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Thema: Differenzialgetriebe an Differentieller Lenkung

  1. #1
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie Avatar von Searcher
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    Differenzialgetriebe an Differentieller Lenkung

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    Hallo,

    ich bastele zur Zeit an einem Fahrgestell mit drei Rädern. Zwei Antriebsräder, über die auch durch unterschiedliche Ansteuerung gelenkt werden soll, plus Stützrad.

    Beim Einlenken in eine Kurve wird dabei ein Rad beschleunigt das andere gebremst oder das eine gebremst bei konstanter Geschwindigkeit des anderen oder Kombinationen davon.

    Ich experimentiere mit recht schwachen Gleichstrom Motoren aus CD-Laufwerken (mit Nenndrehzahl 2100rpm), die über ein Getriebe mit 15:1 Untersetzung auf Räder mit 40mm Durchmesser wirken.

    Nun reagiert das Fahrgestell nicht so exakt auf die Ansteuerung der Antriebsräder wie gwünscht (welch eine Überraschung )

    Als größten Störeinfluß glaube ich die mangelnde Bremswirkung des zu verlangsamenden Motors ausgemacht zu haben, die natürlich auch vom Gewicht des Chassis und damit Trägheitsmomenten beansprucht wird. Ansprechverhalten bei Beschleunigung sieht besser aus.

    Nun kam mir die Idee, die beiden Antriebswellen noch zusätzlich über ein Differenzialgetriebe zu koppeln - je ein Rad an den Abtriebswellen. Ein Antriebsmotor soll dann auf eine Antriebswelle direkt, praktisch an einer Abtriebswelle des Differenzials wirken, der andere dann normal an der Antriebswelle/rad des Differenzialgetriebes.

    Die Beschleunigung des einen Rads würde sich dann zumindest zum Teil als Bremse zum anderen Rad auswirken, der andere Teil würde auch die onehin schwache Bremswirkung des anderen Motors belasten. Vielleicht findet da eine Angleichung zwischen Brems- und Beschleunigungswirkung statt, die dann besser kalkulierbar wäre.

    Hat das schon jemand probiert? Was meint Ihr dazu? Oder hab ich da irgendwo einen fatalen Denkfehler?

    Gruß
    Searcher
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  2. #2
    Erfahrener Benutzer Robotik Visionär
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    Die Idee mit dem Getriebe ist nur unnötig kompliziert und aufwendig. Ich kann es mir noch nicht so recht vorstellen dass es damit besser gehen soll, außer durch das mehr an Reibung. Wenn man es schon per Getreibe lösen will, dann eher ein Schneckengetriebe für die Untersetzung - die lassen sich rückwärts kaum drehen wegen der hohen Reibung.

    Einfacher wäre vermutlich eine Elektronische Lösung: per Incrementalgeber wird die Gschwindigkeit der einzelenen Räder kontroliert, und ggf. Elektrisch gebremst oder auch Rückwärts gefahren.

  3. #3
    Super-Moderator Lebende Robotik Legende Avatar von Manf
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    Grundsätzlich wurde das Problem hier schon einmal besprochen. Zwei Motoren geben dabei die Summe und die Differenz der Radantriebe, an. Es sind nachher etwas viel Zahnräder.


    http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=11343

  4. #4
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie Avatar von Searcher
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    Danke für Eure Meinung

    An Schneckengetriebe hatte ich vor dem Bau auch gedacht. Da ich aber versuche, mit den Teilen die hier bei mir rumliegen, auszukommen, schied das aus. Da ich auch noch nicht mit µC bzw komplizierteren Regelungen angefangen habe, bin ich bei der gegenwärtigen Konstruktion gelandet (noch keine Incrementalgeber eingeplant) und mach mir nun Gedanken, wie ich die Unzulänglichkeiten anders, also mechanisch oder auf einfache elektronische Art ausgleichen kann.

    Schnell noch ein Foto vom Versuchsfahrzeug. Der Aufbau für das Steckboard ist natürlich schon recht schwer aber auch ohne ist die Bremswirkung der Motore sehr gering. Das gelbe Gewicht ist ein Gegengewicht zu dem Sensoraufbau auf der anderen Seite. Sozusagen worst case Aufbau.


