Konzeptentwicklung

Konzeptentwicklung

eRikscha-Grundgestell

Für die Herstellung vom Grundgestell stellen Sie viele Matrialen in die Frage (wie zb. : Stahl, Alu, Carbon, Carbon-Stahl, usw...). Aber was wichtig ist, wie einfach die Beschaffuenheit von jedem Matrial ist.

Grundgestell aus Stahl :

Stahl-Material hat eine hohe Festigkeit (E-Modul: 210 000 MPa) aber bei Stahl müssten alle Verbindungselemente bzw. Teilen verschweißt werden und dabei muss es auch professionell geschweißt werden, damit man die Möglichkeit hat, die eRiksch später zuzulassen. Die Beschaffung vom Stahl müsste in dem Fall in der Werkstatt gefertigt werden, was den Zeitfaktor stark beeinflusst. Welches auch durch Corona sehr kritischer geworden ist. Wenn man Stahl von der Montagen Seite anguckt, dann sieht man ganz klar, dass die Konstruktion nach Schweißen schwierig zu bearbeiten und somit ist ein flexibles Umkonstruieren leider nicht so einfach.

Grundgestell aus Carbon:

Aufgrund der sehr hohen Festigkeit (E-Modul: 30 000 MPa) im Vergleich zum leichten Gewicht ist Carbon einer der beliebten Material in der Mobil-industrie. Wobei ist die Beschaffenheit von Carbon mit einem bestimmten Verfahren erfolgreich i, und dadurch ist es auch teurer bei dem Einsatz im Vergleich zu allen übrigen Materialen. Ein Umkonstruieren bzw. Umrüsten und Nachrüsten ist bei Carbon sehr schwer und aufwendig.

Grundgestell aus Aluminium :

Alu besitzt eine geringere Materialfestigkeit (E-Modul: 75 000 MPa) im Vergleich zu Sahl aber vom Gewichther gewinnt Alu gegen Stahl.
Die Beschafffung von Alu ist durch Schweißen sehr kritisch und muss von einer speziellen Werkstatt beareitet werden, was bei der Zulassung später ein Problem machen könnte. Durch Alu-Schweißen müsste man auch wissen, dass die gescheißten Stellen auch schwächer werden, was man bestimmt nicht riskieren will. Und nach dem Schweißen ist in dem Fall das Umkonstruieren unmöglich ist.

Grundgestell aus Minitec-Profilen :

Um Schweißen zu Vermeiden und eine flexible Entwicklung zu beschaffen, habe ich mich entschieden, alle benötigte Element und Teile Verschraubbar zu machen. Und Somit kam die Idee minitec-Profile zum Einsatz zu bringen, was am Anfang bisschen komisch klingt aber mit minitec- Profile bekommt man Viele Vorteile, die für die flexible Entwicklung so wie auch für die Weiterentwicklung sehr nötig und hilfreich sind.
Die minitec Profile sind aus Alu und besitzen eine Struktur, sodass ihre zugelassene Biegespannung vergrößert wird, und die minitec Profile werden häufig bei vielen Projekten an der Hochschule verwendet werden. Die Montage von minitec Profile ist einfach und kann jede Zeit wieder abmontiert werden, und somit ist das Umkonstruieren und Nachrüsten leicht möglich.

Wenn man mal minitec Profile und Stahl Rohre bzw. Profile zum Vergleich bringt, merkt man sofort, dass die minitec Profile aufgrund dem leichten Gewicht und der leichteren Montage bzw. Abmontieren viel besser als Stahl-Profile zum Einsatz kommen.

