Motor für Lenkung - Hilfe

[Kat]

Hallo zusammen,

vorweg, ich habe bis jetzt keinerlei Berührungspunkte mit Robotern, Motoren oder irgendwas in der Richtung gehabt.

Zur Zeit gibt es einen Roboter mit 4 Rädern, der ungefähr 20kg wiegt und nochmal 10kg Nutzlast transportieren können soll.
Momentan kann der Roboter vorwärts und rückwärts fahren, hat allerdings noch kein richtiges Konzept für die Lenkung.

Jeweils zwei Räder sollen über eine Zahnstange verbunden werden und darüber gelenkt werden.
Ich soll nun einen Motor dafür raussuchen, habe aber keine Ahnung wie ich da überhaupt vorgehen soll.
Ich weiß nicht wie ich die Kräfte ausrechen soll, welche Werte und Größen ich dafür brauche und wäre wirklich dankbar für ein paar Hinweise/Denkanstöße.


Schon einmal vielen Dank im voraus.
Kathi

[021aet04]

Willkommen im Forum,
Gibt es das Fahrzeug schon oder wäre das ein kompletter Neubau?
Grundsätzlich gibt es 3 Variante.
Variante 1 wäre eine lenkung wie bei einem Panzer (linke und rechte Seite getrennt steuerbar). Dafür muss man aber viel kraft aufwenden. Diese wurde ich nicht empfehlen.
Variante 2 wäre wie bei einem Pkw/Lkw. Du hast 2 stare Räder und 2 lenkbare Räder. Dafür benötigst du 1 oder 2 Motoren zum fahren und 1 Motor für die Lenkung.
Variante 3 wäre ein knicklenker. Dafür werden ebenfalls 2 oder 3 Motoren benötigt (wie bei V2). Diese Variante wäre mein Favorit, da man beim lenken wenig kraft aufwenden muss und einen extrem kleinen wendekreis besitzt.

MfG Hannes

[Kat]

Danke.

Es gibt das Fahrzeug schon, was auch die Möglichkeiten ziemlich einschränkt, platzbedingt.

"Die Lenkung ist synchron aufgebaut, so dass der Roboter vorne und hinten lenken kann. Damit hat er einen kleineren Wendekreis." (Zitat aus einer Arbeit zum Roboter)

Momentan überfordert mich einfach die Physik ein wenig. Ich habe momentan weder Werte zur Zahnstange, zum Zahnrad auf der Welle, noch sonst etwas. Und soll den Motor auslegen.
Und allgemein ist mir nicht ganz klar, welche Kräfte wo wirken und welche für mich relevant sind.

[021aet04]

Genaue werte zu finden wird schwierig werden. Es kommt auch darauf an wo du fährst. Im Gelände benötigst du mehr Kraft als auf einer ebenen Fläche. Aber ein Scheibenwischer bzw Fensterheber Motor wäre sicher eine gute Variante. Hat viel kraft und ist selbsthemmend.

Ist das Fahrzeug so wie in Variante 2 mit 2 lenkbaren Achsen?

Wenn du genau rechnen willst benötigst du die kraft die du aufwenden musst um zu lenken. Das könntest du bestimmen indem du die Lenkung bewegst und mit einer zugwaage o.Ä. misst. Dann wählst du die zahnstange und Zahnrad aus. Damit kannst du die kraft des Motors bestimmen (Motor aber über dem berechneten wert wählen). Vielleicht reicht es wenn du das Fahrzeug belastest und dann im Stand lenkst.

MfG Hannes

[Kat]

Was wäre denn der Vorteil von einem Scheibenwischermotor gegenüber einem Getriebemotor für Modellbau von Conrad?

Ja wie Variante 2, ich habe zwei lenkbare Achsen. Nur das mit den starren Rädern habe ich nicht verstanden.

Auf die Zahnstangen und Zahnräder habe ich keinen Einfluss, dass wird von der Mechanik gemacht.

[021aet04]

Scheibenwischer bzw fensterhebermotoren sind sehr stark und relativ günstig (habe jetzt nur bei Pollin geschaut 15€ und 4Nm). Zusätzlich ist dieser Motor selbsthemmend, bedeutet das wenn du an der Welle kraft aufwendest sich nichts bewegt. Bei einem normalen Getriebe ist das anders, da würde sich die eingangswelle (motorseitig) bewegen. Vielleicht bekommst du einen von einem Unfallwagen o.Ä.

Ich habe geschrieben Variante 2 ist wie bei einem KFZ, dort ist hinten eine starre, nicht lenkbare Achse und vorne eine lenkbare Achse.

Bei der zahnstange musst du nur wissen welche Übersetzung du hast, ist ja auch nichts anderes als ein Getriebe, dadurch kannst du ausrechnen wieviel kraft der Motor an der Welle benötigt.

