Motoren für "Traktor" Lenkung

[ranke]

Es geht hier rein um einen zusätzlichen "Stell"motor, mit dem ich die Radposition verändern möchte.

Gut, dann ist das schon mal geklärt, ich konnte das aus Deinem ersten Posting nicht klar herauslesen, ob Du Antriebs- oder Stellmotor meinst (und andere, die Dir geantwortet haben offensichtlich auch nicht).

Das nötige Moment für den Stellmotor hängt in hohem Maß von der Lenkgeometrie ab. Im besonderen geht es um den Abstand zweier (theoretischer) Punkte auf der Radaufstandsfläche. Der erste Punkt ist der gedachte Aufstandspunkt der Reifens (der in Wahrheit eine Fläche ist), der zweite Punkt ist der Schnittpunkt von Aufstandsfläche und der etwa senkrechten Schwenkachse des Rades. Dieser Abstand wird in der Fahrzeugtechnik auch Lenkrollradius genannt.
Abhängig vom Lenkrollradius spielen folgende Bewegungskräfte für das Antriebsmoment eine Rolle:

1. Fall, Lenkrollradius = 0:
Hier spielen Antriebs- und Bremskräfte keine Rolle, die Betätigungskraft ist im Stillstand auf griffiger Fahrbahn und bei niedrigem Luftdruck am höchsten. Sie läßt sich aus der Haftreibung Reifen zu Boden und der Größe der Radaufstandsfläche abschätzen.

2. Fall, Lenkrollradius ungleich Null:
Je höher das Verhältnis des Betrags des Lenkrollradius zur Reifenbreite, desto stärker werden die Antriebs- und Bremskräfte auch über die Schwenkachse des Rades und damit über den Lenkantrieb abgestützt. Ist der Lenkrollradius (betragsmäßig) größer as die halbe Reifenbreite, dann dominieren diese Kräfte mit Sicherheit über die Reibkräfte.

Falls die Schwenkachse nicht senkrecht ist, gibt es eine zusätzliche Höhenänderung des Fahrzeugs bei Lenkeinschlag, die ebenfalls ein resultierendes Lenkmoment erzeugt. Bei den geforderten hohen Einschlagwinkeln ist aber ein größeres Abweichen von der Senkrechten kaum sinnvoll.

Fazit für geringe Lenkmomente: Idealerweise Lenkrollradius nahe Null bei nahezu senkrechter Schwenkachse. Das ist in der Praxis oft schwierig zu realisieren, weil dann die Anlenkungen für die Schwenkachse in der Radscheibenebene liegen müssen, wo meistens kein Platz dafür da ist. Diese Anordnung ist auch in anderer Hinsicht günstig (keine Anhängigkeit der Radaufstandspunkte vom Lenkeinschlag, minimaler Platzbedarf für das Rad). Das obere Schwenklager kann evt. auch oberhalb des Rades angeordnet werden.

[huluvu]

Hier nochmal ein paar Infos zum "Andifant", obwohl ich denke, dass das für dein Vorhaben eh nicht so relevant ist (Panzerlenkung). Die beiden Motoren haben wie schon gesagt je 4kW. Im Fahrzeug waren original 2 Bleibatterien a 12V, 180Ah verbaut. In meinem Fall war ich auf gebrauchte LKW Starterbatterien a 175Ah angewiesen. Damit konnte ich etwa ne halbe Std. "arbeiten"...wenn´s überwiegend geradeaus ging. Jede Drehung hat gefühlte 5min Akkulaufzeit gekostet. Wobei es sich ja um gebrauchte Akkus gehandelt hat....
Das hier ist vielleicht noch interessant: Ein "Fahrzeug" was deinem Konzept ein Wenig nahekommt...http://www.rumsauer.eu/produkte/spider.html
Eine relativ einfache Möglichkeit auf Lenkrollradius "0" zu kommen und somit die Lenkkräfte gering zu halten, wäre, die Räder/Antriebe schräg zu stellen.
Gruß,
Robert

[hbquax]

Formulierungshilfe:

".... einen Kleintraktorreifen zwecks Lenkung um die Hochachse auf der Stelle drehen...."

Das im ersten Posting hätte das ganze Gelaber hier überflüssig gemacht.

Für die Lenkmomentabschätzung: Ich würde vereinfachend annehmen, das eine Kraft, die du mit Radlast mal Reibwert berechnest, auf einem Radius angreift, welcher der halben Reifenbreite entspricht.

Gruß
Nils

[maju]

... Das im ersten Posting hätte das ganze Gelaber hier überflüssig gemacht ...

Tschuldige. Ich dachte schon der Thread Titel hätte klar gemacht, dass ich nur Motoren für die Lenkung Suche und keine Antriebsmotoren.

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Hier nochmal ein paar Infos zum "Andifant", obwohl ich denke, dass das für dein Vorhaben eh nicht so relevant ist (Panzerlenkung). Die beiden Motoren haben wie schon gesagt je 4kW. Im Fahrzeug waren original 2 Bleibatterien a 12V, 180Ah verbaut.

