Tipps für den Bau eines Rennsolarmobils Viel Praxis und ein bisschen Theorie

Transkript

1 Tipps für den Bau eines Rennsolarmobils t Viel Praxis und ein bisschen Theorie Getüftelt, gezeichnet und geschrieben vom tueftler-team: Markus Aepli & Peter Wüthrich Neuüberarbeitung 2016

2 Didaktische und allgemeine Hinweise Didaktische Hinweise Die Entwicklung und der Bau eines Solarmobils fördern das Technikverständnis durch technisches Handeln; erfahren, experimentieren, entwickeln, herstellen, reflektieren, optimieren und beurteilen. Mit einer Schritt-für-Schritt Bauanleitung ist dieses Ziel nicht zu erreichen. Die vorliegende Broschüre möchte Zusammenhänge sichtbar machen und den Lehrpersonen Hilfestellungen anbieten. Abhängig von Schulstufe und Lektionenzahl kann der selbstständigen Entwicklung mehr oder auch weniger Raum gegeben werden. Der Schwierigkeitsgrad lässt sich mit Schülerblättern steuern. Umschalter: Lötvorlage Zahnradgetriebe Solarmodulhalter Bodenplatte: Varianten Bodenplatte: Antrieb-Konstruktionshilfe Hinweise Die empfohlenen Schülerblätter sowie die vorliegende Broschüre stehen auf der Webseite - unter der Rubrik Wissen - zum Download bereit.

3 Inhalt Inhalt 1 Rennsolarmodul mit Umschalter Serieschaltung Parallelschaltung Umschalter Rennsolarmodul Das Rennsolarmodul ist nach dem 2 in 1-Prinzip aufgebaut: 2 eigenständige Solarmodule auf einem Board. Diese Bauweise erleichtert die Serie -/Parallelverschaltung und vereinfacht die Konstruktion des Fahrgestells. 2 Serie-, Parallelschaltung und Umschalter 3 Motor mit Stirnzahnradgetriebe Ritzel vorbereiten 4 Stirnzahnradgetriebe 5 Bodenplatte 6 Solarmodulhalter 7 Bodenplatte: Varianten 8 Bodenplatte: Antrieb-Konstruktionshilfe 9 Räder 10 Lenkung 1. Knicklenkung 2. Schwenkachslenkung 3. Starrachsen (keine Lenkung) 11 Karosserie 12 Karosserien: Fotos 13 Die passende Wahl 3- oder 4 Rad? Speed- oder Slowmotor? 14 Materialblatt 15 Stückliste 1 Rennantrieb-1, Rennantrieb-1plus und Rennsolarmobil-1 16 Artikelbilder Rennantrieb und Rennsolarmobil

4 Rennsolarmodul mit Umschalter 1 Rennsolarmodul mit Umschalter Ein Solarmodul besteht aus Solarzellen, die seriell oder parallel verschaltet sind. Die Solarzellen wandeln das Sonnenlicht in elektrische Energie um. Der Gleichstrom treibt den Solarmotor an. Solarmodule können zur Leistungssteigerung miteinander verschaltet werden. Beachte! Es dürfen nur gleichartige Solarzellen bzw. Solarmodule miteinander verschaltet werden. Serieschaltung Bei der Serieschaltung von 2 Solarzellen bzw. von 2 Solarmodulen verdoppelt sich die Spannung, nicht aber der Strom. Die erhöhte Spannung lässt den Motor schneller drehen. Serieschaltung ist ideal bei guten Lichtverhältnissen. Parallelschaltung Bei der Parallelschaltung von 2 Solarzellen bzw. von 2 Solarmodulen verdoppelt sich der Strom, nicht aber die Spannung. Der erhöhte Strom gibt dem Motor mehr Kraft. Parallelschaltung ist ideal bei schlechten Lichtverhältnissen Umschalter Mit einem Umschalter kann bequem zwischen Serie- oder Parallelschaltung gewechselt werden. Um auf jede Wettersituation reagieren zu können, müssen die Rennsolarmodule mit einem Umschalter ausgerüstet werden. Rennsolarmodul Das Rennsolarmodul ist nach dem 2 in 1-Prinzip aufgebaut: 2 eigenständige Solarmodule auf einem Board. Diese Bauweise erleichtert die Serie -/Parallelverschaltung und vereinfacht die Konstruktion des Fahrgestells. Frage Kann man das Rennsolarmodul auch in zwei Teile trennen? Antwort Entlang der mittigen Trennlinie ist das möglich. Es werden dann aber eine zusätzliche Modulbefestigung und längere Kabel benötigt.