Erstes eRikscha-Konzept

Um die Vorstellung von der eRiksch aus minitec-Profile klarer zu machen, habe ich mir eine schnelle, übersichtliche Konstruktion aus minitec Profilen in 3D Model konstruiert. und damit konnte man sehen, wie es mit minitec Profilen gehen kann und welche Schwierigkeit könnte später auftauchen.
Dabei war mir sofort klar, dass ich die Verbindungselemente des Minitec Herstellers bei meiner Konstruktion nicht verwenden kann und deswegen musste ich die verbindungsplatten selber konstruieren, um die benötigten Winkeln zu haben. und wie es auf dem unterliegenden Bild (Abb.1.5) zu sehen ist, konnte ich den Plan von der Entwicklung der eRiksch festlegen.

Abb. 1.5 : erstes Konzept der eRiksch in 3D Model

Minitec Profile Biegespannung Berechnung

Bevor ich mit dem Konstruieren der eRiksch weitergegangen bin, habe ich versucht, die Biegespannungswerte von minitec rauszufinden. und in dem Fall war die Minitec-Herstellerseite sehr hilfreich, in dem der Herstelle die Möglichkeit zur Verfügung online gestellt hat, die Biegespannung bei einer auszuwählenden Länge auf eine bestimmten Kraft messen zu können.

Bei meiner Konstruktion habe die 45x45F bzw. 45x90F minitec Profile verwendet, die eigentlich häufig an der Werkstatt verwendet werden, damit konnte ich später auch Rest-Profile verwenden, sodass ich dann nicht alles bestellen müsste.

Auf den unterliegenden Bilden kann man die Biegespannungen beiden minitec-Profilen bei verschiedenen Längen und Kräften anschauen. und damit konnte ich laut der Biegespannungswerte und dem Durchbiegungswerte (fy : wichtig) feststellen, dass ich jetzt meine Grundgestell-Konstruktion auf minitec Profile basieren kann.

Abb. 1.6 : Berechnung der Biegespannung bei 300 mm lang 45x45F minitec Profil
Quelle : https://www.minitec.de/produkte/profilsystem/profile

Abb. 1.7 : Berechnung der Biegespannung bei 500 mm lang 45x45F minitec Profil
Quelle : https://www.minitec.de/produkte/profilsystem/profile

Abb. 1.8 : Berechnung der Biegespannung bei 300 mm lang 45x90F minitec Profil
Quelle : https://www.minitec.de/produkte/profilsystem/profile

Abb. 1.9 : Berechnung der Biegespannung bei 500 mm lang 45x90F minitec Profil
Quelle : https://www.minitec.de/produkte/profilsystem/profile

Motorleistung & Getriebenübersetzung Berechnung

Nach der Absprache mit dem Betreuer Prof. Jürgen Walter war die Entscheidung, die erste konzipierte eRikscha mit einem BLDC Motor bzw. einem programmierbaren BLDC Motor Controller anzutreiben, womit die eRikscha reinelektrisch, ohne eine Fahrerleistung zu erbringen, gefahren werden kann. Und um die Recherchen-Bereich zu begrenzen und vereinfachen, müsste ich eine universelle Leistungsberechnung durchführen.

Dabei habe ich mit Hilfe von Excel eine tabellarische Berechnung gemacht, in der die erforderlichen elektrischen sowie mechanischen (Vom Fahrer) Leistungen in Abhängigkeit von der zu fahrenden Steigungen übersichtlich sind.

Um die Berechnung zu ermöglichen, war ein maximale Ladegewicht festzulegen. Hier wurde es mit einem deutschen durchschnittlichen Personengewicht zu berechnen. Mit 80 Kg Personengewicht wiegt der eRiksch zugeladen von 390Kg bis 400kg (3*80*kg+150*Kg). Wobei die eRikscha 150 kg zu wiegen.

