Inhalt - Albert Schweitzer Gymnasium Limbach
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Inhalt 1. 2. 3. 4. Einleitung............................................................................................................................. 1 1.1 Einleitung und Ziel dieser BeLL .................................................................................... 1 1.2 Definition RC-Modellbau ............................................................................................. 2 Konstruktion/ Planung ........................................................................................................ 3 2.1 Anforderungen an das Modell ..................................................................................... 3 2.2 Erstellung eines 3D-Modells (CAD-Modell) ................................................................. 4 2.3 Erstellung einer Teileliste ............................................................................................ 6 2.3.1 Zugekaufte Teile ................................................................................................... 6 2.3.2 Teile aus Eigenfertigung ....................................................................................... 8 Herstellung/ Montage ....................................................................................................... 10 3.1 Fahrgestell.................................................................................................................. 11 3.2 Antriebsstrang ........................................................................................................... 13 3.3 Kipper ......................................................................................................................... 15 3.4 Karosserie .................................................................................................................. 19 3.5 Elektronik ................................................................................................................... 21 Funktionstest..................................................................................................................... 29 4.1 Ermitteln von Eigenschaften...................................................................................... 29 4.1.1 Zugkraft............................................................................................................... 29 4.1.2 Höchstgeschwindigkeit....................................................................................... 30 4.1.3 Motordrehmoment ............................................................................................ 31 4.2 Erprobung/Praxiseinsatz............................................................................................ 33 5. Fazit ................................................................................................................................... 34 6. Eidesstaatliche Erklärung .................................................................................................. 35 7. Quellen .............................................................................................................................. 36 7.1 Bücher und Presseartikel ........................................................................................... 36 7.2 Onlinedokumente ...................................................................................................... 36 7.3 Bildnachweis .............................................................................................................. 36 8. Anhang ................................................................................................................................ 38 0 1. Einleitung 1.1 Einleitung und Ziel dieser BeLL Der Weg eines Produktes im modernen Maschinenbau, von der ersten Idee bis zur Fertigstellung, ist häufig ein langwieriger Prozess, welcher oftmals von Rückschlägen geprägt ist. In dieser Zeit müssen einige wichtige Faktoren, die sowohl für den Absatz, als auch für die Konkurrenzfähigkeit des Herstellers maßgebend sind, beachtet werden. Dazu zählen zum Beispiel die Entwicklungsdauer oder die Materialauswahl, welche zum einen aus finanzieller und zum anderen aus produktionstechnischer Sicht zu betrachten ist, aber auch Faktoren, wie eine mögliche zu große Konkurrenz und der Gewinn des Unternehmens am später verkauften Produkt, sind nicht zu vernachlässigende Tatsachen. So werden beispielsweise im Laufe der Konstruktion sehr innovative Entwicklungen hervorgebracht, welche sich dann aber während den ersten Produktionsversuchen als zu umständlich oder nicht realisierbar erweisen und anschließend verworfen werden müssen. Aber nicht nur bei der Entwicklung eines Produktes innerhalb eines gewinnorientierten Unternehmens ist dieser Weg nach zu verfolgen, sondern auch im privaten Bereich. So ist es auch im Modellbau erforderlich, auf gewisse Kriterien zu achten. Hierbei spielen die Kosten und der Arbeitsaufwand die vorrangige Rolle. Aber auch die Herstellungsverfahren und der Einsatz moderner Maschinen und Methoden hat längst im Modellbau Einzug gehalten. Deshalb ist es möglich, den Prozess von der Entwicklung bis zum fertigen Modell realitätsnah, als Pendant zum industriellen Maschinenbau zu verfolgen. In der nachfolgenden besonderen Lernleistung mit dem Thema „RC-Modellbau - Von der Idee zum fertigen Fahrzeug“ werde ich den Verlauf der Herstellung eines ferngesteuerten LKW-Modells im Maßstab 1:16 dokumentieren. Dabei ist es mein Ziel, die angewendeten Technologien beziehungsweise Programme zu beschreiben, sowie die Probleme und deren Lösung, mit denen ich beim Bau konfrontiert wurde, zu erläutern. 1 1.2 Definition RC-Modellbau Als RC-Modellbau wird die Herstellung von Modellen verstanden, deren Funktionen mittels einer Fernsteuerung bedient werden. Die Abkürzung RC, welche aus dem englischen Sprachraum stammt, steht dabei für „Radio Controlled“ oder „Remote Controlled“1 und bedeutet so viel, wie Funk-gesteuert beziehungsweise ferngesteuert. Der Begriff „radio“ weist auf die Übertragung der Signale per Radiowellen hin. Unter Modellen versteht man dabei, die maßstabsgetreue Nachbildung eines realen Objektes. Der Maßstab beschreibt dabei wie groß ein Modell im Verhältnis zum Original ist. Ein Modell kann sowohl in verkleinerter Form, so zum Bespiel der im Rahmen dieser besonderen Lernleistung angefertigte LKW, als auch in realer Größe, wie bei der Prototypenfertigung im Automobilbau hergestellt werden. Des Weiteren findet man auch Modelle in einem vergrößerten Maßstab im Vergleich zum Original, wie es beispielsweise bei Nachbildungen von Insekten der Fall ist, um bauliche Besonderheiten aufzuzeigen. 1 „Technik und Begriffe“: http://www.mac-dannstadt.de/technik-begriffe.html: MAC Dannstadt [Stand:14.11.2015] 2 2. Konstruktion/ Planung 2.1 Anforderungen an das Modell Am Anfang der Planung bestand die Frage, welcher Fahrzeugtyp als Vorbild dienen und welche Eigenschaften das funktionstüchtige Modell haben soll. Da ich die Kabine eines vorhandenen MAN-LKWs verwenden wollte, war seit Beginn klar, dass ein Typ aus dem Programm dieses Herstellers gewählt werden soll. Auch sollte ein Baustellenfahrzeug konstruiert werden, weshalb nur Typen mit zwei, drei oder vier Achsen zur Auswahl standen. Ein Modell mit zwei Achsen schied aber aus, weil die Kabine dafür eingekürzt werden muss. Dann kann allerdings die Elektronik nicht in der Kabine platziert werden und am relativ kleinen Modell wäre es höchstwahrscheinlich nicht möglich gewesen, alle Komponenten sachgemäß unterzubringen. Ein Vierachser schied ebenfalls aus. Hier ist zwar weder die Kabine zu kürzen, noch hätte Platznot bestanden, aber Aufgrund des hohen Gewichts wären zwei gelenkte angetriebene Vorderachsen und zwei angetriebene Hinterachsen notwendig und damit wären hohe Kosten verbunden. Nun fiel die Wahl auf ein dreiachsiges Modell, bei dem die Vorderachse gelenkt und