Der gefederte Schlitten. gebaut von einer AG des CJD Christophorusgymnasiums Berchtesgaden

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1 Der gefederte Schlitten gebaut von einer AG des CJD Christophorusgymnasiums Berchtesgaden

2 Inhaltsverzeichnis: 1. Allgemeine Informationen zum Projekt 2. Zusammenfassung 3. Projektdokumentation 3.1. Zielstellung 3.2. Beschreibung der Projektarbeit 3.3. Aufgabenverteilung / Kommunikation 4. Zusammenarbeit mit dem Partner-Unternehmen / Praxisbezug 5. Sonstiges: Anlagen, Protokolle, andere Unterlagen 6. Datum und Unterschrift 1. Allgemeine Informationen Thema: Bau eines gefederten Schlittens und Untersuchung, inwieweit eine solche Federung die beim Schlittenfahren auftretenden Kräfte reduziert. Bearbeitet von Jahrgangsstufe: Schüler der Klassen 8 und 10 des CJD Christophorusgymnasiums Berchtesgaden Fach: Das Thema bietet sich im Fach Physik bei der Behandlung von Kräften an. Im Rahmen des Projektes wurde ein gefederter Schlitten gebaut und versucht, die auftretenden Kräfte zu messen 2. Zusammenfassung Der Schüler-Team-Wettbewerb Vision-Ing21 stellte sich Anfang des Schuljahres auf der Fortbildungsveranstaltung Technik erleben in München vor. Als sich die AG in der Schule bildete stellte der Wettbewerb die Möglichkeit dar, der AG ein Ziel zu geben und stellte somit eine zusätzliche Motivation dar. Da die Schule auf 1100m liegt und ab November bis April durchgehend Schnee liegt, bot sich ein Wintersportthema an. Der Bau eines Schlittens stellt für die Schüler eine gute Kombination aus eigenen Interessen, handwerklichem Arbeiten und wissenschaftlicher Fragestellung dar. Im Verlauf des Projekts zeigten sich immer wieder Probleme, die mit der begrenzten Zeit und den begrenzten Mittel der Schule nur schwer zu lösen waren. Auch die Zusammenarbeit mit dem Partnerunternehmen war in der ländlichen Gegend recht aufwändig und im Nachhinein stellte sich heraus, dass möglicherweise andere Betriebe für eine Zusammenarbeit geeigneter gewesen wären, was aber anfangs nicht vorauszusehen war. Der erste Prototyp des Schlittens zerbrach bei den ersten Fahrten noch bevor Messungen gemacht werden konnten. Die subjektiv gemachten Ergebnisse flossen beim Bau eines zweiten Prototyps. Die Messung der Kräfte gestaltete sich dann aber deutlich schwieriger als erwartet und brachten keine harten Fakten. 3. Projektdokumentation 3.1. Zielstellung Das Ziel war, einen Schlitten zu konstruieren und zu bauen, der durch geeignete Wahl einer Federung den Fahrkomfort beim Rodeln erhöht. Zudem sollten die auftretenden Kräfte beim ungefederten Schlitten und dem gefederten Schlitten gemessen und ausgewertet werden. Diese Ziele wurden nicht vollständig erreicht, insbesondere die Kraftmessung beim Fahren mit dem Schlitten konnten mit den vorhandenen Geräten nicht zufrieden stellend erreicht werden.

3 3.2. Beschreibung der Projektarbeit Nach Festlegung des Projekts wurden in einer ersten Runde verschiedene Möglichkeiten der Dämpfung überlegt und skizziert. Prinzipiell boten sich zwei grundlegend verschiedene Konzepte an. a) Die Federung allein des Fahrers auf einem festen Schlittengestell z.b. durch eine elastische Sitzfläche. b) Der Einbau einer Federung, der die gesamte Sitzfläche inklusive Fahrer federt. Die Gruppe entschied sich für die zweite Idee, eher emotional als rational. Schnell stellte sich heraus, dass der komplette Neubau eines Schlittens die Gruppe überfordert hätte, insbesondere die Kufen eines Schlittens sind auch bei der beteiligten Firma nicht zu formen gewesen. Die Alternative, die dann umgesetzt wurde, war der Umbau eines bestehenden Schlittens in einen gefederten. Das nächste Problem stellte die Wahl des Federsystems dar. Die Gruppe entschied sich für den Einbau einer Feder und nach Vorbild einer Fahrradfederung. Alternativ gab es die Überlegung, eine Bürostuhlfederung zu nehmen. Die Befestigung dieser Feder war problematisch und wurde deshalb verworfen. In einer ersten Version des Schlittens wurden einfach die Stützen des Schlittens durch Radfedern ersetzt. Da jedoch die Federn nicht so starr wie das Holzgestell sind, kam es bereits bei den ersten Probefahrten zur Zerstörung des Schlittens. Dabei wurden die auftretenden Kräfte bei der Gruppe massiv unterschätzt (s. Bild). Zudem waren die gewählten Federn sehr hart, so dass der geringe Federweg keine spürbare Dämpfung bewirkte. Beim zweiten Modell wurden die Federn schräg eingebaut, um so einen größeren Federweg zu erreichen. Durch den vergrößerten Hebel sind die wirkenden Kräfte deutlich größer geworden. Die Materialien eines normalen Schlittens, so wie wir ihn verwendeten, sind diesen Belastungen nicht gewachsen und mussten teils deutlich verstärkt werden. Dennoch können mit dem Schlittentyp keine harten Abfahrten, geschweige denn Sprünge gemacht werden, für die der Schlitten ursprünglich konzipiert war. Um die Kräfte zwischen gefedertem und ungefedertem Schlitten vergleichen zu können, wurden die zwei Schlitten über eine ebene Schneefläche mit einem Absatz gezogen. Am Schlitten wurde ein Beschleunigungssensor angebracht. Die Messungen zeigen nicht so deutlich, dass die Federung des Schlittens etwas bringt. Subjektiv spürten die Testfahrer die Federung sehr deutlich. Vermutlich sind die Messintervalle des Sensors zu groß, um die Beschleunigungsspitzen sicher festzustellen Aufgabenverteilung/Kommunikation Die Gruppe hat sich etwa vierzehntägig nachmittags getroffen. Intern hat die Gruppe alle Aufgaben gemeinsam versucht zu lösen. Dabei gab es teils einigen Leerlauf, da insgesamt nicht genug Material zur Verfügung stand, beispielsweise zwei Modelle alternativ zu erarbeiten. An zwei Nachmittagen fuhr die Gruppe zu der Firma. Nur die Ausarbeitung der Materialien wurde in nur von einigen der Gruppe erarbeitet