5 Serie-, Parallelschaltung und Umschalter 2 Serie-, Parallelschaltung und Umschalter Parallelschaltung 1.5V/1200mA Schlechtwetterschaltung Serieschaltung 3.0V/600mA Schönwetterschaltung optional Brücke Umschalter mit 1 Rennsolarmodul 1.5V/1200mA oder 3.0V/600mA Wird der Umschalter zur Befestigung geklebt, muss doppelseitiges Klebeband verwendet werden. Flüssiger Leim kann den Schalter blockieren! Brücke: zusammendrücken und löten Umschalter mit 2 Rennsolarmodulen 3.0V/1200mA oder 6.0V/600mA optional optional Brücke Brücke

6 Motor mit Stirnzahnradgetriebe 3 Motor mit Stirnzahnradgetriebe Der Elektromotor wandelt die elektrische Energie der Solarzellen in mechanische Energie um. Unser Elektromotor ist ein Standardmotor aus der Unterhaltungselektronik, welchen wir für den Solarbetrieb optimieren lassen. Er ist für den Betrieb mit 1-2 Rennsolarmodulen (1.5-6V) ausgelegt. Um Drehzahl und Drehmoment des Elektromotors optimal auszunützen, wird ein Getriebe benötigt. Die Motorwelle hat in der Regel eine zu hohe Drehzahl und ein zu niedriges Drehmoment, als dass sie für den direkten Antrieb von Rädern geeignet wäre. Ein Stirnzahnradgetriebe reduziert die Drehzahl und erhöht das Drehmoment. Dadurch erhalten die Räder genügend Kraft, um die Bewegungsenergie auf den Boden zu übertragen. Mit unseren Stirnzahnrädern entsteht ein Getriebe, welches das Rennsolarmobil optimal an die verschiedene Lichtverhältnisse anpasst. Die Stirnzahnräder, welche direkt auf der Motorwelle befestigt werden, nennt man Ritzel. Mit den drei verschiedenen Ritzeln (Z9, Z12, Z18) und dem auf der Radachse befestigten grossen Stirnzahnrad (Z60), wird die passende Übersetzung gewählt. Dank dem beweglichen Motorhalter können die Ritzel schnell ausgetauscht und wieder justiert werden. Ritzel vorbereiten Die Ritzel sollten vor dem Einbau mehrmals auf die Motorwelle gepresst und mit einem Schraubenschlüssel oder einem Schraubenzieher wieder gelöst werden. Das geht am einfachsten, wenn das Zahnrad auf dem Tisch liegt und und die Motorwelle von oben eingepresst wird. Die Bohrung weitet sich dadurch etwas aus und die Ritzel können einfacher ausgewechselt werden. Motor Ritzel

7 Stirnzahnradgetriebe 4 Stirnzahnradgetriebe PanHead-Schrauben M2.5 x 4 Ritzel: 9Z, 12Z, 18Z Stoppmutter Motorhalter Mit Schraubenschlüssel und Schraubenzieher die Stoppmutter so fixieren, dass sich der Motorhalter von Hand optimal positionieren lässt. Zahnrad 60Z Die Zähne müssen so tief ineinandergreifen, dass sie noch genügend Spiel haben und sich die Zahnräder ohne Widerstand drehen lassen. Nicht zuviel und nicht zuwenig Spiel! stark langsam schwach schnell Durch Verschieben des Motorhalters kannst du die Ritzel bequem wechseln, falls die Lichtverhältnisse oder deine Anforderungen dies nötig machen. Motorhalter Stoppmutter