Mit Hilfe von PowerPoint habe ich die Ketten- und Antriebsystemkonzept erstellt und auf dem Abb. 2.0 von der rechten Seite ist die Kurbel mit einem Kettenbrett zu sehen. Durch die von Fahrer erzeugten Kraft auf dem Kurbelarm, wird ein Drehmoment an der Kurbelwelle erzeugt und durch einen kleinen Durchmesser vom Kettenbrett, wird die durch die Kette weiterzuleitende Kraft aufgrund des indirekten Proportionalen Verhältnis zwischen Kraft und Durchmesser vergrößert. Und somit erzeugt diese Kraft durch die Kette einen vergrößerten Moment an Ritzel-Kettenrad, das erfolgt durch einen großen Kettenraddurchmesser, da der Moment proportional zum Durchmesser ist. Und so erfolgte die Vergrößerung vom Moment bis zur Radachse. Damit konnte ich die tabellarische Berechnung in Excel leichter erzeugen.

Aufgrund der großen Tabelle sind die Details leider Auf dem Abb. 2.1 nicht deutlich zu erkennen, aber die Excel-Datei ist unter dem Abb.(***) zu runterladen.

Abb. 2.0 : Kettensystem der eRikscha (Variante 1)

Abb. 2.1 : Tabellarische Leistungsberechnung für die Variante 1

Die ausführliche Berechnung finden Sie als Excel-datei Hier.

Abb. 2.2 : Kettensystem der eRikscha (Variante 2)

Abb. 2.3 : Tabellarische Leistungsberechnung für die Variante 1

Excel-Datei für die Berechnung zweiter Variante Hier

Berechnung der Wellendimensionierung

Durch Antriebskräfte und Gewichtskräfte werden eine Biegespannung und eine Torsion auf der Radachse wirken und somit müsste die Welle mit einem Sicherheitsfaktor dimensioniert werden.
Hier wurde mit zwei unterschiedlichen Stahlmaterialen den Mindestdurchmesser von der Welle in Abhängigkeit der Leistungswerte von der oberen Berechnung berechnet. Auf dem Abb. 2.4 ist die Berechnung mit Nichtrostende Edelstahl X6CR13 zu sehen. Auf dem Abb. 2.5 konnte man den starken Unterschied Zwischen den Ergebnissen, wenn der Vergütungsstahl verwendet wird.

Abb. 2.4 : Berechnung der Wellendimensionierung mit Nichtrostende Edelstahl X6CR13

Abb. 2.5 : Berechnung der Wellendimensionierung mit Vergütungsstahl C55E

Powerpoint Datei download.

Nachlauf

Der Nachlauf ist der Abstand zwischen den Aufstandpunkten „B“ (Lenkachse) und „A“ (Laufrad).

Der Nachlauf wird kleiner
– je steiler der Steuerwinkel,
– je größer die Gabelbiegung,
– je kleiner der Laufradradius.

Der Nachlauf wird größer
– je flacher der Steuerwinkel,
– je kleiner die Gabelbiegung,
– je größer der Laufradradius.

Auswirkungen des Nachlaufs auf die Fahreigenschaften:

Ein günstiger Nachlaufwert mit einem mittleren Steuerwinkel bewirkt ein ausreichend direktes, gut beherrschbares Lenkverhalten (Beispiel Reiserad: 71° Lenkrohrwinkel, 56 mm Nachlauf, bei ca. 110 cm Radstand).

Ein kleiner Nachlauf bei tendenziell steiler werdendem Lenkrohrwinkel bewirkt ein immer direkter werdendes bis hin zum hypernervösen Lenkverhalten (Beispiel Rennrad: 74° Lenkrohrwinkel, 50 mm Nachlauf, bei ca. 100 cm Radstand).

Berechnung der wirkenden Kräfte und Momenten

Abb. 2.6 : Berechnung der wirkenden Last auf Grundgestell

Recherche & Bestellphase

Aufgrund der hohen Gewichtslast, die die eRikscha ertragen müsste, müssten hier in dem Fall spezielle Reifen und Felgen verwendet werden, so ist der Fall auch bei Bremssystem, deswegen war eine Recherche notwendig.
Beim Recherchieren war es merkbar, dass fast alle eRikscha, die auf dem Markt aus China sind, was tatsächlich einfach zu finden war. Aber Solche Rikscha stimmen die Regeln und die deutschen Spezifikationen nicht überein, welches ein Problem bei der Zulassung machen könnte.
Durch lange Suche nach einem deutschen Hersteller von Rikscha, waren zwei eRikscha-Hersteller zu geben, einer war der deutsche eRikscha-Hersteller Radkutsche und ein französischer Hersteller Yokler.