MfG Hannes

[i_make_it]

Roboter mit 4 Rädern,
20kg wiegt
nochmal 10kg Nutzlast

wäre wirklich dankbar für ein paar Hinweise/Denkanstöße.

Hört sich nach einer Projektaufgabe einer Fachschule an.

Hinweis 1: Gewichtskraft ==> Flächenpressung zwichen Rad und Fahrbahn.
Hinweis 2: Rollreibung < Haftreibung.
Hinweis 3: Berührungsfläche Reifen/Fahrbahn ist abhängig von Raddurchmesser, Härte des Rades (Luftdruck bei Luftbereifung) und Festigkeit des Untergrund (Straße<->Erdboden).
Hinweis 4: Reibungsbeiwert ist abhängig von der Materialpaarung Reifen/Fahrbahn.

Hinweis 5: Zuerst äußere Kräfte ermitteln.
Hinweis 6: Dann Zuschlag für Reibungskräfte in Radaufhängung und Lenkung
Hinweis 7: Zuletzt anhand der Notwendigen Kraft und der geforderten Lenkgeschwindigkeit, Motor auswählen.

weder Werte zur Zahnstange
zum Zahnrad auf der Welle
noch sonst etwas
Und soll den Motor auslegen

Es interessiert nur der Wirkungsgrad der durch Lagerreibung und Zahnflankenreibung zustandekommt. Denn kann man einfach mit Tabellenwerten einsetzen.

Davon ausgehend, daß das Lenktrapez der Achsschenkellenkung korrekt ist, gibt es abhängig vom Lenkeinschlag keine Veränderung der äußeren Kräfte. Bei falschen Winkeln im Lenktrapez wird mit zunehmendem Lenkeinschlag eine Untersteuerung des äußeren Rades und Übersteuerung des inneren Rades auftreten, was einen erhöhten Gleitreibungsanteil wärend der Kurvenfahrt zur Folge hat.

Das hat aber nichts mit der Motorauswahl zu tun, da es sich dabei um einen Fehler bei der Konstruktion der Lenkung handelt der vermeiden werden muß um den erhöhten Verschleiß der Räder zu vermeiden.

[Kat]

Danke, für alle Antworten.

Hört sich nach einer Projektaufgabe einer Fachschule an.

Hinweis 1: Gewichtskraft ==> Flächenpressung zwichen Rad und Fahrbahn.
Hinweis 2: Rollreibung < Haftreibung.
Hinweis 3: Berührungsfläche Reifen/Fahrbahn ist abhängig von Raddurchmesser, Härte des Rades (Luftdruck bei Luftbereifung) und Festigkeit des Untergrund (Straße<->Erdboden).
Hinweis 4: Reibungsbeiwert ist abhängig von der Materialpaarung Reifen/Fahrbahn.

Hinweis 5: Zuerst äußere Kräfte ermitteln.
Hinweis 6: Dann Zuschlag für Reibungskräfte in Radaufhängung und Lenkung
Hinweis 7: Zuletzt anhand der Notwendigen Kraft und der geforderten Lenkgeschwindigkeit, Motor auswählen.

Ist eine Arbeit im Praktikum ja. Und im Studium haben wir diesbezüglich nichts gemacht, außer einfache Physik.

Und danke so etwas habe ich gesucht. Haftreibung etc war mir bewusst, ich habe nur keine Vorstellung welche Kräfte sonst noch alles wirken.
Das bringt mich schon mal weiter.

[i_make_it]

Gedankenexperiment:

Fahrad Vorderrad im Stillstand um 90° Lenken.
Einmal auf 80er Schleifpapier einmal auf geölter Teflonfolie. gibt zwei exterm unterschiedliche Lenkkräfte.
Erweiterung:
Einmal mit 3 Bar auf dem Reifen und einmal mit 0,8 Bar auf dem Reifen.
Jedesmal mit dem gleichen Anpressdruck zum Boden

Notwendige Lenkkraft in Abhängigkeit von Kontaktfläche und Reibung
##| Öl-teflon | 80er
----+----------+---------
0,8 | klein |sehr groß
----+----------+---------
3,0 |sehr klein| groß