gegebenenfalls angetrieben ist, sowie die Hinterachsen angetrieben sind. Des Weiteren mussten die Funktionen, welche umgesetzt werden sollten, festgelegt werden. Zunächst zählen hierzu die zwei Grundfunktionen: Lenken und Fahren. Wobei das Fahren mehrere Möglichkeiten eröffnete, da es sowohl LKWs mit oder ohne angetriebener Vorderachse gibt. Weil aber ein Baustellenfahrzeug auch geländetauglich sein muss und somit bestenfalls über einen Allradantrieb verfügt, entschied ich mich, die Vorderachse angetrieben zu gestalten. Die Geländetauglichkeit als solche ist ebenso eine Funktion von großer Priorität, da das Modell auch in schwierigem Terrain, das heißt abseits von glatter Straße, auf Sand und Erde mit Steigungen gut vorankommen soll. So muss die Bodenfreiheit möglichst groß gewählt werden und die Achsen müssen so aufgehängt sein, dass diese Unebenheiten im Boden ausgleichen können. Aus diesem Grund sollte jede Achse mit Blattfedern und die Hinterachsen mit einer speziellen Achsaufhängung gelagert sein. Eine weitere Funktion ist die kippbare Ladefläche, welche ebenfalls typisch für ein Baustellenfahrzeug ist. Den letzten Part macht die Beleuchtung aus. Hierbei sollten Fahrlicht, Blinker und Bremslicht, sowie eine Rundumleuchte umgesetzt werden. 3 2.2 Erstellung eines 3D-Modells (CAD-Modell) Die gesamte Konstruktion des LKW-Modells erfolgte mithilfe einer computergestützten, sogenannten CAD-Software. Die Abkürzung stammt aus dem Englischen und steht für „Computer Aided Design“. Das hierbei verwendete Programm ist Autodesk Inventor Professional 2015. Diese Software basiert auf einem dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystem mit den Achsen X, Y und Z. Dabei bilden die jeweiligen Achsen die drei Ebenen XY, XZ und YZ. Das verwendete Format ist für einzelne Bauteile „.ipt“, für Baugruppen „.iam“ und für Zeichnungen „.dwg“. Am Anfang nahezu jeder Konstruktion im Inventor steht das Erstellen einer 2D-Skizze. Zuerst wählt man eine der drei Ebene aus, auf der die Skizze erstellt werden soll. Anschließend kann man beim Erstellen der Skizze zum einen Linien auf die Ebene legen und diesen dann Abhängigkeiten zuweisen, wie zum Beispiel das Festlegen der Abhängigkeit Lotrecht für die Rechtwinkligkeit zweier Linien. Zum anderen ist es aber auch möglich, Formen zu verwenden, die bestimmte Abhängigkeiten bereits besitzen. Dazu gehört beispielsweise das Rechteck, dessen Linien bereits im rechten Winkel zueinander stehen. In beiden genannten Vorgehensweisen müssen den entstandenen Formen aber immer Bemaßungen hinzugefügt werden, um die richtige Größe des zu konstruierenden Objektes zu gewährleisten. Da die benötigten Bauteile nach Plänen des Herstellers der Originalmaschine entstehen sollten, wurden als Basis für einige Konstruktionen, Zeichnungen eines echten LKWs verwendet (siehe Abbildungen 1 bis 4). Nachdem die Zeichnungen passend zum Maßstab skaliert wurden, dienten sie als Grundlage für die Erstellung der 2D-Skizze. Nach Fertigstellung der Skizze kann man mit der eigentlichen 3DModellierung beginnen. Hierbei steht eine sehr große Anzahl von verschieden Werkzeugen zur Verfügung. Das am meisten benutzte, Abbildungen 1 bis 4 „Von der Zeichnung zum Modell der Kabine“ 4 ist dabei die Extrusion. Dabei wird aus der auf einer Ebene skizzierten Form in Richtung der in der Ebene nicht enthalten Achse ein dreidimensionaler Körper erzeugt. So wird zum Beispiel bei einer auf der XY-Ebene entstandenen Skizze, in Richtung der Z-Achse extrudiert. Anschließend kann man dem Körper beispielsweise Bohrungen zufügen. Auch hier bildet die Erstellung einer 2D-Skizze die Grundlage, in der man die Lage der Löcher festlegt. Hierbei kann man zwischen einer Vielzahl von Bohrungstypen, wie einem Durchgangsloch oder einem Innengewinde, wählen. Ebenso ist auch die Konstruktion von Blechteilen möglich. Hierbei legt man zuerst durch eine 2D-Skizze die Größe des Blechs fest und anschließend kann dieses gekantet oder gebohrt werden, um einige Beispiele zu nennen. Nach Fertigstellung der einzelnen Bauteile können diese zu einer Baugruppe zusammengefügt werden. Hierbei platziert man als Erstes die zu verwendenden Bauteile und weist diesen dann Abhängigkeiten zu. Danach können jene durch Schweiß- oder Schraubverbindungen bei Notwendigkeit fest verbunden werden. Wenn das Material der einzelnen Teile festgelegt wurden ist, kann man nach Abschluss der Konstruktion das Volumen, die Masse und die Festigkeit berechnen lassen. Hierbei lässt sich aus einer Vielzahl von Metallen, Hölzern, Flüssigkeiten und Kunststoffen wählen. Für die spätere Produktion eines Bauteils, beziehungsweise die Montage von mehreren Bauteilen zu einer Baugruppe, ist die Erstellung einer technischen Zeichnung notwendig. Wenn die Erstellung des Teils oder der Gruppe fehlerfrei erfolgte und alle Bemaßungen richtig zugewiesen wurden, ist Inventor in der Lage, die technische Zeichnung nach Vorgabe der gewünschten Ansichten selbstständig zu erstellen. Ebenso kann man auch gewünschte Bemaßungen, entsprechend des Bauteils, auf der Zeichnung anzeigen lassen oder Beschriftungen einfügen. Auch können bei Bedarf lediglich Ausschnitte oder Unterbrechungen dargestellt werden. Falls man ein Blechteil erstellt hat, ist es nun möglich, eine sogenannte Abwicklung auf der Zeichnung zu platzieren. Dies ist eine besondere Ansicht des Bleches in seinem nicht gekanteten Urzustand. Dabei kann man abhängig von dem im Bauteil festgelegten Biegeradius der Kante oder Lasche, die benötigte Fläche an Material ohne umständliche Berechnungen anzeigen lassen. Des Weiteren wird eine entsprechende Linie projiziert, die angibt, an welche Stelle das Blech kantet werden muss. 5 2.3 Erstellung einer Teileliste 2.3. 1 Zugekaufte Teile Pos. Bezeichnung Anz. Verwendung Hersteller 01 1 Kabine Bruder 4 Kabine Seitz-Modellbau 03 Bruder MAN TGA LKW mit Kippmulde Sonnenblende Halter Flachdach Sonnenblende 1 Kabine Seitz-Modellbau 04 Frontspiegel 1 Kabine Seitz-Modellbau 05 Rampenspiegel 1 Kabine Seitz-Modellbau 06 Baustellen Stoßstange 1 Kabine Seitz-Modellbau 07 1 Akku Hacker 1 Sender Carson 1 Empfänger Carson 1 Anhängerkupplung Carson 11 LiPo 5000mAh 2S/7,4V 37 Wh 20C Reflex Stick ultimate touch 2,4g transmitter Reflex Stick ultimate touch 2,4g receiver Zugmaul mit Deichsel RCmechanisch Truck Puller 3 7,2V 1 Motor LRP 12 Truck-Achse mit Durchtrieb 1 Hinterachse Tamiya 13 Truck-Achse ohne Durchtrieb 1 Hinterachse Tamiya 14 1 Fahrregler Tamiya 15 Elektronischer Fahrregler TEU-105BK Geländereifen breit 6 Bereifung Veroma 16 M3 x 8 Sechskantschraube 50 Befestigungsmaterial Reyher 17 M3 x 16 Sechskantschraube 50 Befestigungsmaterial Reyher 18 M4 x 25 Sechskantschraube 50 Befestigungsmaterial Reyher 19 M3 Sechskantmutter normal/selbstsichernd M3 Gewindestange jew. 100 1 Befestigungsmaterial Reyher Befestigungsmaterial Reyher jew. 50 1 Befestigungsmaterial Reyher 22 M4 Sechskantmutter normal/selbstsichernd M5 Gewindestange V4A Kippantrieb Reyher 23 Kugelkopf M3 Polyamid 10 Achsaufhängung Karvan 24 RC-Car Servo 1 Lenkung Modelcraft 26 Zahnrad Modul 1, 30 mm 60 1 Getriebe Modelcraft 02 08 09 10 20 21 6 27 Zahnrad Modul 1, 11 mm 20 1 Getriebe Modelcraft 28 Spezialkugellager für RC-Cars 8 8 Getriebe bzw. Lagerung Modelcraft x 5 x 2.5 vordere Felge 29 Modellbau Getriebemotor 12V 120 U/min Gleichstrommotor 1 Kippantrieb kimke-wei-uk 30 Mitnehmer 3 Antriebsstrang REELY 31 Antriebswelle 2 Antriebsstrang REELY 32 Kardangelenk 2 Antriebsstrang fimobau2014 33 Mikro-Servo 2 Kipper Modelcraft 34 Truck Puller Regler 1 Fahrregler LRP 35 Truck Puller Vector K4 1 Motor LRP 36 Endschalter 1 Kippantrieb Conrad 37 Thor 14 Fahrregler 1 Kippantrieb CTI-Modellbau 28 ESM 2 (Endschaltermodul) 1 Kippantrieb CTI-Modellbau 7 2.3. 