8 Fahrgestell: Bodenplatte und Solarmodulhalter 5 Bodenplatte Das Fahrgestell ist die Unterkonstruktion, welche alle Teile des Rennsolarmobils miteinander verbindet. Im einfachsten Fall genügt eine Bodenplatte. Motorhalter, Solarmodulhalter und Fahrwerk werden daran befestigt. Es hat sich bewährt, den Motor auf die Mittellinie des Fahrgestells auszurichten. Durch eine gleichmässige Gewichtsverteilung fährt das Rennsolarmobil stabiler geradeaus. Als Bodenplatte kann Pappelsperrholz verwendet werden. Es ist leicht und lässt sich gut bearbeiten. Bei der mittigen Positionierung des Motors wird je nach Konstruktion in der Bodenplatte eine Öffnung für das grosse Zahnrad benötigt. Anstatt das Fahrwerk beweglich zu machen, kann die Bodenplatte als Knicklenkung konstruiert werden. Die Knicklenkung hat den Vorteil, dass Korrekturen für den Geradeauslauf feiner eingestellt werden können. Mehr zum Thema Lenkung auf Seite 10.

9 Fahrgestell: Bodenplatte und Solarmodulhalter 6 Solarmodulhalter Das Solarmodul hat den besten Wirkungsgrad, wenn das Sonnenlicht in einem steilen Winkel (60-90 ) auftrifft. Hinweis 1: Wenn das Solarmobil nur Runden drehen soll, genügt es, wenn das Solarmodul horizontal montiert ist. Eine verstellbare Solarmodulhalterung ist hier nicht unbedingt nötig. Hinweis 2: Wenn das Solarmobil auch Rennen fahren soll, wo jede gewonnene Sekunde entscheidend ist, braucht es unbedingt eine verstellbare Solarmodulhalterung. Ideal ist eine dreh- und neigbare Halterung. Eine solche Halterung ist Teil des Bausatzes Rennsolarmobil. Bohrung in der Bodenplatte Ø = mm Der Solarmodulhalter besteht aus einem kurzen Aluminiumstab mit einer Bohrung für die Fixierung des Winkels und einem Gewinde zur Befestigung auf der Bodenplatte. Die Bohrung in der Bodenplatte sollte einen Durchmesser von mm haben, damit sich der Stab gut drehen lässt, ohne dabei die Schraube zu lockern. Das Solarmodul wird mit doppelseitigem Klebeband fixiert. Die zu klebenden Flächen müssen staub- und fettfrei sein. Die zu verklebenden Teile mind. 10 Sekunden fest zusammendrücken.

10 Bodenplatte: Varianten 7 Bodenplatte: Varianten

11 Bodenplatte: Antrieb-Konstruktionshilfe 8 Bodenplatte: Antrieb-Konstruktionshilfe Zahnrad 60Z Antriebsachse Lochblechwinkel ca. 35mm max. 65mm Motorhalter Bodenplatte

12 Fahrwerk: Räder und Lenkung 9 Zum Fahrwerk gehören die Räder, die Radaufhängung und allenfalls eine Lenkung. Räder Das Rad ist das letzte Glied der Kraftübertragung vom Motor über das Getriebe auf den Boden. Je grösser sein Durchmesser, umso schneller fährt das Rennsolarmobil. Doch braucht es auch mehr Energie, um in Schwung zu kommen. Räder mit kleinerem Durchmesser brauchen weniger Energie, dafür fährt das Rennsolarmobil langsamer. Bei perfektem Sonnenschein sind grosse Räder, bei weniger guten Lichtverhältnisse hingegen kleinere Räder von Vorteil. Die grossen U-Scheiben unterstützen den rechtwinkligen Sitz auf der Achse. Die Stoppmutter sichert die Position und fixiert zusammen mit der Sechskantmutter das Rad. Ein Streifen Ballongummi, über das Rad gezogen, verbessert die Bodenhaftung.

