollgeladenen 2S-LiPo – etwa 8,4 V – freigegeben ist.

Was ist wichtiger: Geschwindigkeit oder Drehmoment?

Das hängt vom Modell ab.

Ein Kunstflugmodell kann hohe Anforderungen an beide Größen stellen. Bei einem gemütlichen Scale-Modell können dagegen Präzision, Rückstellgenauigkeit und ausreichende Kraft wichtiger sein als maximale Stellgeschwindigkeit.

Fazit

Die richtige Auswahl eines RC-Servos im Flugmodellbau ist eine technische Auslegungsaufgabe.

Ein hochwertiges Servo zeichnet sich nicht durch einen einzelnen möglichst großen Zahlenwert aus. Entscheidend ist das Zusammenspiel von:

Drehmoment + Geschwindigkeit + Versorgungsspannung + Motor + Getriebe + Positionssensor + Gehäuse + Lagerung + Anlenkung + Stromversorgung.

Für die Dimensionierung sollte insbesondere bei schnellen oder großen Flugmodellen das aerodynamische Scharniermoment betrachtet werden.

Die wichtigste Grundregel lautet deshalb:

Nicht das stärkste Servo ist automatisch das richtige Servo – sondern das Servo, dessen mechanische, elektrische und regelungstechnische Eigenschaften zum tatsächlichen Lastfall des Flugmodells passen.