2 Teile aus Eig enfertigung Pos. Bezeichnung Anz. Verwendung Material 1 Hauptrahmen-Profil 2 Hauptrahmen Aluminium-Blech 1,5 2 Hauptrahmen-Querholme 4 Hauptrahmen Aluminium-Blech 1,5 3 Heckabschluss 1 Hauptrahmen Aluminium-Blech 1,5 4 Heckstoßstange-Aufnahme 2 Hauptrahmen Aluminium-Blech 1,5 5 Heckstoßstange-Stange(3-teilig) 1 Hauptrahmen Silberstahlwelle 8 6 Achs-Halter 2 Achsaufhängung Aluminium 8mm 7 Feder-Halter 2 Achsaufhängung Aluminium 6mm 8 Blattfeder hinten (6 Lagen) 4 Achsaufhängung Federstahl 0,6 9 Blattfeder vorn (6 Lagen) 2 Achsaufhängung Federstahl 0,6 10 Achs-Aufnahme 2 Achsaufhängung Stahl Blech 1 11 Kugelkopf-Aufnahme 4 Achsaufhängung Aluminium Blech 1,5 12 Dreieck-förmigen Anlenker 2 Achsaufhängung div. Messing-Profile 13 Motorhalter 1 Befestigung Motor Aluminium-Blech 1,5 14 Getriebe-Halter 2 Befestigung Aluminium-Blech 1,5 Getriebe 15 Getriebe-Seitenwand 2 Getriebe Sandwich-Blech 4 16 Kommunalplatte-Rahmenverb. 2 Kommunalplatte Aluminium-Blech 2 17 Kommunalplatte-Platte 1 Kommunalplatte Aluminium-Blech 3 18 Kommunalplatte-Aufnahme 1 Kommunalplatte Aluminium 6 mm 19 Vorderachse 1 Vorderachse Aluminium 15 mm 20 Bordwand (links, rechts) je 1 Kippaufbau Aluminium-Blech 1,5 21 Bordwand (hinten) 1 Kippaufbau Aluminium-Blech 5 22 Kipper-Grundplatte 1 Kippaufbau Aluminium-Blech 2 23 Kipper-Vorderwand 1 Kippaufbau Aluminium-Blech 2; 5 24 Kipper-Holme (hinten) 2 Kippaufbau Aluminium-Blech 5 25 Kipper-Schutzblech 1 Kippaufbau Polystyrol 26 Kipper-Leiter-Holm(lang/kurz) je 1 Kippaufbau Kupfer rund 2 27 Kipper-Leiter-Stufe 3 28 Hilfsrahmen-Profil 2 Kupfer-Blech 1 Kippantrieb Aluminium-Blech 1,5 8 29 Kippantrieb-Bock 1 Kippantrieb Aluminium-Profil 2 x 15 30 Kippantrieb-Schieber 1 Kippantrieb Aluminium-Profil 2 x 15 31 Kippantrieb-Klotz 1 Kippantrieb Aluminium-Blech 10 32 Hilfsrahmen-Querverbinder 1 Kippantrieb Aluminium-Blech 5 33 Hilfsrahmen-Motorhalter 2 Kippantrieb Aluminium-Blech 5 34 * Felge 6 Antriebsstrang Aluminium Rundmaterial *Im Anhang ist eine technische Zeichnung der Felge zu finden. Abbildung 5 „Teile aus Eigenfertigung im lackiertem Zustand“ 9 3. Herstellung/ Montage Die eigentliche Arbeit bestand nun darin, die am Computer entwickelten Teile gemäß den Zeichnungen in der notwendigen Genauigkeit zu fertigen. Ebenso mussten die ausgewählten Komponenten, wie zum Beispiel der Fahrmotor richtig eingebaut werden, um eine lange Funktionstüchtigkeit des Modells zu gewährleisten. Da die Vorstellung der Produktion oder Montage jedes einzelnen Bauteils den Rahmen dieser Arbeit überschreiten würde, erfolgte eine Gliederung des LKWs in die nachfolgenden vier Sektionen. Diese sind in Abbildung 5, durch die unterschiedlichen Färbungen der Komponenten des CAD-Modells zu sehen. Dabei entspricht Orange dem Fahrgestell, Gelb dem Antriebsstrang, Grün dem Kipper, blau der Elektronik und Rot der Karosserie sowie weiteren ästhetischen Bauteilen. Im Anhang ist eine technische Zeichnung des Modells von verschiedenen Seiten zu finden. Anhand solcher Pläne wurden alle selbstgebauten Teile hergestellt. Abbildung 6 „Sektionen des Modells“ 10 3.1 Fahrgestell Das Fahrgestell bildet, wie bei einem echten LKW, die Grundlage des Modells, da er die gesamte Last trägt und nahezu alle Aufbauten an ihm angebracht sind. Aus diesem Grund ist es umso wichtiger, eine große Stabilität zu gewährleisten. Hierbei müssen jedoch auch Gewicht, Bearbeitungsmöglichkeiten und Abbildung 7 „Rahmen mit eingebautem natürlich der Preis berücksichtigt werden. Getriebe“ Aufgrund der leichten Bearbeitung wurden die Materialien Kupfer und Messing, wie zum Beispiel dem Löten, ausgewählt. Da damit allerdings auch ein sehr hoher Preis verbunden ist, musste als Hauptmaterial eine Alternative gesucht werden. Hierbei wurde das Metall Aluminium, aufgrund des relativ niedrigen Preises, in Betracht gezogen und ausgewählt. Abbildung 8 „Hinterachsaufhängung im Das Fahrgestell besteht im Wesentlichen aus Detail“ zwei U-förmigen Hauptrahmen-Profilen, welche durch 4 Querholme verbunden sind. Wegen dieser Bauweise spricht man von einem für Lastwagen typischen Leiterrahmen. Diese Teile wurden selbst gekantet und sollten nun miteinander verklebt werden. Da es jedoch trotz des Einsatzes eines besonders festen 2-Komponenten-Epoxidharzklebers zum Bruch kam, wurde auf eine klassische Schraubverbindung gesetzt. Am Rahmen ist auch eine sogenannte Kommunalplatte angebracht worden, um den Einsatz eines Schneepfluges , getreu einem echten LKW, zu ermöglichen. Aber viel wichtiger und arbeitsaufwändiger als die Kommunalplatte, ist die Achsaufhängung. Diese stellte die erste größere Herausforderung im Bau des Modells dar. Auch hier sollten alle Teile aus Aluminium gefertigt werden. Lediglich die dreieckförmigen Anlenker für die beiden hinteren Achsen würden dem Plan nach aus Messing-Profilen entstehen. Alle konstruierten Teile entstanden, bis auf einzelne wenige Ausnahmen, in eigener Herstellung ohne den Einsatz von, der im Maschinenbau alltäglichen, CNC-Technik. Jedoch konnte auf Dreh- sowie Bohrmaschine, diverse Sägen, Schleifmaschinen und eine kleine Fräsmaschine zugegriffen werden. Des Weiteren standen 11 viele Werkzeuge, wie Feilen oder Gewinde-SchneidEisen zur Verfügung. Nach dem Zusammenbau ergab sich aber, dass die hinteren Achsen nicht parallel zueinander standen und der Abstand dieser nicht ausreichen würde, um den Antriebsstrang einzubauen. Nach mehrmaliger Montage und Demontage konnten folgende Fehler entdeckt werden, welche ich beheben musste: einer der Achs-Halter war an einer Seite nicht plan, sondern schräg. Ich stellte ihn neu her. Abbildung 9 „Fehlende Parallelität der die Bohrungen mehrerer Achs-Aufnahmen Hinterachsen“ waren nicht genau und das gebogene Aluminium-Blech brach, weshalb ich alle Teile aus Stahl-Blech neu fertigte. auch die war Federung zu schwach. Hierzu wurden die bisher 3-lagigen Federpakete auf 6 Lagen verdoppelt. Dazu schnitt ich, wie auch bei den ersten 3 Lagen, zuerst Streifen aus Federstahl zu und bog diese so, dass die Federenden auf den Achsen aufliegen und Druck ausüben. die M3-Gewinde in den Kugelköpfen hielten nicht stand, da das Kernloch nur 3mm maß und 2,4 mm üblich sind. Zur Erklärung: ein Kernloch ist die Bohrung, in welche das Gewinde geschnitten wird. Damit sich das Schneideisen leichtgängig drehen lässt, aber dennoch genügend Material für das Gewinde vorhanden ist, gibt es für jede Gewindegröße eine bestimmte Kernlochgröße. Aus diesem Grund wurden die M3durch M4-Gewinde ersetzt. die dreieckförmigen Anlenker waren nach der Erneuerung der Federung zu kurz. Deshalb lötete ich einen weiteren Rundstab auf. Nach den geschilderten Reparaturen erfolgte ein erneuter Zusammenbau und nun standen die Achsen parallel und auch die Federung war zufriedenstellend. Ebenso konnte ich den Abstand zwischen der zweiten und dritten Achse vergrößern, um den Einbau der Gelenkwelle zu gewährleisten. Die komplette Vorderachse samt Aufhängung sollte fertig gekauft werden. Aber auch diese konnte nicht problemlos montiert werden. Zum einen entsprachen die Maße der Achse nicht den Ansprüchen, was im Detail heißt, dass diese viel 12 zu breit war. Zum anderen war die Federung zu schwach, weshalb der LKW nicht horizontal, sondern geneigt stand. Ich musste eine komplett neue Achse aus einem Stück sägen und feilen. Das neue Federpaket entstand in selber Bauweise, wie die Federung der Hinterachsen. Im Anhang befindet sich eine Abbildung 10 „Getriebe im Detail (Blick von oben)“ technische Zeichnung der Vorderachse. 