Nach einem Telefongespräch mit beiden Hersteller war das Resultat, dass Yokler eRikscha-Hersteller keine Einzelteile zum Kaufen anbieten, was auch nicht kostengünstig im Vergleich zum dem deutschen eRikscha Hersteller war, der uns gerne die Teile einzeln verkaufen würde.

von dem Radkutsche Hersteller konnte einen Bausatz von einer entstehenden Rikscha ohne Grundgestell bestellt werden. Somit war es gesichert, dass alle Teile der zu entwickelnden eRikscha einen deutschen Enorm haben, Welches später bei der Zulassung wichtig ist.

Die Bestellphase hat sich bisschen durch die Corona-Krise verspätet, und es hat fast 2-3 Wochen gedauert, bis die Bestellung ankam.

Konstruktion & reverse development

Aus dem ersten Konzept der eRikscha wurde mit Hilfe von Creo Parametrice neun Verschiedene eRikscha-Versionen konstruiert, bei denen die Bemaßungen nur schätzend gemacht wurden, sodass es später schnell angepasst werden kann. So konnte man die Zeit ausnutzen, bis die bestellten Teile ankommen.
Alle neun Versionen sind unter der Webseite Mechanik zu runterladen. Die aktuell verwendete Version ist die achte Version, wobei die neunte Version genauso gleich wie die Achte aber der vordere Teil wurde bei der neunten Version mit 45x90F statt 45x45F Profilen konstruiert.
Weil die technische Daten und Zeichnungen von bestellten Teilen nicht zur Verfügung waren, müsste ich eine umgekehrte Entwicklung machen, indem ich die Teile selber messen müsste und in 3D Model konstruieren, welches klar sehr aufwendig war. Durch die enge Zeit konnte ich leider nicht alle Bauteile in 3D konstruieren (wie zB. Bremshebel, Schläuche, Kabeln, usw.…) Aber Hauptteile, die bei der Grundgestell-Konstruktion eine wichtige Rolle (wie zB. Gabel, Räder, Pedale, Lagern, usw....) müssten unbedingt nachkonstruiert werden, damit die Konstruktion ohne Fehler realisiert werden kann.
Auf dem Abb. 2.7 sind die Bauteile des gelieferten Lenksystem. Alle Bauteile müssten in 3D konstruiert werden, damit konnten die Einbauhöhe-Maßen in Creo übernommen werden, sodass die Winkel des Nachlaufs bestimmt werden kann. Im Bezug der von der Hand gemessenen Maßen wurde die Gabelführung auf dem Abb. 2.8 in Creo entwickelt.

Abb. 2.7 : 3D nachkonstruierte Gabel

Es wurde entschieden, dass die Gabelführung aus Alu gefertigt wird, welches beim Fräsen die Arbeit vereinfacht und verkürzt. Mit der Gabelführung wird die Mittlere Achse des Gabel axial gelagert, in dem die Lagerschalen in der Lagerschalenaufnahme in Gabelfürung geführt werden, anschließen wird das Axiallager in der Lagerschale platziert, welches durch ein Ring um die Welle zentriert wird. Um die Gabelführung mit dem Gabelerbindungsplatte zu befestigen sind 8 x M8 Löcher zur Verfügen konstruiert. Somit wird das Lenksystem komplett verschraubbar sein, und kann jede Zeit auseinander für die Weiterentwicklung abgebaut werden.

