PROPER ASSEMBLY OF A VARIO TAIL ROTOR GEARBOX
Vario equips its helicopter models with relatively small tail rotor gears. The main reason for this is that, like the full-size helicopter, the tail rotor gearbox can be mounted completely within the tail boom. The fuselage dimensions would not have to be increased to “larger than full-scale” in the area of the end of the tail boom / tail rotor.
Successful operation of a tail rotor with metal bevel gears with a small modulus (0.8 or similar) depends on the correct setting of the backlash, gear positioning, and maintenance.
The experience of more than 50 years of customer support shows that reliable tail rotor function depends on how much skill is used for both assembly and maintenance of the tail rotor system.
If a tail rotor gearbox has very worn teeth on one or both bevel gears, the teeth were not engaged properly. In gears with smaller module teeth, the tooth tips are very slim. Depending on the load placed on them, they may not be able to withstand the stresses permanently.
The spiral-toothed version of Vario’s tail rotor gear has an even smaller module (< 0.6) with the same external dimensions. Smaller module means narrower teeth. Here it is even more important to pay attention to the correct tooth backlash. These gears also tolerate less torque, which is why we do not recommend using them with large, slow-turning tail rotors. For Vario models, these are the tail rotors with a 6 mm diameter output shafts. If the load is light and the tail rotor is rotating at high speed, these spiral bevel gears are well suited, and may have a noise and wear advantage over the straight bevel gears.
The correct initial tail rotor assembly is also extremely important.
So how do I set the optimum tooth backlash?
Confirm that the tail box housing is clean and without any damage or defects.
Confirm that both tail rotor shafts are clean, straight and undamaged.
Confirm that the endplates are not damaged and that the bearings in them rotate smoothly. If there are any questions regarding the condition of the gearbox bearings, replace them with new bearings.
Before starting the assembly of the tail rotor case, you must review the Vario assembly drawing for the gearbox being worked on, and take special note of any small washers needed where the shafts pass through the bearings on the inside of the tail gearbox case or end plates. The actual assemble starts by installing the input shaft into the pre-assembled input bearings. Slide any special washers into position and add a shim washer onto the shaft (a shim with 0.3 mm (theoretically correct value) thickness for example). Then slide on the bevel gear (in case of a “speedup gearbox”, the bevel gear with the higher number of teeth goes on this input side). Snug the bevel gear onto the “flat” on the input shaft, but do not secure with thread locker or fully tighten it at this time.
The output gear, any special washers, and a shim are now placed onto the tail rotor output shaft. Do not use any setscrews on the output bevel gear yet! The tail rotor end covers with bearings are installed WITHOUT THREAD LOCKER at this time. (Team Pilot Tip: Only use two cap screws across from each other on each end cover.) While doing this, engage gears and position them as close as possible to each other.
Check for the following:
With standard straight bevel gears, observe the outside corners of both bevel gears and check that they line-up exactly with each other. Change the shims (0.1, 0.2 or 0.3 mm) between the INPUT bevel gear and the gearbox case until the outside corners of the bevel gears align perfectly. Multiple shims of different thickness can be used as needed to get the proper alignment. (Team Pilot Tip: If it is difficult to observe the outside corner alignment of the two bevel gears, remove the end plate on the side with the output gear. Reinstall this end cover in front of the end cover on the other side by positioning it with the bearing facing away from the tail gearbox, and gently secure with two longer cap screws in the two open threaded holes of the mounted end cap. (see above Team Pilot Tip). Make sure that the output shaft can smoothly pass through these double stacked bearings. This should allow the output shaft to maintain proper positioning alignment while allowing a better view of the bevel gear interface.) After gear alignment is complete, The INPUT gear setscrews can be tightened securely, confirming no end play and smooth rotation of the input shaft.
You can then move on to setting proper gear backlash.
This is still done without any setscrews in the OUTPUT bevel gear.
Re-assemble the gearbox with both end plates in their proper position. Check if the gears bind or “catch” during complete rotation. If they do, the gears are too close and less thickness of shim washers are required behind the smooth face end of the output bevel gear and the bearing in the end cover. (Team Pilot Tip: Add shims until the gears just start to get too tight. Then remove 0.1 mm of shim thickness at a time until the gears run smoothly.) During a complete rotation, the gears may “catch” just a little at one location; this should be OK as it will run in and become smoother over a short time.