3.2 Antriebsstrang Der Antriebsstrang treibt den LKW an und ist, als Herz des Modells zu betrachten. Im Allgemeinen setzt sich jener aus einem mechanischen Teil und einem Energiespeicher zusammen. In diesem Fall ist ein Akku der Energiespeicher und Motor, Getriebe sowie Abbildung 11 „Fahrgestell mit montierten Achsen“ eine oder mehrere angetriebene Achsen bilden den mechanischen Teil. Der Motor wandelt elektrische, oder bei Verbrennungsmotoren chemische Energie in mechanische Energie um, das heißt eine Rotationsbewegung. Hierbei entschied ich mich, für einen im Truckmodellbau typischen, Elektromotor. Der Motor gibt seine Bewegung auf ein Getriebe weiter, wobei die Drehbewegung, durch Übertragung auf ein im Umfang größeres Zahnrad, verlangsamt wird. Man spricht deshalb von einer Übersetzung i, welche in diesem Falle dem Verhältnis i=3 entspricht. Dieses lässt sich mit folgender Formel berechnen: Das Getriebe entstand im Eigenbau. Die zugekauften Zahnräder sind kugelgelagert und auf Stahlwellen aufgehängt, um der Vielzahl von Umdrehungen pro Minute lange standzuhalten. Die eigentliche Kraftübertragung auf den Boden, geschieht dann durch die Achsen und die damit verbundenen Räder. Der drei-achsige LKW sollte zuerst als 6x6x2, auch 6WD (Six Wheel Drive) umgesetzt werden. Dabei steht 6x6 für „die Zahl der Räder x Zahl der 13 angetriebenen Räder“ 2 x die Zahl der gelenkten Räder. Das heißt, es werden alle drei Achsen mit jeweils 2 Rädern angetrieben und eine Achse, sprich 2 Räder, werden gelenkt. Ich stellte aber fest, dass es nur sehr schwer möglich ist, die Vorderachse anzutreiben, zu steuern und sie gleichzeitig federnd zu lagern, weshalb die vordere Achse nicht angetrieben, gestaltet wurde. Abbildung 12 „Kardangelenk 10 x 20 gebohrt“ Der Lastwagen sollte also ein 6x4x2 werden. Die Achsen wurden montagefertig eingekauft, da sich hier ein Eigenbau, aus finanziellen und auch zeitlichen Gründen, nicht gelohnt hätte. Diese Achsen besitzen auch ein Differential, was heißt, die zwei Räder können somit differential, also unterschiedlich zueinander, laufen. Dies ist für die Kurvenfahrt notwendig. Des Weiteren besitzen auch die Achsen eine Übersetzung von i=2,67. Somit ergibt sich eine Gesamtübersetzung von i=8,01. Die Räder, welche sich aus zusammensetzen, übertragen Abbildung 13 „Konzept zum Antrieb der Hinterachse mit Drehrichtungsumkehr“ (Ausschnitt aus „VerschieFelge und Reifen dene Konzepte zum Antrieb zweier Hinterachsen“) die Kraft dann schlussendlich auf den Boden. Da das Herstellen der Felgen auf der heimischen Drehmaschine nicht sechs identische Werkstücke ergeben hätte, wurden diese extern gefertigt. Die Reifen sind Kaufteile. Wie auch schon beim Fahrgestell gab es aber auch beim Antriebsstrang mehrere Probleme beim ersten Zusammenbau, beziehungsweise den ersten Testfahrten. So war es mir zuerst nicht möglich, die Verbindungen zwischen Motor und Getriebe, Getriebe und zweiter Achse, beziehungsweise den beiden hinteren Achsen zu schaffen. Dies sollte mit sogenannten Knochen geschehen, welche in den Mitnehmern von Motor, Achse oder Getriebe stecken. Zwischen dem Getriebe und der zweiten Achse konnte das Problem allerdings relativ leicht gelöst werden, indem ich zwei Kardangelenke einsetzt 2 Bremer, Arnd/ Buhmann, Milan(2009):Modell-Truck-Trial. Baukastenmodell-SelbstbauWettbewerb.1. Auflage. Baden-Baden: Verlag für Technik und Handwerk (2009:27) 14 habe. Diese können zum einen die Drehbewegung übertragen und zum anderen in zwei Richtungen, um jeweils einen gewissen Winkel, gedreht werden. Die Lösung zwischen zweiter und dritter Achse war dagegen etwas schwieriger. Das Problem lag einerseits darin begründet, dass die Achsen nicht parallel standen, andererseits auch im Antriebskonzept der Hinterachsen. Die zweite Achse mit Durchtrieb kehrt dabei die Drehrichtung um und die dritte Achse muss daher gedreht eingebaut werden. Da jedoch die Mitnehmer nicht mittig in den Achsen sitzen, war eine gewisse Schräge durch den Knochen zu überwinden. Nach dem Richten der Achsen vergrößerte sich der Abstand dieser und die Knochen mussten weniger schräg eingebaut werden, was mir die Montage ermöglichte. Abbildung 14 „Übersichtsplan Antriebsstrang“ 3.3 Kipper Der Kippaufbau und dessen Antrieb erweitern die Funktionalität und den Spielwert des Modells immens. Aus diesem Grund hatte ich seit Beginn der Planung den festen Entschluss gefasst, ein Baustellenfahrzeug mit entsprechend kippbarem Aufbau anzufertigen. Der Kipper setzt sich aus dem im Hilfsrahmen montierten Kippantrieb (Abbildung 15a) und dem, auf dem Hilfsrahmen aufliegendem Kippaufbau (Abbildung 15b) zusammen. Letzteres wird auch als Mulde bezeichnet. Anfangs bestand der Wunsch, auch im Modell eine Hydraulik für das Kippen einzusetzen, wie es im Original der Fall ist. Als ich allerdings die Preis e für die 15 notwendigen Komponenten, das heißt eine Hydraulikpumpe mit Öltank, einen Zylinder, einen Ventilblock, Schläuche und weitere Kleinteile recherchiert hatte, musste ich diesen Plan verwerfen. Der Grund hierfür war, dass die Kosten einer Hydraulik, Abbildung 15a „Kippantrieb“ die Hälfte der Gesamtkosten beansprucht und somit den finanziellen Rahmen gesprengt hätten. Nun musste ich eine Alternative suchen und fand diese in einem Spindelantrieb. Bei dem Spindelantrieb wird eine Gewindespindel durch einen Motor in eine Drehbewegung versetzt. Auf dieser Abbildung 15b „Kippaufbau (Mulde)“ Spindel sitzt ein Messingstück, welches mit einem Innengewinde der Größe der Spindel versehen ist. An diesem Messingstück wiederum ist an jeder Seite ein Aluminium-Flachprofil befestigt. Diese Profile bilden zusammen mit dem Messingstück den sogenannten Schieber. Dieser Schieber ist drehbar gelagert und an zwei weiteren gekanteten Profilen befestigt, welche am anderen Ende fest mit dem Hilfsrahmen verbunden sind. Diese beiden Profile bilden den sogenannten Bock. Abbildung 16 „Übersichtsplan Kippantrieb“ 16 Wenn nun der Motor die Spindel in Drehung versetzt, bewegt sich das Messingstück, je nach Drehrichtung, senkrecht zur Drehung der Spindel, entweder vor oder zurück, da dieser über den Bock mit dem Rahmen verbunden ist. Wenn sich nun das Messingstück auf den Motor zu bewegt, fährt der Schieber den Bock Abbildung 17 „Verriegelung rechts“ auf und die Mulde bewegt sich nach oben. Hierbei musste ich allerdings beachten, dass der Schieber und der Bock auch in der NullStellung, also vor dem Kippen, nicht horizontal in einer Ebene liegen dürfen. Denn die Kraft die nach oben drückt, ergibt sich als Resultierende und ist umso größer, je spitzer der Winkel zwischen Bock und Schieber ist. Je größer dabei Abbildung 18 „Verriegelung hinten“ die Kraft am Anfang des Kippvorganges ist, desto leichter bewegt sich der Aufbau nach oben und desto größere Massen können gekippt werden. Der Hilfsrahmen, welcher wie der Hauptrahmen selbst gekantet worden ist, bildet nun in gewisser Weise das Bindeglied zwischen Spindelantrieb und Mulde. Denn durch die vier seitlich angebrachten Rundstäbe bestimmt er die Kipprichtung. So kippt der Aufbau nach hinten, wenn die Mulde auf den beiden hinteren Rundstäben aufliegt, und zur Seite, wenn der Aufbau an den Rundstäben einer Seite arretiert ist. Dazu muss ein Splint durch ein Loch an der Unterseite der Mulde und den jeweiligen Rundstab geführt werden. Der Kippaufbau ist zum Großteil aus Aluminium gefertigt worden. Lediglich die Plastikprismen (Abbildung 15), welche der Optik dienen, wurden aus produktionstechnischen Gründen aus Kunststoff gefertigt. Nun wurden die Bordwände zwar so gebaut, dass sie ohne Nachhelfen öffnen, also leichtgängig schwingen. Aber diese sollen natürlich erst dann öffnen, wenn die Mulde auch gekippt ist. Deshalb musste eine Verrieglung der Bordwände eingebaut werden. Dabei bewegt an der hinteren Bordwand ein Micro-Servo ein Messingprofil, welches durch die Grundplatte der Mulde ragt und so für ein Öffnen beziehungsweise Schließen der Mulde sorgt. An der rechten Bordwand ist am Micro-Servo ein Metallstift befestigt, an welchem ein 17 Messingstück von der Unterseite der Bordwand anschlägt und beim Schwenken des Servos dann diese Nase freigibt. Auch beim Bau des Kippers traten mehrere Schwierigkeiten auf, die aber alle behoben werden konnten. So wurde der Kippaufbau an Abbildung 19„verzogene Holme(l.+m.) und Rückwand(r.)