Entwicklung und vorgehensweise

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Kategorie: Offene Dokumentation
Veröffentlichungsdatum Geschrieben von Mats Marcus

Konstruktionsplanung in SolidWorks

Konstruktionsmappe Übersicht_03  Heckschwinge


Eine große Neuerung dieses Projektes liegt für uns in der im Voraus geplanten Fahrzeugkonstruktion, die beinahe vollständig in der Schülerversion von SolidWorks erstellt wurde. Da wir bis zur Fertigstellung der heutigen Version durch neue Ideen, Konzepte und gesammelte Erfahrung mehrfach Konstruktionen verwerfen mussten, gehörte dieser Arbeitsschritt zu einem der zeitaufwendigsten, zumal ein Großteil der nachfolgend erwähnten Arbeiten bereits eine vollständige Konstruktion voraussetzte. Aufgrund von Überlegungen zur besseren Lenkbarkeit und Aerodynamik entschieden wir uns gegen das Konzept, vorne nur ein lenkbares Rad zu verbauen. Dies bereitete uns jedoch gravierende Probleme, da die Vorderräder somit neben einer Federung über ein Lenktrapez verfügen mussten, über dessen Notwendigkeit wir uns erst im Klaren waren, als Tobias, der das Fahrzeugkonstrukt entwarf kurz vor seiner Wehrdienstzeit in Stralsund stand. Eine geeignete Lösung für dieses Problem fanden wir erst gegen Ende Dezember.
Ebenso bereitete uns die Implementierung des Motors bereitete maßgebliche Schwierigkeiten - ein Einbau in ein lenkbares Rad kam durch das hohe Trägheitsmoment nicht in Frage. Die Idee, das Antriebsrad über ein Getriebe anzusteuern erwies sich jedoch ebenfalls als eine beachtliche Schwierigkeit. Probleme hatten wir hier hauptsächlich in der Komplexität der Untersetzung und durch vor Schmutz ungeschützten Aufbau. Letztendlich entschieden wir uns für einen Nabenmotor, der wiederum eine aufwendige CNC-gefräste Halterung erfordern sollte, jedoch nur wenig Platz braucht und eine höhere Leistung als unsere vorangegangenen Konzepte bietet.

 

Bau des Edelstahlrahmens

#  02_Stahlrahmen punktierte Nähte 27.8.2009    #  04_Stahlrahmen Schweissnähte 2.9.2009


Eine weitere Arbeit, die wir beinahe vollständig (mit Ausnahme von einigen Einweisungen bei dem WIG-Schweißverfahren) selbst in die Hände genommen haben, war die Anfertigung des Edelstahlrahmens. Wir verwenden hauptsächlich drei verschiedene quadratische Hohlprofile mit einer Wandstärke von 2 mm.
Zunächst haben wir dazu die verschiedenen Rohre, die wir laut unseren in SolidWorks erstellten Plänen benötigten, geschnitten und mit den entsprechenden Gärungen versehen. Dazu stand uns eine nicht allzu geeignete Bandsäge zur Verfügung, bei der wir zur Schonung der Maschine ein Gegengewicht anbringen mussten, um den Vorschub zu reduzieren. Nachdem wir sämtliche Profile angefertigt hatten, konstruierten wir eine Holzschablone, die wir nutzten, um die losen Edelstahlprofile modellgestützt in die entsprechende Position zu bringen. Dieses Unterfangen nahm mehrere Wochen durchgehender Arbeitstage in Anspruch, die wir unter anderem in Form von Bildern dokumentiert haben.
Der zunächst letzte Arbeitsschritt bezüglich des Rahmens lag im Schweißen der Konstruktion, wozu wir freundlicherweise durch Unterstützung der Schlosserei Bernd Heinemann in Solingen erstmalig ein WIG-Schweißgerät verwenden konnten. Unser gesamter Rahmen wog nach der Fertigstellung zu diesem Zeitpunkt rund 21,5 kg. In Folge dessen sind einzelne Teile des Rahmens, wie die Pedalhalterung und die Befestigungen für die Konsole bisher noch nicht implementiert.

 

Anfertigung der CNC-Teile

CNC Heckschwinge 7.11.2009_04

Bedingt durch den Bau unserer Eigenentwicklung war es erforderlich, einige Edelstahl und Aluminium-Teile einzelnd anfertigen zu lassen. Dazu haben wir für diese zunächst in SolidWorks technische Zeichnungen angefertigt, welche CNC-gestützt in der Firma R&W in Bad Münstereifel gefertigt wurden. Die Maschinenprogrammierung und Steuerung hat der Cousin von Fabian übernommen, welcher zuvor einige Jahre in der Firma beschäftigt war und sich bereit erklärte, die Fräsarbeiten zum Selbstkostenpreis durchzuführen.