NOTE: For gear pairs with different numbers of teeth, the complete revolution must be made until each tooth has run once at each position. For the pairing of 19 to 18 teeth, that’s 19 complete revolutions.
Next step is to check and minimize output shaft endplay.
Assemble the gearbox with both end caps and brass sleeve spacer in their proper position. Tighten the output bevel gear in the correct position on the output shaft, confirming the setscrew is on a “flat” ground on the shaft. The end cap opposite the output gear should fit fully into position without any binding. Check for output shaft endplay. If excessive endplay exists, a shim can be added between the brass sleeve and the end cap bearing. Make sure that no shim installed touches the non-rotating area of the endcap bearing.
Take the assembled tail rotor assembly in your hand and rotate the tail rotor alternately with the tail rotor shaft pulled and compressed. The tail rotor must rotate smoothly in both cases.
When you have found the right combination of shim rings, lubricate the tooth surfaces with VARIO extreme grease Ord.No. 10/360. This grease has good adhesive properties. Titanium grease 10/36 can also be used, but it must be relubricated somewhat more frequently than with extreme grease. It is best to close the holes used to access the bevel gear setscrews using a piece of tape.
It is suggested to remove the gearbox rear plate at least once per flying season to inspect the condition of the gears and lubrication.
The first flight – Why does the backlash change again quite quickly after the initial assembly?
Even if you cannot detect any axial play of the input shaft after assembly, this looks different after the maiden flight or a few flights later. Because of the load, the ball bearings slip deeper into the bearing seat.
First hover near the ground for five minutes and then check: Has anything changed?
Pre-flight and post-flight checks
Pre- and Post-flight checks are a very worthwhile use of time. Especially compared with the repair time and costs after a tail rotor failure.
It is not necessary to disassemble the tail rotor every time for inspection. Take hold of the tail blade holders and wiggle them back and forth gently until they stop. The movement or play should be minimal. If the backlash no longer seems minimal, DO NOT FLY THE MODEL. Inspect the condition of the bevel gears, bearings, and grease.
Other things to consider for maintaining a long-lasting and reliable tail rotor system:
Modern gyro systems (“FBL” systems) designed for 3D helicopters can be adjusted to place a huge load on the tail rotor system of these lightweight models so that they can perform aggressive pirouetting 3D aerobatic flight. The latest generation of fast and powerful tail rotor servos can place huge torque demands on the tail rotor gearboxes. If these systems are used on large scale model helicopters without being re-tuned to match the gentler flying and smaller tail rotor gearboxes turning MUCH LARGER TAIL ROTOR BLADES, then over-stressing of the Vario tail rotor gearboxes is possible.
When flying large heavy scale models, it is strongly recommended to use the lowest tail gyro gain settings that you are comfortable with, and to avoid aggressive (non full-scale like) yaw inputs. “Hunting” or rapid oscillation of the tail back and forth due to high tail gyro gain must be avoided.
Special feature Angular gearbox with plastic gears (e.g. Ord.No. 1059):
Plastic gears require more backlash and less grease. Backlash being too tight or with too much grease will generate heat and may cause the gears to melt, resulting in a loss of yaw control.
DEUTSCH
Vario stattet seine Helikoptermodelle mit relativ kleinen Heckrotorgetrieben aus. Grund: Wie beim Großhubschrauber kann dann der Heckrotor komplett im Heckausleger integriert werden. Der Rumpf muss im Bereich des Heckrotors nicht wider den Maßstab vergrößert werden.
Der erfolgreiche Betrieb eines Heckrotors mit metallischen Kegelzahnrädern mit geringem Modul (0,8 o.ä.) hängt maßgeblich von der richtigen Einstellung des Zahnflankenspiels und der Wartung ab.
Die Erfahrung in einem halben Jahrhundert Kundensupport zeigen, dass eine zuverlässige Heckrotorfunktion davon abhängig ist, wieviel Knowhow bei Montage und Wartung vorhanden ist.
Hat ein Heckrotorgetriebe an einem oder beiden Kegelzahnrädern abrasierte Zähne, so waren die Zähne nicht genug im Eingriff. Bei kleinerem Modul sind die Zahnspitzen relativ schmal. Je nach Beanspruchung können diese nicht dauerhaft den Belastungen standhalten.