13 Fahrwerk: Räder und Lenkung 10 Lenkung An einem Rennen muss das Rennsolarmobil über die 10m lange Bahn ins Ziel kommen, ohne in den Banden zu landen oder den Gegner zu behindern. Es ist also wichtig, dass das Fahrzeug geradeaus fährt! Ideal ist eine fein einstell- und fixierbare Lenkung. 1. Knicklenkung Diese Lenkung kann fein eingestellt und die perfekte Position für die Geradeausfahrt mit einer zusätzlichen Schraube (optional) fixiert werden. Fixierung 2. Schwenkachslenkung Bei der Schwenkachslenkung - auch Drehschemellenkung genannt - wird die Radachse zentral gedreht. Hier ist das Feintuning für den Geradeauslauf kniffliger als bei der Knicklenkung, da sich jede kleinste Einstellung unmittelbar auf das Fahrverhalten auswirkt. 3. Starrachsen (keine Lenkung) Die Achslager sind starr mit der Bodenplatte verbunden und müssen daher für den Geradeauslauf zwingend parallel zueinander montiert werden. Für eine Nachjustierung werden die Achslager (Lochblechwinkel) der Vorderachse durch Lösen - Ausrichten - und wieder Anziehen ausgerichtet. Dazu müssen die Bohrungen in der Bodenplatte vergrössert werden. Idealerweise werden die Bohrungen mit einer Rundfeile in die entsprechende Richtung vergrössert

14 Karosserie 11 Karosserie Das Rennsolarmobil darf orginell sein. Bau dir eine Karosserie, welche es einzigartig macht. Lass deiner Fantasie freien Lauf, aber achte darauf, dass du beim Gestalten die Funktionen des Gefährts nicht behinderst. Baue es so leicht wie möglich! Jedes eingesparte Gramm macht das Rennsolarmobil schneller! Eine abnehmbare Karosserie reduziert das Startgewicht. Ein wesentlicher Vorteil bei einem Rennen! 1

15 Karosserien: Fotos 12 Karosserien: Fotos

16 3- oder 4-Rad? Speed- oder Slowmotor? 13 Die passende Wahl 3- oder 4 Rad? Die Antriebsachse ist breit genug, damit auch bei 3 Rädern eine gute Stabilität gewährleistet ist. Nun sind 3 Räder etwas leichter als 4 Räder und da jedes eingesparte Grämmchen das Rennsolarmobil schneller macht, wird die Gewichtseinsparung zu einem wichtigen Thema. Gewicht einsparen kann bei der Anzahl Räder beginnen, hört aber definitiv nicht da auf. Da für eine schnelle Fahrt eine ganze Reihe an Bedingungen optimal erfüllt werden müssen, ist aus unserer Sicht die Anzahl Räder eher eine Gestaltungs- als ein Optimierungsoption. Speed- oder Slowmotor? Solarmotor 500-speed Solarmotor 500-slow Solarmobile mit 1 Rennsolarmodul Der 500-slow ist die Universalvariante und der Standardmotor bei Fahrzeugen mit einem Solarmodul. Seine guten Anlaufeigenschaften lassen diese Rennsolarmobile auch bei Regenwetter fahren. Der 500-speed ist die absolute Schönwettervariante und der geeignete Motor bei strahlendem Sonnenschein. Seine Kraft und seine hohe Drehzahl kommen dann voll zur Geltung. Ziehen aber Wolken auf, verliert er rasch an Tempo und die Rennsolarmobile mit dem 500-slow ziehen unaufhaltsam an ihm vorbei. Solarmobile mit 2 Rennsolarmodulen Bei den Fahrzeugen mit zwei Solarmodulen kommt der 500-speed zum Einsatz. Die hohe Stromleistung garantiert in dieser Kombination auch bei Schlechtwetter ein zügiges Vorankommen und bei Schönwetter eine superschnelle Fahrt!