 

Elektronik

 

Eagle Screenshot Leiterbahnen Eagle Screenshot Schaltplan


Nachdem wir bei unserem Hybrid-Brennstoffzellen-Roller auf eine komplett eigenständig entwickelte Elektronik gesetzt haben, entschieden wir uns, beim Pentavelo ähnliche Schritte zu gehen. Jedoch nutzten wir unsere gewonnenen Erfahrungen, um diese besser zu planen und zu strukturieren, da wir im vergangenen Projekt nachträgliche Arbeiten durch die zahlreichen Verbindungskabel zwischen den Platinen nur schlecht durchführen konnten. Im Gegensatz zum vorangegangenen Projekt sind wir bestrebt vorzugsweise SMD-Technologie7 einzusetzen, wodurch wir die Leistungsfähigkeit bei kleinerer Elektronik drastisch erhöhen können.

Smd Symbolbild    Eines der von uns verwendeten SMD-Bauteilen im Größenvergleich

Auch die verwendeten Mikrocontroller sind in der Lage, deutlich mehr Daten zu verarbeiten und verfügen über eine größere Anzahl an Ein- und Ausgängen. Da die Komplexität steigt, lassen sich mehr Module einzelnd ansteuern, der Verbrauch kann durch Abschalten nicht benötigter Elektronik verringert werden. Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung von SMD-Technik liegt in dem geringeren Platzverbrauch und Gewicht.
Die komplexere Elektronik machte darüber hinaus die Anschaffung der Vollversion der 2D-CAD-Software Eagle erforderlich, da die Möglichkeit Layouts in den von uns geplanten Größenordnungen anzufertigen in der freien Version nicht gegeben ist.
Die Unterbringung der Elektronik geschieht in einer Box, die es erlaubt mehrere Platinen nebeneinander in eine Führung einzuschieben. Da die Steckerverbindung auf der Rückseite angebracht wird, ist die Entnahme und der Austausch der Platinen mit einem deutlich geringeren Aufwand verbunden, als bei dem Konzept, welches wir beim Hybrid-Brennstoffzellen-Roller verwendeten.

Verkehrszulassung

Beleuchtung Cree MC-E 752lum_1    Pentavelo Zubehör


Unser Ziel nach Abschluss des Fahrzeugbaus liegt in einer Zulassung für den Straßenverkehr, die Geschwindigkeiten von über 45 erlauben soll. Bereits in der Konstruktionsphase haben wir diverse Dinge beachten müssen, um den aus der STVZO entnommenen Anforderungen so weit wie möglich entsprechen zu können. Dazu gehört zum Beispiel ein automatisches Rückstellsystem der Räder, welches bei Lenkausschlag durch eine Neigung der Radhalterung diesem entgegenwirkt. Eine weitere wesentliche Anforderung betrifft die Beleuchtung, welche mit festgelegter Position und Intensität vorhanden sein muss. Dazu haben wir mit Hilfe einer Drehbank verschiedene Gehäuse für Hochleistungs-LEDs gebaut. Insbesondere Fernlicht und Abblendlicht mussten hohen Anforderungen genügen, da für dreirädrige Elektrofahrzeuge ab einer bestimmten Geschwindigkeit sogar eine höhere Helligkeit vorausgesetzt wird, als bei gewöhnlichen PKWs. Dazu haben wir 4 Cree MC-E LEDs verbaut, die jeweils eine Helligkeit von 753 Lumen bei einem Verbrauch von 10 Watt haben. Zu den weiteren Ansprüchen der STVZO gehört unter anderem das Vorhandensein einer Warnblinkanlage, einer Hupe, sowie einem Warndreieck und einem Verbandskasten.
Durch die Rekuperation verfügt unser Fahrzeug neben den vorderen Hydraulikbremsen und der am Hinterrad angebrachten Scheibenbremse über drei unabhängige Bremssysteme, die einen schnellen Stillstand des Fahrzeuges bei Ausfall eines Bremssystems erlauben.
Schwierigkeiten bei der Zulassung erwarten wir bei den verwendeten Rädern, da die Reifen herstellerseitig eine zugelassene Maximalgeschwindigkeit besitzen müssen, welche bei Fahrradreifen standardmäßig nicht angegeben wird. Ähnliche Probleme könnte uns das erforderte Vorhandensein eines Scheibenwischers bereiten, da wir bisher weder eine Frontscheibe, noch einen Scheibenwischer für das Fahrzeug besitzen.

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