    Man könnte das nun als Erfahrung abhaken und etwas Neues anfangen, da ein nochmaliger Umbau (hatte gerade erst die zweite Getriebestufe mit dem weißen Zahnrad eingebaut) über meine feinmechanische Geduld gehen würde. Werde es mit diesem Chassis aber erstmal mit einer einfachen Hinderniserkennung versuchen, also über einem halben Kranz von IR und Fotodioden die Umgebung auf IR Abstrahlung untersuchen und ausweichen. Dafür sollte es reichen. Kontrolle der Radgeschwindigkeiten verschiebe ich auf später, wenn ich dann doch endlich mit µC anfange. Die Hürde ist im Augenblick doch höher als die mechanische.

    Ich finde das Doppeldifferenzial aus Manfs Link total faszinierend und läßt die Zahnräder nicht nur bei Lego sondern auch in meinem Kopf rattern Da muß ich sicher noch ein paarmal reinschauen. Mir wird wohl auch nichts anderes übrigbleiben als mal etwas aufzubauen, die Bewegungen zu beobachten und sehen ob sich die zusätzliche Reibung nun eher positiv ist, zuviel wird und dann eher negativ ist. Leider fehlt der Abschluß zu dem Thread - ob der Threadersteller noch beim Bauen ist? Das wär auf jeden Fall eine weitere Alternative eines ungewöhnlichen Antriebs und Steuerung.

    Leider geht das auch noch leicht über den Vorrat an Zahnrädern, die ich hier habe. Bei Opitec im Technikzubehör gibt es davon jedoch reichlich und günstiger als beim C, wo ich die Jetzigen her hab. Dabei fallen vielleicht auch ein paar Schneckenräder ab, die hab ich da leider nur im Modul 1 statt 0,5 gefunden. Man wird sehen...

    Teurere oder teure Materialien möchte ich solange vermeiden, bis ich das Gefühl hab, die Möglichkeiten weitgehend ausgelotet zu haben.


    Zunächst scheint ja bei der Idee, daß das Differenzial überschüssige Beschleunigungs- und Bremskräfte in der Differenziellen Lenkung automatisch günstiger verteilt, kein grundlegender Denkfehler vorzuliegen und es sollte funktionieren können? Ob es dann perfekt funktioniert und alle meine Probleme löst, ist erst in zweiter Linie wichtig.

    Weitere Zweifel, Kommentare? noch ist Zeit


    Gruß
    Searcher
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  5. #5
    Erfahrener Benutzer Lebende Robotik Legende Avatar von PICture
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    Hallo Searcher!

    Bei einer Lehrnphase ist viel unnötige Arbeit angesagt, mir geht es bei Bots, die ich versuche nach meinem Wunsch zu gestalten, leider genauso ...

    Vielleicht wäre für dich diese einfache, von mir ausprobierte, Drehzallmessungsmethode interressant (siehe meine Skizze in diesem Tread):

    http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=45435

    Praktisch bekommt man für DC Motoren mit drei Spulen am Rotor und Bürsten 6 Impulse pro Umdrehung des Rotors, weil bei jeder Unterbrechung des Stromkreises ein Impuls mit Amplitude, je nach mechanischer Belastung (Strom) des Motors, bis zu 10-facher Versorgungsspannung erzeugt wird (hat man nebenbei einen step-up Regler mit variabler Spannung und Frequenz). Beim rutschfestem Getriebe, z.B. Zahnräder entsprechen die gezählte Impulse nach Umrechnung, direkt der Drehzahl den Räder. Für Zähler müssen die Impulse (Flaken) vom mechanischen Komutator selbstverständlich "gesäbert" (entprellt) werden.

    Mir ist gerade eine "verrückte" Idee eigefallen: die damit gewonnene elektrische Energie, die normaleweise verloren geht, in einem Akku bzw. GoldCap für die Steuerung zu sammeln, was die höhere Spannung aus einem 1,2 Akku für Steuerung bereitstellen und Effizienz meinen künstlichen Tieren bzw. BEAM-er erhöhen sollte ...

    Für mich die einfachste Lösung ist: nur ein angetriebenes Rad hinten in der Mitte des Fahrgestells und eine Lenkungsachse mit zwei freilaufenden Räder vorne.