4 4. Zusammenarbeit mit dem Partner-Unternehmen / Praxisbezug Die Partnerfirma ist ein Feinmechanikbetrieb und hat neben der Fertigung von Feinmechanikteilen noch einen Schwerpunkt beim Werkzeug- und Formenbau. Dadurch, dass es ein metallverarbeitender Betrieb ist, wurde davon ausgegangen, dass möglicherweise auch der gesamte Schlitten aus Metall hergestellt werden kann. Aber wie bereits geschrieben, konnte auch sie nicht zwei identische gebogene Kufen herstellen. Die Firma unterstütze die Gruppe insbesondere beim Zusammenbau, da sie viele der notwendigen Materialien vor Ort hat. An einem Nachmittag fand auch eine Betriebsbesichtigung statt. 5. Sonstiges: Anlagen, Protokolle, Arbeitsblätter, andere Unterlagen Mit einem an den Schlitten geklebten Sensor wurden auf ebener Strecke die Beschleunigungen gemessen (s. Bild) Anlage: - Überlegungen zu Kräften am Schlitten. - Messprotokoll 6. Datum und Unterschrift Schönau a. Königssee, den Manuel Hubmann; Florian Cramme; Florian Wolf; Lena Maltan, Kilian v. Schleinitz, Max Haslinger. Für die sachliche Richtigkeit: Unterschrift des Lehrers Bernd Schwitzgebel

5 Wirkende Kräfte, die zur Zerstörung des 1. Schlitten führten: a) Bei der Kurvenfahrt wirkt auf den Fahrer eine Radialkraft F z. Die wird an der Sitzfläche auf den Schlitten übertragen, der eine entsprechende Gegenkraft aufbringen muss. Letztlich müssen die Kufen die Gegenkraft aufbringen. Da die Kufen fest sind, wirken auf die Stützen des Schlittens starke Querkräfte. Diese Querkräfte bewirkten neben Problemen bei der Federbefestigung, dass die Federn seitlich umkippten. Das Problem stellte sich leider in ähnlicher Weise auch am zweiten Schlitten. Weitere Kräfte: b1) Beim ersten Schlitten: Nur die Gewichtkraft wirkt. Da der Fahrer in etwa auf Höhe der Feder sitzt und der Drehpunkt weit vorne liegt ist die auf die Federung wirkende Kraft gleich der Gewichtskraft. Dies reicht bei einer Fahrradfederung nicht aus, eine wesentliche Federung auszulösen Feder b2) Bei der zweiten Federung erhöht sich deutlich die auf die Feder wirkende Kraft und damit auch der Federweg. Der Drehpunkt bleibt gleich, aber die Feder liegt näher am Drehpunkt. F g : F feder = L 1 : L 2 In Abhängigkeit vom Winkel verändert sich zusätzlich die L2 wirkende Kraft. Zusätzlich wirkt eine senkrechte Kraft, L1 die über den Rahmen ausgeglichen werden muss. Feder

6 c) Abschätzung der Kräfte und der Dämpfung: Probleme bei der Abschätzung: - Ein Schlitten fährt nicht waagrecht und kommt insbesondere bei Sprüngen nicht waagrecht auf. - Die bei Sprüngen wirkende Kraft (Bremskraft) wird nicht auf einer bestimmten Strecke bis in den Stand abgebremst, sondern in einem fahrenden System. Unter der Annahme und Annäherungen, dass bei einem normalen Schlitten bei welliger Fahrt, bzw. kleinen Sprüngen eine Fahrermasse von 50kg vorliegt. Das Bezugssystem Schlitten bewegt sich gleichförmig und es wird senkrecht dazu eine Geschwindigkeit von 1m/s (Fall aus 5cm Höhe) auf einer Wegstrecke von 1cm total abgebremst. Dann wirkt mit a = - v 2 / 2s = - 50m/s eine Kraft von 5000N (= 5G). Wenn sich der Weg bei der Federung auf 3cm vergrößert: L1:L2 = 1 : 3 und die Feder drückt sich um 1cm ein, dann reduziert sich die Kraft auf etwa ein Drittel. (Auch hier werden einige Vereinfachungen gemacht) zwei Messprotokolle mit (links) und ohne (rechts) Federung mit zwei verschiedenen Fahrern Auffällig ist, dass nicht unbedingt die Belastungsspitzen bei der Schanze so unterschiedlich sind (Trägheit der Messung?), sondern dass unterwegs die auftretenden Beschleunigungen kleiner sind. (Mit Federung bis 7m/s 2 und ohne Federung bis 20m/s 2 ).