17 Materialblatt 14 Materialblatt PanHead-Schraube M2.5x4 Kabel PanHead-Schraube M3x8 Ritzel 9Z PanHead-Schraube M3x15 Sechskantmutter M3 Ritzel 12Z Unterlagsscheibe M3 Stoppmutter M3 Ritzel 18Z Zahnrad 60Z Solarmodul O-Ring Gewindestange M3 x 150mm doppelseitiges Klebeband Solarmodulhalterstab Motor Motorhalter Rad Ø 50 Lochblechwinkel Pappelsperrholz Rad Ø 90 Schalter 2xUM/ ON-OFF-ON Pappelsperrholz

18 Stückliste 1: Rennantrieb-1, Rennantrieb-1plus und Rennsolarmobil-1 15 Stückliste 1 Rennantrieb-1, Rennantrieb-1plus und Rennsolarmobil-1 Artikel-Nr. Teile Verwendung 7207 Rennantrieb Solarmodul 2 x Solarmotor 500-slow Motorhalter (inkl. Schrauben) 1 Zahnradabstand justieren und einfaches Wechseln der Ritzel 8104 Lochblechwinkel 1 Befestigung von Motorhalter (inkl. Schraube, Stoppmutter) 5042 Schalter 2xUM ON-OFF-ON 1 Umschalter Serie/Parallel, Ausschalter 6470 Zahnradset 1 Zahnrad 60Z, Ritzel 18Z/12Z/9Z 7203 Rennsolarmobil 3052 Solarmodul 2 x Solarmotor 500-slow Motorhalter (Alu) 1 Zahnradabstand justieren und einfaches Wechseln der Ritzel 6460 Ritzel 9Z/ Zahnrad mit Bohrung 1.9mm für Motor (Schlechtwetter) 6461 Ritzel 12Z/ Zahnrad mit Bohrung 1.9mm für Motor 6462 Ritzel 18Z/ Zahnrad mit Bohrung 1.9mm für Motor (Schönwetter) 6463 Zahnrad 60Z/ Antriebszahnrad auf Radachse mit Bohrung 2.9mm 6521 Räder Ø 90mm 2 Pappelsperrholz 6523 Räder Ø 50mm 2 Pappelsperrholz 8020 Sperrholz (Pappel) 150 x Bodenplatte für Fahrgestell (hinten) 8021 Sperrholz (Pappel) 150 x 40 1 Bodenplatte für Fahrgestell (vorne) 8104 Lochblechwinkel 7 Befestigung von Fahrwerk, Motorhalter und Solarmodul 8105 Solarmodulhalterstab 1 Befestigung des Solarmoduls auf der Bodenplatte 6551 PanHeadschrauben M2.5 x 4 2 Motorbefestigung auf Motorhalter 6555 PanHeadschrauben M3 x 8 11 Befestigen der Winkel auf der Bodenplatte 6554 PanHeadschrauben M3 x 15 3 Lenkung, Solarmodulhalter 6601 Stoppmuttern M3 6 Räder, Motorhalterwinkel, Solarmodulwinkel und Lenkung sichern 6602 Sechskantmuttern 16 Räder, Zahnrad und Winkel fixieren 6621 U-Scheiben 3.2 x zwischen Holz und Mutter bei Räder und Lenkung und zwischen Zahnrad und Mutter 6390 O-Ring 1.8 x Fixierung Solarmodulhalter 6140 Gewindestangen M3 x Radachsen 5042 Schalter 2xUM ON-OFF-ON 1 Umschalter Serie/Parallel, Ausschalter 6642 Doppelklebeband 2 zur Befestigung des Solarmoduls/ alle Flächen zuerst reinigen 5000/5001 Kabel rot/ schwarz je 0.5m Umschalter/ Motor

19 Artikelbilder: Rennantrieb und Rennsolarmobil 16 Artikelbilder Rennantrieb und Rennsolarmobil Rennantrieb Rennsolarmobil

20 Solarmobilrennen Impressionen