Na ja, dass sind knapp über 4kWh Kapazität beim Andifanten.

Bei meinem Vekikel sind derzeit 12x Versorgerbatterien geplant mit je 12V 100Ah. Das sind >14kWh.
Die "richtige" Lenkung statt der Panzerlenkung wird zudem helfen, erheblich Energie zu sparen so hoffe ich.

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Gut, dann ist das schon mal geklärt, ich konnte das aus Deinem ersten Posting nicht klar herauslesen, ob Du Antriebs- oder Stellmotor meinst (und andere, die Dir geantwortet haben offensichtlich auch nicht).

Das nötige Moment für den Stellmotor hängt in hohem Maß von der Lenkgeometrie ab. Im besonderen geht es um den Abstand zweier (theoretischer) Punkte auf der Radaufstandsfläche. Der erste Punkt ist der gedachte Aufstandspunkt der Reifens (der in Wahrheit eine Fläche ist), der zweite Punkt ist der Schnittpunkt von Aufstandsfläche und der etwa senkrechten Schwenkachse des Rades. Dieser Abstand wird in der Fahrzeugtechnik auch Lenkrollradius genannt ...

Danke für deine Ausführungen. Da ich die Räder um 180° bewegen kann, liegt die Lenkachse senkrecht und parallel zum Reifenquerschnitt und ist somit >0. Bei derzeitiger Konstruktion liegt der Lenkrollradius bei 108mm. Zur Berechnung welche Kraft benötigt wird, gehe ich vom "schlimmsten" Fall aus: Gummiräder auf Beton und die Räder blockieren (= drehen nicht mit) während das Rad gedreht wird. Wenn ich den Motor so dimensioniere, dass er das schafft, so bin ich auf der sicheren Seite.

Wichtig sind sicher die Radbelastung (nehme ich mal mit 350kg an => 3500N).
Wichtig ist auch der Lenkrollradius: 108mm
Multipliziere ich die Werte, bekomme ich von der Einheit schon mal ein Moment.

Wo spielt aber nun die Fläche des Reifen bzw. der Untergrund eine Rolle?
Vermutlich gibt's hier einfach einen Faktor, der abhängig ist vom Untergrund und dem Reifen.
Hat hier Jemand eine Ahnung bzgl. der Richtwerte?

Martin

[ranke]

Wichtig sind sicher die Radbelastung (nehme ich mal mit 350kg an => 3500N).
Wichtig ist auch der Lenkrollradius: 108mm
Multipliziere ich die Werte, bekomme ich von der Einheit schon mal ein Moment.

Wo spielt aber nun die Fläche des Reifen bzw. der Untergrund eine Rolle?
Vermutlich gibt's hier einfach einen Faktor, der abhängig ist vom Untergrund und dem Reifen.
Hat hier Jemand eine Ahnung bzgl. der Richtwerte?

Das wäre der Reibwert rho, der in der Praxis maximal etwa 1 wird, bei guten Reifen und griffiger Fahrbahn.
Damit rechnet sich das Reibmoment, das die Lenkung aufbringen muß zu etwa:
Mr = m*g*rho*Lenkrollradius = 378 Nm
Die Formel vereinfacht insofern, weil es mit einem Aufstandspunkt des Reifens rechnet, statt mit einer Aufstandsfläche. Das kann man auch leicht daran erkennen, dass das nötige Lenkmoment nach der Formel Null wird, wenn der Lenkrollradius Null gewählt wird. Das ist natürlich unrichtig. In diesem Fall wäre dann die halbe Reifenbreite als "Ersatzradius" anzusetzen.

[maju]

Das wäre der Reibwert rho, der in der Praxis maximal etwa 1 wird, bei guten Reifen und griffiger Fahrbahn.
Damit rechnet sich das Reibmoment, das die Lenkung aufbringen muß zu etwa:
Mr = m*g*rho*Lenkrollradius = 378 Nm
Die Formel vereinfacht insofern, weil es mit einem Aufstandspunkt des Reifens rechnet, statt mit einer Aufstandsfläche. Das kann man auch leicht daran erkennen, dass das nötige Lenkmoment nach der Formel Null wird, wenn der Lenkrollradius Null gewählt wird. Das ist natürlich unrichtig. In diesem Fall wäre dann die halbe Reifenbreite als "Ersatzradius" anzusetzen.

Danke für die Hilfe.
Ich denke alle Parameter die das Drehmoment erhöhen, kann ich vernachlässigen, da im Normalfall ja die Räder nicht blockierend über den Asphalt radieren müssen sondern ich die Steuerung so programmiere, dass ich die Räder leicht antreibe in Richtung der Lenkbewegung. Somit dürfte das eigentlich benötigte Lenkmoment um Potenzen niedriger sein als bei der Annahme.

Ausserdem: Da die Lenkbewegung ja nicht sehr schnell sein muss, kann ich den Motor über ein Zahnrad untersetzen. Bei einer 10:1 Untersetzung reicht somit ein Motor mit einem Moment von 30-40Nm ohne Probleme aus.