    MfG

  6. #6
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie Avatar von Searcher
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    Hallo,

    @PICture: Danke, die Drehzahlmeßmethode ist ganz bestimmt interessant für mich. Das RN ist riesengroß und soviel interessante Dinge gut versteckt

    Ich hatte ähnlich Deiner "verrückten" Idee mal ganz flüchtig dran gedacht, die Energie, die über die Freilaufdioden vernichtet wird zum Bremsen zu nutzen. Hab das noch nicht weiter verfolgt, weil mir einfiel, wenn ich die Anschlüsse des Motors kurzschließe, läßt sich der Motor schwerer von Hand drehen - bremst also schon. Irgendwo hatte ich mal gelesen, daß man da auch Zenerdioden einsetzen könnte, an denen sich eine höhere Spannung aufbaut die dann einen höheren Strom - höhere Bremswirkung zur Folge hat . Ist aber alles noch zu unausgegoren wahrscheinlich auch falsch und ich sollte es gar nicht erwähnen.

    Geradeauslauf wird noch zu einem Thema werden. Falls es bei der o.g. Hinderniserkennung bleibt, "könnte" es noch so gehen. Bei gleicher Ansteuerung der Motore fährt es schon recht gerade und wenn er sich dann doch in die Kurve legt, wird der Fahrverlauf interessanter. Hauptsache er dreht sich nicht in so kleinen Kreisen, daß er auf kein Hindernis mehr trifft. Manchmal denk ich auch an ein Servo am Stützrad zum Lenken und ein elektrisches Differenzial mit den Motoren.

    Zunächst bin ich jedoch gefangen von dem Gedanken, wie sich ein mechanische Differenzial an der Differenziellen Lenkung verhält und auch das Doppeldifferenzial aus Manfreds Link ergreift mich immer mehr. Ich glaub mir wird so schnell nicht langweilig werden...


    Gruß
    Searcher
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  7. #7
    Erfahrener Benutzer Lebende Robotik Legende Avatar von PICture
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    Hallo Searcher!

    Bei Bremsen von einem DC Motor ist der Strom durch die Spulen in Gegenrichtung wichtig, also die in Gegenrichtung angelegte Spannung. Ich glaube auch nicht, das sich es so einfach nur mit Zenerdioden realisieren lässt, da eine Zenerdiode angelegte Spannung nur begrenzen und nicht aufbauen kann. Deshalb ist das Kurzschliesen des Motors von den einfachsten Methoden am effizientesten.

    Wenn du die entprellte Impulse von Motorenbürsten an einen Phasendetektor mit Flip-Flops zuführen würdest, dann können die Motoren bis auf +/- 1 Impuls glech drehen. Das Prinzip ist nach jedem Impuls aus einem Motor diesen Motor abschalten und erst bei kommendem Impuls vom zweiten Motor wieder einschalten. Dann "wartet" der schnellere Motor immer so lange bis der langsamere Motor nachläuft. Es ist eine rein hardwaremässige quasi PWM mit variabler Frequenz (ohne µC).

    Wegen meinem Antitalent für Mechanik kann ich mir deine Idee mit zwei Differn kaum vorstellen und für mich ganz klar ist nur, das mit nur einem Motor das Fahrgestell sicher "schwächer" wird.

    Ich bin auf deine einfachste und dich zufriedenstellende Lösung sehr gespannt und wünsche dir viel Spass auf der Suche !

    MfG

  8. #8
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie Avatar von Searcher
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    Hallo,

    @PICture: Abgesehen davon, daß ich das Doppeldifferenzial sehr interessant finde, basiert meine ursprüngliche Idee nur auf einem Differenzial. Vielleicht zu Verdeutlichung nochmal eins in Bewegung:

    http://www.youtube.com/watch?v=CHO7G21U7qI

    Zu Beginn des Videos erkennt man, daß wenn man an einem Rad/Abtriebswelle dreht, sich das andere in entgegengesetzter Richtung dreht, bei gleichzeitigem Stillstand des Differenzialantriebs. Einer der Motore soll auf den Differenzialantrieb wirken, der andere an einer der Abtriebswellen zB der rechten.