“ den Holmen verschraubt und verklebt. Dennoch verzogen sich, wie in Abbildung 19 zu sehen ist, die Holme und die Rückwand. Aus diesem Grund wurden die fehlerhaften Bauteile gelöst und erneut angeklebt, wobei der Aufbau nun fest eingespannt wurde. Allerdings war ersichtlich, dass ein Holm nicht halten würde, so entschloss ich mich nur eine Seite als kippbar auszuführen und die linke Bordwand fest zu verkleben. Ein weiteres Problem war die zu geringe Kippgeschwindigkeit. Anfangs war im Spindelantrieb eine M5-Spindel eingebaut. Diese hat eine Steigung von 0,8, was bedeutet, dass eine Strecke von 0,8 mm zurückgelegt wird, wenn man eine Mutter auf der Spindel um 1 Umdrehung verändert. Bei M8 ist die Steigung hingegen 1,25. Somit legt die M8-Spindel bei einer Umdrehung mehr Weg zurück: Dieses Verhältnis bedeutet, dass die M8-Spindel pro Umdrehung 56% mehr Weg zurücklegt. Nun muss ein Weg von etwa leistet eine Drehzahl von etwa zurückgelegt werden und der Motor , also lässt sich die Zeit zum Kippen, wie folgt berechnen: M5-Spindel: M8-Spindel: ≙ Anzahl der erforderlichen Umdrehungen → ≙ Anzahl der erforderlichen Umdrehungen → 18 Die M8-Spindel braucht also wesentlich kürzer, um den Aufbau zu heben. Desweiteren versuchte ich die Geschwindigkeit noch durch einen schneller drehenden Motor zu steigern, aber dies blieb ohne Erfolg, da der schneller drehende Motor extrem schwach war und den Aufbau nicht bewegen konnte. 3.4 Karosserie Die Karosserie ist zwar aus rein funktioneller Sicht eher von niederer Priorität, dennoch ist ein noch so gut funktionierendes Modell mit einem schlechten Aussehen, unter Modellbauern genauso wenig geachtet, wie ein Modell mit sehr gutem Aussehen, aber kaum Funktionalität. Desweiteren ist es eines der obersten Ziele im Modellbau, die Realität Abbildung 20 „Oberteil und Unterteil der möglichst genau abzubilden. Aus diesem Grund Kabine“ versuchte ich, den LKW realistisch erscheinen zu lassen. Hauptbestandteil der Karosserie bildet die Kabine, auch Führerhaus genannt. In dieser findet, versteckt unter der Inneneinrichtung und hinter einer Rückwand, die Elektronik ihren Platz. Die Grundlage der Kabine bildet ein Abbildung 21 „Baustellenstoßstange Spielzeugmodell. Ich entschied mich auf einen (oben) und Fernverkehrsstoßstange“ Eigenbau zu verzichten, weil sich eine Eigenkonstruktion einerseits aufwandstechnisch nicht lohnt und andererseits es nur schwer möglich ist, eine exakte symmetrische Abbildung zu schaffen. Die Kabine setzt sich aus einem Unterteil und einem Oberteil zusammen, was in Abbildung 20 zu erkennen ist. Das Unterteil wurde dahingehend modifiziert, dass Abbildung 22 „Spiegel an der Kabine“ eine für Baustellenfahrzeuge typische 19 Baustellenstoßstange, Ausgangsfahrzeug anstatt montierten der am Fernverkehrs- stoßstange, (Abbildung 21) angebracht wurde. Eine Baustellenstoßstange ermöglicht im Modell aufgrund der geringeren Dimensionen mehr Bodenfreiheit und verbessert somit neben dem Aussehen auch die Funktion. Auch wurde die Kabine um Spiegel und weitere optische Modifizierungen erweitert. Ein Problem an der Kabine war, dass nach dem Lackieren an Abbildung 23 „Fehlstelle im Lack“ einzelnen Stellen der Lack nicht haftete und so musste ich nachlackieren. Dazu schliff ich die betroffenen Stellen an und trug mit einer kleinen Spritzpistole auf abgeklebte Bereiche Lack auf. Ein Abkleben von einzelnen Bereichen, die lackiert werden, ist notwendig, da sich sonst der Sprühnebel auf das gesamte Teil legt und ordentliche Oberflächen beschädigt. Die Grundierung und die erste Lackierung wurden im Gegensatz zum Nachlackieren, mit einer im Kfz-Bereich üblichen Lackierpistole durchgeführt. Auch ein Staukasten und Treibstofftank wurden nachgebildet. Hierzu setzte ich Kunststoff ein, um zum einen Gewicht zu sparen und zum anderen ist dieser auch leichter als Metall zu bearbeiten. Auch diese beiden Bauteile erfüllen eine funktionelle Aufgabe, da in ihnen elektronische Bauteile einen sicheren Platz gefunden haben, weil diese in der Kabine nicht untergebracht werden können. Darauf werde ich allerdings im Abschnitt 3.5 Elektronik näher eingehen. Ein letztes zu erwähnendes Bauteil der Karosserie sind die hinteren Kotflügel. Diese wurden eigens aus profiliertem Blech gekantet. Die Wahl fiel dabei auf Messing, weil es sich leicht löten lässt. Ein Problem stellte hierbei die Anbringung der Gehäuse der Heckleuchten dar, weil zwar ein punktuelles Verlöteten der Biegekanten möglich ist, aber ein großflächiges Arbeiten die Struktur des Bleches zerstört und somit der Optik geschadet hätte. Aus diesem Grund klebte ich die Gehäuse mit 2-KomponentenEpoxidharz auf und erreichte nach dem Lackieren in Silber ein ansehnliches Ergebnis. 20 3.5 Elektronik Abbildung 24 „Schaltskizze“ 21 Da dieses Modell rein elektrisch betrieben wird, ist die Elektronik sehr wichtig, da sie alle Energie liefert. Die Spannungsquelle, welche im LKW ein 7,4 V Lithium-Polymer-Akku darstellt, versorgt dabei alle Nutzer, wie Motoren oder LEDs. Da die LiPo-Akkus im Vergleich zu den klassischen Bleiakkus bei gleicher Baugröße mehr Leistung und eine geringere Masse haben, entschied ich mich, einen Akkumulator dieses Typs einzusetzen. Der Akku ist im Modell hinter einer Trennwand im Fahrerhaus untergebracht, da dieser Ort als einziger die notwendigen Dimensionen hat. Um einen Überblick von der Anordnung der einzelnen Elemente der Elektronik zu erhalten, ist mit Abbildung 24 eine Schaltskizze beigefügt. Dabei spreche ich bewusst von einer Schaltskizze, weil zum einen nicht, wie es für einen klassischen Schaltplan üblich ist, alle Leitungen und Widerstände dargestellt sind und zum anderen eine untypische Anordnung gewählt wurde. So stellt der Schaltplan die Anordnung dar, wie sie bei einer Draufsicht auf den LKW entstehen würde, da sich zum Beispiel die Frontbeleuchtung ganz oben und der Motor des Fahrantriebs im oberen Drittel befinden. Diese vereinfachte und besonders angeordnete Darstellung soll dazu führen, dass man erstens sofort weiß wo man gegebenenfalls nach einem Fehler am System suchen muss . Das heißt, es nicht nötig ist zuerst etwas zu demontieren, um anschließend festzustellen, dass sich das Bauteil an einem anderen Ort im LKW befindet. So weiß man zum Beispiel mithilfe der Schaltskizze bei einem Defekt der Kippfunktion, dass die entsprechenden Bautei le im Tank, also rechts am Modell, zu finden sind. Zweitens soll man nicht von zu vielen Leitungen abgelenkt werden, wobei der Anschluss durch Stecker meist sicher gegen Verpolung ist. Das bedeutet, dass man nicht den negativen an den positiven Pol anbringen, also die Polarität verwechseln kann. Die rot dargestellten Leitungen stehen für die Kabel, über welche die Hauptleistung fließt, wohingegen schwarz dargestellte Leitungen geringere Leistungen symbolisieren. Alle Vorgänge im Modell werden durch den Empfänger angesteuert, welcher wiederum über Funk seine „Befehle“ von dem Sender, also der Fernsteuerung erhält. Die Übertragung der Informationen geschieht dabei mit dem 2,4-GHz-System. Dabei steht die Zahl für die Frequenz in Hz, welche die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde angibt. Dieses System ist noch relativ jung, da erst „um das Jahr 2007 [die] 2,4-GHz Technologie“ 3 am Markt in 3 „2,4 GHz Fernsteuerung“: http://www.rc-modellbau.de/24-ghz-fernsteuerung.html: RC Modellbau Blog [Stand:11.12.2015] 22 Erscheinung trat. Zuvor waren „im Modellbau Frequenzen von 27, 35 oder 40 MHz üblich“ 3. Es ist beim neuen System also eine Steigerung vom 40fachen bis zum knapp 90fachen der Anzahl der Schwingungen pro Sekunde möglich, denn statt bisher 27 bis 40 Millionen werden nun 2,4 Milliarden Schwingungen in einer Sekunde erzeugt. Mit dieser enormen Erhöhung der Frequenz geht eine Steigerung der Menge an übertragenen Informationen einher. Aber dies ist nicht der einzige Vorteil, da beim MHz-System für „jede Übertragung von Sender zu Empfänger […] ein Kanal“ 3 benötigt wird. Dieser Kanal ist ein circa 10KHz großer Ausschnitt aus dem ganzen Sendebereich. Folglich ist die Anzahl der Kanäle begrenzt, was wiederum die Anzahl der Nutzer begrenzt. Denn bei Kanaldoppelbelegungen könnte es dazu kommen, dass zwei Personen ein Modell steuern. Beim 2,4-GHz-System