Nochmals vielen Dank für eure Hilfe.
Jetzt kann ich mal was bestellen ohne viel zu raten und werde sehen, wie das in der Praxis funktioniert.

Martin

[ranke]

Ich denke alle Parameter die das Drehmoment erhöhen, kann ich vernachlässigen, da im Normalfall ja die Räder nicht blockierend über den Asphalt radieren müssen sondern ich die Steuerung so programmiere, dass ich die Räder leicht antreibe in Richtung der Lenkbewegung. Somit dürfte das eigentlich benötigte Lenkmoment um Potenzen niedriger sein als bei der Annahme.

Die Strategie, den Antrieb so zu steuern, dass er die Lenkbewegung unterstützt, wird wahrscheinlich nicht in allen Fahrzuständen gut funktionieren. Du mußt auch bedenken, dass die normalen Antriebskräfte ein rückwirkendes Moment auf die Lenkung aufbringen, die der Lenkmechanismus abstützen muß, selbst wenn eine Richtungsänderung gar nicht gewünscht ist. Jedesmal wenn Du an einem Rad "Vollgas" gibst, muß der Lenkmechanismus dieses Rads ca. 380 Nm abstützen nur um die Richtung beizubehalten! Das könnte man zwar mit einem selbsthemmenden Getriebe abfangen, das ist aber vielleicht keine gute Idee. Selbsthemmende Getriebe haben generell eine erhöhte Reibung, wenn man dann gegen das volle Antriebsmoment gegenlenken muß, ist das vom Lenkmotor aufzubringende Moment noch größer als abgeschätzt.
Da Du den Antrieb recht großzügig dimensioniert hast, werden solche Momente regelmäßig auftreten, ein zusätzlicher Sicherheitszuschlag ist meiner Meinung nach durchaus gerechtfertigt.

Da die Lenkbewegung ja nicht sehr schnell sein muss, kann ich den Motor über ein Zahnrad untersetzen. Bei einer 10:1 Untersetzung reicht somit ein Motor mit einem Moment von 30-40Nm ohne Probleme aus.

Das ist sicher richtig. Das Lenkgetriebe muß eben so dimensioniert werden, dass es die nötigen Momente aushält. Wenn man sich eine brauchbare Winkelgeschwindigkeit für die Schwenkbewegung überlegt und einen Zuschlag für die Getriebeverluste einrechnet sieht man schnell, welche Motorleistung für die Lenkung installiert werden muß. Aufgrund dieser Überlegung sucht man sich einen geeigneten Motor und hat dann alle Daten um das Lenkgetriebe rechnen zu können.

[maju]

Die Strategie, den Antrieb so zu steuern, dass er die Lenkbewegung unterstützt, wird wahrscheinlich nicht in allen Fahrzuständen gut funktionieren. Du mußt auch bedenken, dass die normalen Antriebskräfte ein rückwirkendes Moment auf die Lenkung aufbringen, die der Lenkmechanismus abstützen muß, selbst wenn eine Richtungsänderung gar nicht gewünscht ist. Jedesmal wenn Du an einem Rad "Vollgas" gibst, muß der Lenkmechanismus dieses Rads ca. 380 Nm abstützen nur um die Richtung beizubehalten! ...

Annahme ist, dass die auftretenden und auf den Lenkmotor rückwirkenden Momente aus der Fahrdynamik nie höher werden können, als das der Reifen die Haftung verliert. Da der Lenkmotor auf die Haftungsgrenze der Reifen ausgelegt ist, fühle ich mich hier auf der sicheren Seite.

Da die Lenkmotoren über eine Mikroprozessorsteuerung geregelt werden, sollten entstehende kleinere Positionsänderungen der Lenkung durch Antriebskräfte auch sofort korrigiert werden, da der Mikroprozessor ja ständig dafür sorgt, dass die Motoren in der von der Lenkung vorgegebenen Stellung sind.

Auch rückwirkenden Momente aus der Fahrdynamik (= Kurvenfahrten oder "Vollgas" aus dem Stand bei eingeschlagenen Rädern) dürften auch deshalb gering sein, weil ich die Antriebe der 4 Räder ebenfalls über einen Mikroprozessor gesteuert werden. D.h. je nach Lenkeinschlag wird der durch den Lenkeinschlag gewünschte Kurvenradius berechnet und der Umfang dieser je nach Rad unterschiedlichen Lenkkreise in Relation zueinander gesetzt. Das Rad auf dem größten Kreisradius bekommt 100% der gewählten Antriebsleistung und die anderen Räder nur die aliquoten Anteile laut Verhältnis der Lenkkreise. So verhindere ich das Durchdrehen der inneren Räder auch bei sehr engen Kurven und somit sicher auch eine deutliche Verminderung von rückwirkenden Momenten auf die Lenkung durch die Fahrdynamik.

Trotzdem Danke für den Hinweis. Mal sehen ob ich einen Motor finde, der über eine ausreichende Eigenhemmung verfügt, damit die Steuerung nicht ständig nachregeln muss.

Martin