Die Gewichtskraft aus Fahrzeuggewicht und Zuladung verteilt sich auf die vier Räder, allerdings nicht unbedingt gleichmäßig. Bsp.: Bei einem PKW mit Frontmotor ist die Vorderachse durch ein stärkeres Gewicht belastet als die Hinterachse (Bei leerem Kofferaum und nur dem Fahrer im Fahrzeug) Das linke Vorderrad ist bei einem Linkslenker bei symetricher Gewichtsverteilung von Seiten des Motors, durch die Zuladung Fahrer einer höheren Gewichtskraft unterworfen als das rechte Vorderrad.
Ohne weitere Daten würde ich das Eigengewicht durch 4 Teilen und die Zuladung addieren. Das würde eine symetriche Gewichtsverteilung des Eigengewichts und eine extrem assymetriche Zuladung darstellen. Die Geometrie des Untergrundes stellt in sofern einen potentiellen Einfluß dar, als das Fahrzeug z.B. in eine Spurrille kommen kann (Bsp.: Fahradreifen in Straßenbahnschiene) oder Einsinken in lockeren Untergrund eine höhere Lenkkraft notwendig macht. Von daher ist erst zu klären ob ein Outdoor Einsatz auf unbefestigtem Untergrund vorgesehen ist oder nicht. Mit den Kräften die man ermittelt hat, kann man dann das Lenkgetriebe dimensionieren. (Damit die Zahnstange und die Anlenkhebel unter der Druckkraft nicht abknicken). Über die größe des Zahnrades (und ein paar % Aufschlag für Reibungsverluste) kommt man dann auf das notwendige Drehmoment des Motors. Mit der geforderten Einschlaggeschwindigkeit der Lenkung kommt man dann über den Zahnradumfang auf die Drehzahl des Motors/Getriebeabtriebs. mit den Daten und der gegebenenen Bordspannung wählt man dann den Motor aus. Danach kümmert man sich um die Ansteuerung des Motors. Das Meßsystem der Lenkung kann man entweder bei der Motorauswahl schon mitberücksichtigen (z.B. Getriebemotor mit Encoder) oder separat aufbauen. Wichtig ist nur, das es eine Referenzmöglichkeit für die Graderausfahrt gibt.

Wenn der Motor zwei Räder anlenkt, dann die ermittelten kräfte mal ca. 1,8 nehmen. (die Zuladung ist ja assymetrich) so kommt schon eine gute Reserve dazu. Bei allen vier Rädern über einen Motor, würde ich mal 2,5 bis 3 nehmen.

Wenn man Spurrillen ausschließt, ist also das Lenken im Stillstand und beim größten möglichen Reibungskoefizienten der interessante Lastfall. und da dann der Beginn der Bewegung. Da Haftreibung größer ist wie Gleitreibung, ist also das Losbrechmoment die größte Kraft die durch die Lenkung aufzubringen ist.

Gesandete Antirutsch Steine haben in einer urbanen Umgebung mit den höchsten Reibungsbeiwert.
Im häuslichen Umfeld dürften das Teppiche sein.

[ranke]

Noch ein paar Aspekte, die noch nicht so deutlich angesprochen wurden:

Die Lage der Achse, um die jedes Rad beim Lenken geschwenkt wird, hat wesentlichen Einfluß auf die Lenkkräfte.
Besonders interessant ist die Lage des Schnittpunkts der Schwenkachse mit der Radaufstandsebene in Bezug auf die Berührfläche des Reifens (fachsprachlich "Latsch"). Ist der Abstand groß und der Latsch relativ klein, dann kann der Reifen die Schwenkbewegung durch Abrollen vollziehen. Das geht natürlich nur, wenn das Rad frei drehbar ist. Dadurch werden die Lenkkräfte zwar angenehm klein, aber es gibt starke Stützmomente auf die Lenkung durch Antriebs- und Bremskräfte. Diese können sich zwar im symmetrischen Fall von 2 Rädern einer Achse kompensieren, unangenehm wird es aber, wenn (wie in der Praxis) die Verhältnisse nicht symmetrisch sind. Geht die Schwenkachse aber mittig durch den Latsch, gibt es keine Reaktionskräfte vom Antrieb auf die Lenkung, aber der Reifen radiert beim Lenkeinschlag, so dass relativ hohe, aber auch gut vorhersehbare Kräfte auftreten.

Ist die Schwenkachse zur Senkrechten geneigt, dann ergeben sich weitere Kräfte, so wird das Fahrzeug beim Lenken gleichzeitig angehoben oder gesenkt. Auch können Rückstellkräfte auftreten, die Abhängig von der Stärke des Lenkeinschlags wirken. Das wird bei allen Zweirädern so gemacht, bei denen die geneigte Schwenkachse deutlich vor dem Latsch liegt.

Der einfachste Fall (Schwenkachse senkrecht, geht mittig durch den Latsch) wäre für eine einfache Abschätzung der Lenkkräfte anzustreben. Konstruktiv kann diese Auslegung manchmal schwierig sein, weil die Lagerung der Schwenkachse mit den sonstigen, in der Radebene befindlichen Bauteilen kollidiert. Das ist dann aber ein anderes Thema.