stehen nun tausende dieser Kanäle zur Verfügung, somit sind Doppelbelegungen nicht mehr möglich, „weil ein jeder Empfänger an seinen Sender gebunden wird“ 4. Die von mir gewählte Kombination aus Sender und Empfänger verfügt über 10 Kanäle, das heißt, es können maximal 10 verschiedene Funktionen am Modell angesteuert werden. Dabei stehen vier Kreuzknüppel, Taster sowie diverse Zwei- und Dreikanal-Schalter zur Verfügung. Mit den Kreuzknüppeln werden die Funktionen Fahren, Lenken, Kippen und Bordwan d entriegeln angesteuert. Über die Schalter werden hingegen das Licht, die Hupe und die Rundumleuchte geschalten. Somit sind nicht alle zehn Kanäle belegt und es besteht die Möglichkeit drei weitere Funktionen anzusteuern. Die Spannungsquelle für den Empfänger stellt zwar noch der Akku dar, aber dies geschieht mithilfe des Fahrreglers vom Fahrmotor. Der Fahrregler verfügt über ein sogenanntes BEC-System, was für „Battery Eliminator Circuit“5 oder zu Deutsch „Batterie Abschaltung“. Das bedeutet, dass nicht, wie es vor der Entwicklung des BEC der Fall war, ein separater Empfänger-Akku notwendig ist, um diesen zu versorgen. Das BEC als Schaltung erledigt also diese Aufgabe, indem „aus der Eingangsspannung die Spannung für die RC-Anlage herunter“5 geregelt wird. Somit setzt das BEC „je nach benötigtem Strom und angelegter Eingangsspannung […] mehr oder weniger Energie in dieser „Widerstandsschaltung“ in Wärme“ 5 um. Dabei speist der Fahrregler den Empfänger mit 6 V über den gleichen Eingang, über den dieser wiederum vom Empfänger angesteuert 4 „2,4 GHz Fernsteueranlagen mit großem Vorteil“: http://www.rc-modellbau.de/24-ghz.html: RC Modellbau Blog [Stand:11.12.2015] 5 „Was unterscheidet ein SBEC von einem „normalen“ BEC“: http://www.hacker-motor.com/wasunterscheidet-ein-sbec-von-einem-normalen-bec/: Homepage der Hacker Motor GmbH [Stand:11.12.2015] 23 wird, was im Schaltplan an der Leitung vom Fahrregler zum Kanal 1 am Empfänger zu erkennen ist. Die Verbindung geschieht, wie auch bei allen anderen Leitungen, vom Empfänger per sogenanntem ausgehenden Abbildung 25 „Servo-Kabel“ Servo-Kabel, welches in Abbildung 25 zu sehen ist. Dabei ist Braun die Minus-, Rot die Plus- und Orange die Signalleitung. Wenn man nun den Kreuzknüppel am Sender, über den das Fahren gesteuert wird, um einen gewissen Weg ausschlägt, leitet dieser per Funk die Information an den Empfänger weiter. Anschließend wird das Abbildung 26 „Aufbau Brushed-Motor“ empfangene Signal verarbeitet und an den Fahrregler weitergegeben. Der Fahrregler ist im Grunde ein regelbarer Widerstand, also ein Potentiometer. Er erhöht beziehungsweise vermindert, je nach empfangenem Signal, die Spannung, welche an den Motor weitergegeben wird. Somit kann die Drehgeschwindigkeit des Motors und damit die Fahrgeschwindigkeit des LKWs, stufenlos eingestellt werden und bei negativem Ausschlag bewegt sich das Modell aufgrund der umgekehrten Polung dann rückwärts. Zuerst wurde als Fahrantrieb ein Brushed-Motor verwendet. Bei einem BrushedMotor, was im Deutschen für Bürsten-Motor steht, „wird der Strom über Schleifkontakte übertragen“ 6. Wie in Abbildung 26 zu sehen ist, besteht ein Gleichstrommotor aus einem Stator, in welchem sich ein drehbarer Rotor befindet. Um den, von einer stromdurchflossenen Spule umwickelten, Rotor bildet sich ein Magnetfeld. Der Stator, welcher „meist ein Dauermagnet, der ein konstantes Magnetfeld erzeugt“ 7, ist, und der Rotor stoßen sich nun voneinander ab, wenn sich gleichnamige Pole gegenüber stehen. Allerdings würde sich der Rotor dadurch nur um eine halbe Umdrehung bewegen, bis sich zwei ungleichnamige Pole gegenüberstehen. Somit muss sich das Magnetfeld nach einer 6 „Brushed - Brushless“: http://rc-automodellbau.jimdo.com/tips-und-tricks/unterschied-brushedbrushless/: RC-Automodellbau [Stand:11.12.2015] 7 „Aufbau Elektromotor“: http://motoren-technik.net/aufbau-elektromotor/: Motoren-Technik Alles über Motoren [Stand:12.12.2015] 24 halben Umdrehung ändern. Der Kommutator erledigt diese Aufgabe, indem er nun die Richtung des Stromes tauscht und ein Magnetfeld in umgekehrter Polung entsteht. Als Folge kann sich der Rotor um eine Vielzahl von Umdrehungen bewegen und es erfolgt eine Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie. Die Bürsten haben bei diesem Prozess die Aufgabe, den Rotor mit Strom zu versorgen. Aufgrund höherer Leistungen wurde allerdings ein Umbau auf einen Brushless-Motor, bürstenloser Motor, zu Deutsch durchgeführt. Diese Abbildung 27a „Sinusförmige Motoren werden zwar „mit einer phasig Wechselspannung (oben) und RechteckGleichspannung (unten)“ (Ausschnitt) 8 umlaufenden Spannung“ betrieben und ähneln sich somit den Wechselstrommotoren, aber eigentlich nutzt ein Brushless-Motor eine Rechteck-Gleichspannung und ein Wechselstrommotor eine sinusförmige Wechselspannung (siehe Abbildung 27a). Wie in Abbildung 27b zu sehen ist, verfügt ein solcher Motor über drei Motorspulen und einen als Rotor dienenden Dauermagnet. Der spezielle Brushless Fahrregler, der ebenfalls über BEC verfügt, schaltet jeweils „der Reihe nach im Wechsel eine Gleichspannung auf die Motorspulen und erzeugt so ein Drehfeld“ 8. Allerdings werden nur zwei Motorspulen von einem Strom durchflossen und die dritte dient als Sensor, um die Lage des Rotors festzustellen. Anschließend wird, wie beim Brushed-Motor, eine Drehbewegung der Motorwelle erzeugt. Um die drei Motorspulen einzeln mit Strom zu versorgen, verfügt der Brushless- im Gegensatz zum Brushed-Motor über drei statt zwei Anschlusskabel. Dies wird auch in der Schaltskizze (Abbildung24) durch die Darstellung von drei beziehungsweise zwei Leitungen deutlich. Denn der Motor für den Fahrantrieb, an drei Zuleitungen zu erkennen, ist ein Bürstenloser-Motor. Der Bürsten-Motor des Kippantriebes verfügt über zwei Zuleitungen. 8 „E- Motoren und Flugregler“: http://www.heli-planet.de/?section=motor_und_regler: HeliPlanet.de - Modellbau und Flugschule [Stand:12.12.2015] 25 Abbildung 27b „Aufbau Brushless-Motor“ Der Kippmotor wird über einen separaten Fahrregler gesteuert, welcher im Tank untergebracht ist. Dieser Regler verfügt nicht über ein BEC, da pro Modell nur ein solches System nötig ist. Um zu verhindern, dass der Kippmechanismus auf die Spindel auffährt, ist ein Endabschaltmodul, kurz ESM, zwischen Empfänger und Fahrregler eingebaut. Dieses sorgt dafür, dass ab einem bestimmten Punkt, der Motor den Mechanismus nur noch nach oben bewegen kann, da das ESM eine Drehrichtung des Motors sperrt. Die Lenkung erfolgt mittels Servo. Dieses Bauteil besteht aus einem Motor, welcher durch eine Servo-Elektronik gesteuert wird. Sobald sich die Motorwelle um einen gewissen Betrag dreht, wird diese Bewegung über ein Zahnradgetriebe an das Servo-Horn weitergegeben und durch dieses kann dann, im Falle der Lenkung, ein Ausschlag der Räder erfolgen. Der Aufbau ist in Abbildung 28 zu erkennen. Die Spannungsquelle für den Servo bildet die BECSpannung, sodass keine separate Versorgung notwendig ist. Der Anschluss an den Empfänger geschieht auch hier per Servo-Kabel. Aber nicht nur die Lenkung wird mittels Servo gesteuert: auch die Bordwandentriegelung geschieht mit einem Servo. Hierbei verfügen die hintere und rechte Bordwand jeweils über einen Mikro-Servo. Da aber stets nur ein Servo an das System angesteckt ist, ist einer der beiden Servos mit einer gestrichelten Zuleitung dargestellt. Eine wesentliche Erweiterung der Funktionalität und ein Schritt hin zur Realitätstreue ist die Beleuchtung. Diese setzt sich im Wesentlichen aus der Heck- und Abbildung 28 „Aufbau Servo“ Frontbeleuchtung, sowie den Rundumleuchten 26 zusammen. Die Heckbeleuchtung setzt sich aus Blinker, Brems -, Rückfahr- und Schlusslicht zusammen, wohingegen vorn nur Abblendlicht und Blinker installiert sind. Diese Beleuchtung erfolgt per LED(Licht Emittierende Diode). Der Blinker wird über ein Blinkmodul gesteuert, welches zwischen Empfänger und Lenk-Servo