Abb. 2.8 : 3D Model - Gabelführung

Abb. 2.9 : 2D Model - Gabelführung, Fertigungsverfahren (Fräsen CNC aus Alu)

die Gabelverbindungsplatte auf dem Abb. 3.0 wird benötigt um das Lenksystem mit minitec Profilen zu verbinden. Hier sind zwei Platten Parallel einzusetzen, die mit M8 Schrauben montierbar sind. Die Platten werden aus Alu abgesägt und gebohrt.

Abb. 3.0 : 3D Model - Gabelverbindungsplatte

Abb. 3.1 : 2D Model - Gabelverbindungsplatte, Fertigungsverfahren (Absegen & Bohren)

Die Motor-&Pedale-Verbindungsplatte auf dem Abb.3.2 wird als ein Verbindungselement zwischen den minitec Profilen verwendet, welches auch gegen die durch Gewicht wirkenden Kräfte und Momente halten muss. Für Motorbefestigung wurden 6 zusätzliche Bohrungen zur Verfügung gestellt, sodass es ein Pedalec-Aufbau jede Zeit möglich ist.

Abb. 3.2 : 3D Model - Pedalverbindungsplatte

Abb. 3.3 : 2D Model - Pedalverbindungsplatte, Fertigungsverfahren (Absegen & Bohren)

Die Trettlager-Aufnahme wird als Ersatz vom Pedalec-Boschmotor verwendet. Wenn der Boschmotor in der Hochschule verfügbar wird, dann kann die Trettlager-Aufnahme wieder mit Boschmotor-Aufnahme ersetzt werden. Die Trettlager-Aufnahme wird mit Hilfe eine CNC Maschine in IMB aus Alu gefräst.

Abb. 3.4 : 3D Model - Trettlager-Aufnahme

Abb. 3.5 : 3D Model - Trettlager-Aufnahme, Fertigungsverfahren (Absegen & Bohren)

Für die Befestigung der Sättel war ein Sitzrohr-Führung zu entwickeln. Mit dieser Führung kann die Höhe des Fahrersitzes eingestellt werden. Aufgrund der einfachen Fertigung wird diese Führung auf zwei Teile geteilt, sodass die Sitzrohrplatte gefräst wird und die Rohrführung mit Drehmaschine gefertigt wird und letztendlich werden beiden Teilen miteinander Alu geschweißt.

Abb. 3.6 : 3D Model - Sitzrohr-Aufnahme

Abb. 3.7 : 2D Model - Rohrführung-Anteil, Fertigungsverfahren (Drehen)

Abb. 3.8 : 2D Model - Sitzrohrplatte-Anteil, Fertigungsverfahren (Fräsen)

Simulation in Creo

Alle Simulationen wurden in Creo Parametrice 6 Lit gemacht. Hier wurde die Simulation mit Alu-Material als Werskstoff untersucht. Alle Dateien sind unter Creo Datei unter dem Kapitel Mechanik zu finden.

Abb. 3.9 : 3D Model Simulation- Mitteleres Profile unten (300mm)

Abb. 4.0 : 3D Model Simulation- Pedalverbindungsplatte

Abb. 4.1 : 3D Model Simulation- Gabelverbindungsplatte

Abb. 4.2 : 3D Model Simulation- Verbindungswinkel 120°

Abb. 4.3 : 3D Model Simulation- Verbindungswinkel 60°

3D Endkonstruktion

Es wurden noch viele Teile in 3D konstruiert, die ich leider oben nicht alle erwähnen könnte. Aber auf dem Abb. 4.4 ist der gesamte Aufbau der eRiksch in 3D Model zu sehen. Eine in 3d konstruierte Ebene wurde hier verwendet, um testen zu können, ob die eRiksch horizontal zum Boden stehen wird.

Falls Sie mehr Interesse an 3D Model haben, können Sie sich ein 3D PDF-Datei unter dem Bild runterladen.

Abb. 4.4 : 3D Model - eRikscha

Abb. 4.5 : 2D Model - eRikscha

Zum Runterladen der 3D PDF Datei klicken Sie bitte Hier