Die spiralverzahnte Version von Vario hat bei gleichen äußeren Dimensionen ein noch kleineres Modul (< 0,6). Kleineres Modul bedeutet schmalere Zähne. Hier ist es noch wichtiger, auf das richtige Zahnflankenspiel zu achten. Diese Zahnräder vertragen auch weniger Drehmoment, weshalb wir einen Einsatz bei großen, langsam drehenden Heckrotoren (bei Vario sind das die Heckrotoren mit 6 mm Welle) nicht empfehlen. Bei geringer Last und hoch drehendem Heckrotor sind diese spiralverzahnten Kegelräder gut geeignet und die Geräuschentwicklung ist geringer.
Zunächst ist die korrekte erste Montage des Heckrotors äußerst wichtig. Wie stelle ich also das optimale Zahnflankenspiel ein?
Man beginnt die Montage im Heckrotorgehäuse auf der Seite der Eingangswelle und schiebt auf die Welle Passscheiben, z.B. eine Passscheibe mit 0,3 mm (theoretisch korrekter Wert). Dann schiebt man das Kegelzahnrad auf (bei einem Speedup des Getriebes kommt auf diese Seite das Kegelzahnrad mit der höheren Zähnezahl). Kegelrad nur anziehen und vorerst nicht sichern.
Zahnrad, Passscheibe und Heckrotorwelle werden ebenfalls lose (nicht gesichert!) montiert und der Heckrotorgehäusedeckel geschlossen. Dabei Zahnräder in Eingriff bringen und so eng wie möglich zueinander positionieren ohne dass die Zähne aufeinander auflaufen (auflaufen = zu tiefes Eingreifen, sodass die Zähne aufeinander stoßen).
Folgendes wird geprüft:
- Wenn die Zahnräder bei der kompletten Drehung an manchen Stelle haken, stehen die Zahnräder zu nah. In diesem Fall werden die Zahnräder ein wenig auseinander gerückt. Bei einer vollständigen Umdrehung dürfen die Zahnräder maximal an einer Stelle etwas haken, das läuft sich mit der Zeit ein. Bei Zahnradpaaren mit unterschiedlichen Zähnezahlen muss die vollständige Umdrehung so oft gemacht werden, bis jeder Zahn einmal an jeder Position gelaufen ist. Bei der Anpaarung 19 zu 18 Zähnen sind das entsprechend viele Umdrehungen. (Wenn man herausfinden möchte, ob die Zähnezahlen bei den Zahnrädern unterschiedlich sind, dreht man eine ganze Umdrehung und beobachtet dabei die Klaue. Wenn diese nach jeder Umdrehung etwas weiter läuft, hat man eine ungleiche Zähnezahl)
- Auch die Gehäusebreite prüfen: Wird die Zahnradbewegung an den Kugellagern der Lagerdeckel abgestützt?
- Überprüfen Sie, ob die Zahnräder in richtiger Position zu einander stehen oder verschoben sind. Bei unterschiedlich großen Kegelzahnrädern kann es eventuell nicht zu einer Deckung der Zahnflanken kommen. Eventuell hilft Ihnen eine Taschenlampe, dies in dem Heckrotorgehäuse zu erkennen. Es genügt ein Blick auf die Vorderkante der Zähne.
- Nehmen Sie die montierte Heckrotoreinheit in die Hand und drehen Sie den Heckrotor abwechselnd bei gezogener und gestauchter Heckrotorwelle. Der Heckrotor muss sich in beiden Fällen leichtgängig drehen lassen, ohne dass die Zahnspitzen und -täler aufeinander laufen.
- Durch Festdrehen der Made wird das Zahnrad eventuell minimal gekippt. Durch geschicktes Montieren des Gegenzahnrades kann man den daraus resultierenden Berg- und Tallauf synchronisieren (- nicht möglich bei ungleichen Zähnezahlen).