geschalten ist. Somit wird das Signal vom Empfänger durch dieses Modul durchgeschleift und je nach Ausschlag blinken die orangen LEDs auf der rechten beziehungsweise linken Seite. Für das Brems - und Rückfahrlicht wird das gleiche Modul verwendet, wobei hier allerdings eine Brücke anders gesteckt ist und sich somit die Funktionsweise ändert. Dieses Modul ist zwischen Empfänger und Regler des Fahrantriebes geschalten. Bei Rückwärtsfahrt leuchten dann die weißen Rückfahrleuchten und beim Bremsen, das heißt, wenn der Ausschlag des Knüppels verringert wird, leuchten die roten Bremsleuchten. Da die LEDs aufgrund der verschiedenen ausgesendeten Farben unterschiedliche technische Daten besitzen, ist es nötig verschieden Widerstände einzusetzen. Für den Widerstand gilt allgemein: Somit ergibt sich beispielsweise für Nachtbeleuchtung und die vorderen Blinkern folgender Widerstandswert: Abblendlicht: vordere Blinker: Auch muss bei der Montage der Leuchtdioden auf den richtigen Anschluss von Katode und Anode geachtet werden, da jene sonst irreparabel zerstört werden. Die Nachtbeleuchtung setzt sich aus vier weißen LEDs in der Stoßstange zusammen. Diese werden durch eine n KillSwitch ein- und ausgeschalten. Diese Bauteile dienen eigentlich dazu, einen Verbrennungsmotor im Modell notfalls abzuschalten, indem die Spannungsversorgung gekappt wird. Allerdings lässt sich diese Schaltung auch einsetzen, um die Spannungsversorgung anderer Verbraucher zu kappen. Durch das Umlegen eines Schalters 27 am Sender kann ich so das Abblendlicht anschalten. Ein Problem bei der Installation dieser weißen LEDs war, dass die zuerst vorgesehen Bauteile viel zu schwach leuchteten. Aus diesem Grund wurden jene gegen Leuchtdioden mit einer größeren Lichtstärke getauscht. Die neuen LEDs verfügen über einen Wert von 2600mcd, was eine enorme Steigerung zu den 700mcd der vorherigen Version ist. Der Wert in mcd (milli Candela) gibt dabei die Lichtstärke eines lichtemittierenden Objektes an. Zum Vergleich 1 cd entspricht etwa der Lichtstärke einer Kerze. Die Rundumleuchten werden im Gegensatz zur restlichen Beleuchtung mit Glühlampen betrieben, daher spielt hier die Richtung des Anschlusses keine Rolle. Eine der zwei Rundumleuchten setzt sich jeweils aus vier Glühlampen zusammen. Um die Drehbewegung darzustellen, ist eine Lauflichtelektronik eingebaut. Diese lässt eine Lampe nach der anderen leuchten, und so wird der Eindruck erweckt, es drehe sich eine einzelne Lichtquelle. Diese Funktion wird ebenfalls über einen Kill-Switch gesteuert. Eine letzte eingebaute Funktion ist die Hupe. Hierzu ist eine Dreiklang -Horn-Elektronik samt Lautsprecher installiert. Über einen Taster am Sender wird durch einen Kill-Switch im Modell ein Ton erzeugt. Abbildung 29 „Blink, und Rück- und Bremslichtmodul; Kippregler; Frontbeleuchtung; Heckbeleuchtung (von oben links nach unten rechts)“ 28 4. Funktionstest 4.1 Ermitteln von Eigenschaften 4.1. 1 Zugkraft Um Aufschluss darüber zu erhalten, ob der LKW ausreichend Kraft hat, um sich im Gelände zu aus eigenem Antrieb zu bewegen, bietet sich eine Betrachtung der Größe der Zugkraft besonders an. Hierbei habe ich auf ebenem Boden einen Haken an der Heckstoßstange befestigt und an diesen wiederum einen Abbildung 30 „Versuchsaufbau“ Federkraftmesser. Nun habe ich das Modell beschleunigt, bis es sich nicht mehr weiter bewegte. Anhand der Skala konnte ich nun die Zugkraft ablesen. Dabei ergab sich mit dem Brushed-Motor eine Zugkraft von . Nach dem Umbau auf den Brushless-Motor wiederholte ich den Versuch mit dem Ergebnis von . Abbildung 31a „Federkraftmesser vor Messung“ Abbildung 31b „Federkraftmesser während Messung“ 29 4.1. 2 Höchstgeschwindi gkeit Wie auch bei einem echten LKW ist eine große Höchstgeschwindigkeit zwar nicht von oberster Priorität, da ein gutes Vorankommen im Gelände meist nur mit geringen Geschwindigkeiten möglich ist, aber dennoch ist es unrealistisch, wenn ein schnell fahrender echter Truck im Modell umgerechnet Abbildung 32 „LKW beim Rollstart“ fährt. Aus diesem Grund habe ich die Geschwindigkeit in einem Experiment bestimmt. Hierzu habe ich auf einem ebenem Straßenabschnitt eine Teststrecke von abgemessen. Anschließend habe ich das Modell auf die maximale Geschwindigkeit beschleunigt, damit es sich gleichförmig bewegt und die Zeit zum Passieren der Teststrecke gestoppt. Es ergaben sich folgende Messwerte: Versuch Nr. 1 2 3 4 5 Zeit t in s 7,0 6,9 7,0 7,0 7,1 Nun habe ich aus den Zeiten den Mittelwert gebildet, um aufgetretene Toleranzen zu minimieren. Abschließend konnte ich die Höchstgeschwindigkeit mit folgender Gleichung errechnen: Um diese, wie anfangs beschrieben, mit den Geschwindigkeiten eines Original-LKWs zu vergleichen, habe ich den Wert in umgerechnet und mit dem Maßstabsfaktor 16 multipliziert: 30 Eine Geschwindigkeit von entspricht dabei voll und ganz dem Original, die Höchstgeschwindigkeit lässt sich als realistisch betrachten und das Modell bewegt sich auch in einem ansprechendem Tempo. Abbildung 33 „Versuchsstrecke“ 4.1. 3 Motordrehmoment Das Drehmoment M ist eine physikalische Größe, welche angibt „wie stark eine Kraft auf einen drehbar gelagerten Körper wirkt.“ 9 Praktisch äußert sich dies darin, dass ein Motor mit mehr Drehmoment „auch bei niedrigen Drehzahlen […] kraftvoll durchbeschleunigt“ 10. Um einen Vergleich zwischen den beiden Motoren des Fahrantriebs zu ziehen, habe ich neben der Zugkraft das ausgewählt. Normalerweise Drehmoment im Datenblatt Drehmoment wird des das Motors angeben. Allerdings war dies in beiden Fällen, das heißt sowohl bei dem Brushed-Motor, als auch bei dem Brushless-Motor nicht der Fall. Auch eine Anfrage an den Hersteller blieb ohne Erfolg. Da ich dennoch nicht auf diese Größe verzichten wollte, musste ich das Drehmoment Abbildung 34 „Versuchsaufbau“ experimentell bestimmt werden. Hierzu habe ich jeweils ein aus Plastik bestehendes Keilriemenrad mit dem Durchmesser von 27,4mm auf die Motorwelle aufgesteckt und auf dieses einen Faden aufgewickelt. Am Ende des Fadens 9 „Drehmoment“: https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik/artikel/drehmoment: Lernhelfer – das Lernportal für alle Schulfächer von der 5. Klasse bis zum Abitur [Stand:14.11.2015] 10 „Drehmoment“: http://ww2.autoscout24.de/glossar/drehmoment/179679/: Gebrauchtwagen und Neuwagen bei AutoScout24 [Stand:14.11.2015] 31 habe ich Gewichte angebracht und die Masse nun so lange erhöht, bis der Motor gerade noch in der Lage war, die Masse zu heben. Es ergaben sich folgende Messwerte: Motor Masse m in kg Brushed-Motor 0,6 Brushless-Motor 0,65 Nun lässt sich damit das Drehmoment wie folgt berechnen: Brushed-Motor: Brushless-Motor: Daraus ist zu erkennen, dass das Drehmoment des Brushless -Motors größer ist. Demzufolge kann der neue Motor mehr Kraft an das Getriebe und somit die Achsen übertragen. Anzumerken ist hierbei aber, dass durch den Einsatz des Fahrreglers, das maximale Drehmoment der Motoren gemindert wird. Der Regler ermöglicht zum einen ein feinfühliges Ändern der Motordrehzahl, jedoch zum anderen auch, dass der Motor vor einer Überlastung geschützt wird. Da der Motor im Modell definitiv nur in Kombination mit einem Fahrregler eingesetzt wird, ist eine Drehzahl-Messung, wenn auch mit geringeren Ergebnis, für mich passender. Abbildung 35 „Versuchsaufbau (Schema)“ 32 4.2 Erprobung/Praxiseinsatz Nach Abschluss der Bauphase standen neben dem Ermitteln von Fahreigenschaften auch allgemeine Erprobungen statt, um das Verhalten des Modells kennenzulernen. Dabei überprüfte ich, ob die am Anfang der Planung gesetzten Vorstellungen erfüllt wurden sind. Die erste Hauptfunktion: das Lenken, ist erfüllt worden, da man das Modell mit einem, maßstabsgetreuen Wenderadius, in verschiedene Richtungen steuern kann. Auch der Wenderadius befindet sich in einem guten Bereich. Natürlich wurde auch das Fahren, die zweite Hauptfunktion, grundlegend erfüllt, aber hier besteht noch Verbesserungsbedarf, da