    Bei Geradeausfahrt dreht alles mit gleicher Umdrehungsgeschwindigkeit in die gleiche Richtung. Kommt eine Linkskurve, dreht der rechte Motor schneller. Der andere Motor dreht zB mit gleicher Geschwindigkeit weiter und läßt keine oder nur geringe Verlangsamung des Differenzialantriebs zu.

    Damit muß der linke Abtrieb langsamer werden oder sogar rückwärts drehen. Er bremst praktisch, jedoch nicht durch die Bremswirkung des linken Motors, sondern durch die Beschleunigung des rechten. Wenn der linke Motor gleichzeitig langsamer wird, wird dessen Verlangsamung zusätzlich durch die Beschleunigung des rechten Motors unterstützt. Soweit die Überlegung. Mein Vorstellungsvermögen reicht aber nicht soweit um zu beurteilen, ob es wirklich in der Praxis auch etwas bringt.

    Wenn immer nur durch Beschleunigung der einen Seite die andere Seite gebremst wird, wird das Gefährt wohl mal aus der Kurve fliegen

    Natürlich soll das Differenzial nicht mehr mit Gummis aufgebaut werden, da die Reibungsverluste da doch etwas hoch sind und man wahrscheinlich kein aussagefähiges Resultat erzielen kann.

    @PICture: Vielen Dank nochmal für Deine Vorschläge die mir wirklich Nachbaumöglichkeiten und neue Ideen geben. Die Quasi PWM und die Aussage, daß Kurzschließen des Motors wahrscheinlich effizienteste Möglichkeit einfachen Bremsens ist, brachte mich auf eine weitere Idee (auch noch nicht zu Ende gedacht): Die Motore werden mit PWM angesteuert. Der Impulsbeginn für beide Motore kommt gleichzeitig. Die Impulslänge für die Motore wird verglichen und bei Imulsende des einen Motors, wird dieser solange kurzgeschlossen, bis auch der Impuls für den zweiten Motor endet oder bis kurz vor neuem Pulsbeginn. Ich stell mir das nicht sonderlich effektiv vor, jedoch ein Experiment wert.

    EDIT: Video getauscht

    Gruß
    Searcher
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  9. #9
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    Die Quasi PWM und die Aussage, daß Kurzschließen des Motors wahrscheinlich effizienteste Möglichkeit einfachen Bremsens ist, brachte mich auf eine weitere Idee (auch noch nicht zu Ende gedacht): Die Motore werden mit PWM angesteuert. Der Impulsbeginn für beide Motore kommt gleichzeitig. Die Impulslänge für die Motore wird verglichen und bei Imulsende des einen Motors, wird dieser solange kurzgeschlossen, bis auch der Impuls für den zweiten Motor endet oder bis kurz vor neuem Pulsbeginn. Ich stell mir das nicht sonderlich effektiv vor, jedoch ein Experiment wert.
    Im Allgemeinen wir die Motorwicklung nach Ende des Spannungsimpulses durch die Freilaufdioden kurzgeschlossen. Es gibt dabei zwei Varianten, die verschieden stark bremsen, siehe:
    http://www.rn-wissen.de/index.php/Chopper_Betrieb
    Wenn Du insgesamt eine mangelnde Bremswirkung bemängelst, liegt das vielleicht daran, dass Du noch nicht alle Möglichkeiten des Bremsens ausgenutzt hast, man kann den Motor ja auch gegen die Drehrichtung bestromen, die Bremswirkung wird dann schon recht intensiv (leider auch der Energieverbrauch).

  10. #10
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    Die Freilaufdioden tragen nicht zum Bremsen bei. Die helfen nur die magnetisch gespeicherte Energie noch teilweise für die Vorwärtsbewegung zu nutzen (bzw. bei einer H Brücke geht ein Teil zurück in den Akku).

    Beim PWM-Betrieb ist die Auswrikung des kurzschleißens zeitabhängig: für kurze Zeiten (bis etwa 0.1...1 ms) fließt der Strom wegen der Induktivität weiter wie zuvor, und der kurzschluß wirkt ähnlich der Freilaufdiode. Erst danach ändert sich das Verzeichen des Stromes und es kommt zur Bremswrikung.

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