Nun kommt eine „Probierphase“: Diverse Passscheiben werden auf diese Art montiert, das Heckrotorgehäuse jedesmal geschlossen und geprüft. Es stehen Passscheiben von 0,1, 0,2 und 0,3mm zur Verfügung. Sollte ein Zwischenmaß benötigt werden, kann man dieses auch noch über einen anderen Passring herstellen. Das ist allerdings selten der Fall. Es muss nicht unbedingt sein, dass auf beiden Seiten gleiche Abstände durch die Passscheiben hergestellt werden. Achten Sie auch auf das Gesamtmaß der Breite auf der Heckrotorwelle. Es darf kein Axialspiel vorhanden sein, ebenso darf die Einheit nicht mit den Lagerdeckeln durch den Schraubendruck herangepresst werden.
Wenn Sie die richtige Kombination aus Passscheiben gefunden haben, dann schmieren Sie die Zahnflächen mit VARIO Extremfett Ord.No. 10/360. Dieses Fett hat eine gute Haftfähigkeit. Auch das Titanfett 10/36 kann verwendet werden, muss nur etwas häufiger damit nachgeschmiert werden als mit dem Extremfett. Nachfetten kann über eine kleine 5mm Bohrung von unten geschehen. Am Besten die Bohrung nach der Schmierung mit einem Pfropfen oder einem Stück Klebeband verschließen.
Der Erstflug – Warum verstellt sich das Zahnflankenspiel nach der Erstmontage eventuell recht schnell wieder?
Auch wenn man keinerlei Axialspiel nach der Montage feststellen kann, sieht das nach dem Jungfernflug oder einige Flüge später anders aus. Grund: Wegen der Belastung rutschen die Kugellager tiefer in den Lagersitz.
Schweben Sie zunächst ein paar Minuten in Bodennähe und prüfen Sie danach, ob sich etwas verändert hat?
Vor- und Nachflugkontrolle
…sind ein Zeitaufwand, der sich absolut lohnt, wenn man ihn mit dem Reparaturaufwand und den Kosten nach einem Heckrotorausfall vergleicht. Nicht zu Kontrollieren ist leichtsinnig.
Für die Kontrolle muss nicht jedesmal der Heckrotor demontiert werden. Man greift an den Blatthaltern und wackelt vorichtig vor und zurück bis jeweils zum Anschlag. Dabei macht es „klackklack“ („vorzurück“). Dabei soll die Bewegung bzw das Spiel minimalst sein. Sollte das Spiel einem nicht mehr minimal vorkommen, keinesfalls denken „das geht schon noch, das ist ja nur ein bischen mehr Spiel“ und fliegen gehen!
Was muss noch für einen langlebigen Heckrotor getan werden?
Heutige Kreiselsysteme („FBL“-Systeme) können hinsichtlich Ihrer Kreiselempfindlichkeit eingestellt werden. Bei 80 oder gar 90% steigt die Stromaufnahme des Heckservos deutlich an. Dies kann zu einem Übersteuern führen und demnach zu einem häufigen Lastwechsel, der das Heckgetriebe stark belastet. Man ist gut beraten, wenn man bei den Einstellungsflügen mit geringer Kreiselempfindlichkeit beginnt und diese langsam steigert, bis die Stabilität gerade so akzeptabel ist. Noch wichtiger als bei einem normalen Heckrotor ist diese „sparsame“ Kreiselempfindlichkeit bei Flexwellen oder dem 2mm Antriebsdraht bei manchen älteren Scalemodellen mit Skyfox-Mechanik (z.B. Ord.No. 4001, Bell 47)
Bei Großhubschraubern werden die Kurven nicht über das Heck gesteuert (Ausnahme ist lediglich der Schwebeflug). Damit wird das Heckrotorgetriebe geschont. Ein Kurvenflug wird vielmehr über die Taumelscheibe gesteuert. Also: Vorwärtsflug, Roll einleiten und danach Nick ziehen. Der Heckrotor wird nur beim Starten und Landen gebraucht.
Besonderheit Winkelgetriebe mit Kunststoffzahnrädern (z.B. Ord.No. 1059):
Kunststoff-Zahnräder benötigen mehr Spiel und weniger Fett. Stauchung oder viel zu walkendes Fett erzeugen Hitze und bringen ggf. die Zahnräder zum Schmelzen.
Für die gesamte hier beschriebene Vorgehensweise kann und sollte man sich durchaus viel Zeit nehmen, auch wenn es eventuell Stunden dauert. Der gesamte Aufwand lohnt sich und steht in keinem Verhältnis zu den Folgen eines Absturzes.