trotz der Umrüstung auf den Brushless-Motor, das Vorankommen des Modells in schwierigem Terrain noch verbesserungswürdig ist. Hierbei muss wahrscheinlich das Getriebe umgebaut und gegebenenfalls eine angetriebene Vorderachse eingebaut werden. Das Kippen entspricht nach der Veränderung des Kippantriebes, den zu Beginn gesetzten Vorstellungen, da man ohne Probleme eine Ladung von etwas mehr als einem Kilogramm abkippen kann und die Bordwandentriegelung zufriedenstellend funktioniert. Auch die Beleuchtung erfüllt größtenteils die Vorstellungen, da hier nahezu alle vorgeschriebenen Lampen am Modell zu finden sind und auch die Intensität der Beleuchtung weder zu schwach noch zu stark ist. Ein Detail, welches eventuell verbessert werden könnte, ist die Steuerrung des Blinkers. Da das Blinkmodul, immer dann ein Signal zum Blinken erhält, wenn der Servo bewegt werden soll, leuchten die Blinker natürlich auch bei kleinen Lenkeinschlägen. Allerdings gibt es Funktionen, welche eine zusätzliche optische und spielerische Aufwertung vollziehen. Dazu gehören die Rundumleuchten und die Hupe. Abbildung 36 „Praxiseinsatz 33 5. Fazit Am Ende eines so langwierigen und teilweise anstrengenden Projektes im privaten Bereich steht meist die Frage: „Verwirkliche ich nochmals so ein Vorhaben?“. In meinem Fall würde ich es aus mehreren Gründen wieder tun. Da wäre zuerst der Gewinn an Erfahrung, technischen Kenntnissen und handwerklichen Fähigkeiten zu nennen. Im Laufe der Fertigung und Montage des Modells wurde ich immer wieder vor Herausforderungen gestellt, die ich anfangs als unlösbar ansah. Am Ende wurden sie, meist mit mehreren Fehlversuchen und einer Menge Anstrengung, bewältigt. Auch konnte ich mich mit verschiedensten Verfahren im Maschinen- beziehungsweise Modellbau vertraut machen. So habe ich beispielsweise erste Erfahrungen beim Arbeiten an einer Drehmaschine sammeln können. Außerdem war diese Besondere Lernleistung in gewisser Weise eine Vorbereitung auf ein MaschinenbauStudium, welches von mir angestrebt wird. Denn ich hatte die Möglichkeit, die Konstruktion mit CAD-Programmen durchzuführen, die aus dem heutigen Maschinenbau kaum wegzudenkenden sind. Auch ist nun der Weg eines Produktes von der Idee bis zum fertigen Produkt besser nachvollziehbar. Ebenso wird im Studium das Verfassen wissenschaftlicher Arbeiten, nicht zuletzt beim Schreiben einer Abschlussarbeit, einen wichtigen Platz einnehmen. Nach meinem Erachten wird dies durch die Erstellung einer Besonderen Lernleistung bereits geübt. Außerdem habe ich noch zwei weitere wichtige Dinge daraus gelernt. Zum einen ist es bedeutend genau zu planen, das heißt sich Gedanken darüber zu machen, was erreicht werden soll und wie man es erreichen kann. So wurden voreilig Käufe getätigt, welche teuer und teilweise unnütz waren, weil die erworbenen Produkte unbrauchbar sind. Aber ich habe auch Bauteile angefertigt, die ich später aufgrund fehlerhafter Konstruktion oder Produktion, erneut bauen musste. Andererseits ist es unter Umständen besser, schon zu Beginn einen größeren Betrag zu investieren, als erst im zweiten Anlauf dieses Produkt zu kaufen, weil ein anderes zwar günstiger war, aber nicht funktioniert. So hätte ich von Anfang an auf die leistungsfähigere Brushless-Technik setzen sollen. Letztendlich ist es beeindruckend, am Ende der Bauphase, von einem voll funktionsfähigen Modell sagen zu können, dass man dieses nahezu komplett allein erdacht und aufgebaut hat. Denn das ist es, was mir den Ansporn für den Modellbau gibt, nämlich etwas Handfestes geschaffen zu haben. 34 6. Eidesstaatliche Erklärung Erklärung „Ich versichere durch meine Unterschrift, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig angefertigt habe. Alle Aussagen, die wörtlich oder sinngemäß aus Veröffentlichungen entnommen wurden, sind als solche kenntlich gemacht. Diese Arbeit hat in dieser Form noch keiner anderen Prüfungsbehörde vorgelegen.“ Limbach-Oberfrohna, den 17.12.2015 35 7. Quellen 7.1 Bücher und Presseartikel 1. Bremer, Arnd/ Buhmann, Milan(2009):Modell-Truck-Trial. Baukastenmodell- Selbstbau-Wettbewerb.1. Auflage. Baden-Baden: Verlag für Technik und Handwerk (2009:27 ff.) 7.2 Onlinedokumente 1. „2,4 GHz Fernsteueranlagen mit großem Vorteil“: http://www.rcmodellbau.de/24-ghz.html: RC Modellbau Blog [Stand:11.12.2015] 2. 2,4 GHz Fernsteuerung“: http://www.rc-modellbau.de/24-ghzfernsteuerung.html: RC Modellbau Blog [Stand:11.12.2015] 3. „Aufbau Elektromotor“: http://motoren-technik.net/aufbau-elektromotor/: Motoren-Technik - Alles über Motoren [Stand:12.12.2015] 4. „Brushed - Brushless“: http://rc-automodellbau.jimdo.com/tips-undtricks/unterschied-brushed-brushless/: RC-Automodellbau [Stand:11.12.2015] 5. „E- Motoren und Flugregler“: http://www.heliplanet.de/?section=motor_und_regler: Heli-Planet.de - Modellbau und Flugschule [Stand:12.12.2015] 6. „Technik und Begriffe“: http://www.mac-dannstadt.de/technik-begriffe.html: MAC Dannstadt [Stand:14.11.2015] 7. „Was unterscheidet ein SBEC von einem „normalen“ BEC?“: http://www.hacker-motor.com/was-unterscheidet-ein-sbec-von-einemnormalen-bec/: Homepage der Hacker Motor GmbH [Stand:11.12.2015] 7.3 Bildnachweis 1. Abbildung 12 „Kardangelenk 10 x 20 gebohrt“. http://www.afvmodel.com/4711shop/images/product_images/popup_images/3182_0.jpg: Homepage der " AFV-Model GmbH"[Stand:24.11.2015] 2. Abbildung 13 „Verschiedene Konzepte zum Antrieb zweier Hinterachsen“. Bremer, Arnd/ Buhmann, Milan(2009):Modell-Truck-Trial. BaukastenmodellSelbstbau-Wettbewerb.1. Auflage. Baden-Baden: Verlag für Technik und Handwerk (2009:41) 36 3. Abbildung 26 „Aufbau Brushed-Motor“. http://motoren-technik.net/aufbauelektromotor/: Homepage von Motoren-Technik - Alles über Motoren [Stand:12.12.2015] 4. Abbildung 27a„Sinusförmige Wechselspannung (oben) und RechteckGleichspannung (unten)“ (Ausschnitt). http://people.ee.ethz.ch/~rolfz /digiprakt/geraete/sinus_dreieck_rechteck.gif: Homepage von Dr. Rolf Zinniker, ETH Zürich(Institut f. Elektronik) [Stand:12.12.2015] 5. Abbildung 27b „Aufbau Brushless-Motor“. http://www.heliplanet.de/images/stern_innenlaeufer.png: Homepage von Heli-Planet.de Modellbau und Flugschule [Stand:12.12.2015] 6. Abbildung 28 „Aufbau Servo“ (um Beschriftung erweitert). http://modellfluginfo.de/Modellflugzeug/bilder/servo-aufbau-schnitt.jpg: Homepage von Modellflug - Hobby, Ausgleich und Spass Alle anderen Abbildungen wurden selbst aufgenommen beziehungsweise selbst erstellt. 37 8. Anhang Im Anschluss sind eine Zeichnung des Modells und Datenblätter ausgewählter ElektronikKomponenten in folgender Reihenfolge zu finden: 1. Datenblatt des Blink-, Brems- und Rückfahrlichtmoduls (Ausschnitt) 2. Datenblatt der Lauflichtelektronik (Ausschnitt) 3. Datenblatt des Dreiklanghornmoduls (Ausschnitt) 4. Datenblatt des Brushless-Reglers (Ausschnitt) 5. Technische Zeichnung des LKWs in DIN-A3-Format 6. Technische Zeichnung der Felge in DIN-A3-Format 7. Technische Zeichnung der Vorderachse in DIN-A4-Format Quellen der Datenblätter: 1. „Automatisches Modellbau-Brems- und Rückfahrlicht, Blinker oder 2-KanalSchalter“.http://www.produktinfo.conrad.com/datenblaetter/175000199999/190306-an-01-deAutomatisches_Brems_und_Rueckfahrlicht.pdf :[Stand:13.12.2015] 2. „SMD 4-Kanal-Lauflicht für Mini-Glühlampen (Rundumlicht)“.http://www.produktinfo.conrad.com/datenblaetter/175000199999/191523-an-01-deSMD_Baustein_4Kanal_Lauflicht.pdf:[Stand:13.12.2015] 3. „Baustein SMD-Dreiklanghorn fertig aufgebaut“.http://www.produktinfo.conrad.com/datenblaetter/200000224999/224960-an-02-de-SMD_Dreiklanghorn.pdf:[Stand:13.12.2015] 4. „Truck Brushless Reverse Regler“. https://www.lrp.cc/fileadmin /lrp_anleitungen/anl_27536_ra00288-truck-reverse-d-090925fv.pdf: Homepage der LRP electronic GmbH [Stand:13.12.2015] 38 Datenblatt des Blink-, Brems- und Rückfahrlichtmoduls: 39 Datenblatt der Lauflichtelektronik: 40 Datenblatt des Dreiklanghornmoduls: 41 42 Datenblatt des Brushless-Reglers: 43