E-Skateboard Werkstättenprojekt 2012/2013 4CHELI. Mayr Jenny Berger Melanie

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1 Werkstättenprojekt 2012/2013 4CHELI Mayr Jenny Berger Melanie

2 Team Berger Melanie Mayr Jenny Berger, Mayr 4CHELI 2012/2013 Seite: 1/17

3 Inhaltsverzeichnis 1. Vorwort 3 2. Allgemein Aufgabenstellung (Pflichtenblatt) 4 3. Technischer Teil Projektbeschreibung Funktionsbeschreibung Realisierte Lösung Schaltung und Verkabelung Schaltplan Bestückungsplan/Boardplan Verkabelung der Akkus und des Motors Antrieb Halterung und Mantel Grundplatte Mantel Poti Bedienungsanleitung Verbesserungsvorschläge persönliche Erfahrung/eigene Meinung Links 17 Berger, Mayr 4CHELI 2012/2013 Seite: 2/17

4 1. Vorwort Im Rahmen des Projektunterrichtes, Werkstättenlabor, beschäftigten wir uns mit der Realisierung eines s. Wir haben mit dieser Arbeit zu Schulbeginn angefangen und investierten pro Woche 4 Unterrichtseinhaben, die jeweils am Donnerstagnachmittag stattfanden. Elektronik- als auch Mechanikkentnisse waren gefragt, um dieses Vorhaben zu verwirklichen. Vorweg möchten wir uns recht herzlich bei der Firma BEHAM Techn. Handels GmbH für die Bereitstellung der Bauteile (Zahnräder, Kugellager, etc.) bedanken ( Die weiterführenden Seiten bieten Einblicke in unser Vorhaben, Zeitmanagement, Realisierung und Endergebnis. Berger, Mayr 4CHELI 2012/2013 Seite: 3/17

5 2. Allgemein 2.1 Aufgabenstellung (Pflichtenblatt) Zu Beginn des Schuljahres 2012/13 mussten wir schon sehr genau wissen, wie wir unser Vorhaben umsetzen wollen. Dazu wurde eine Vorstellung eingereicht, die hier nochmals zu lesen ist. Projektbezeichnung: Ziel: Ein traditionelles Skateboard mit einem Elektromotor zu betreiben. Ausführung: Das Skateboard wird über die Hinterachse, einseitig mit einem Motor betrieben. Dabei wird der Motor, als auch die dazu notwendigen Akkus am Board/Brett befestigt. Komponenten: 2x Achse, 4xWheels( 70-85mm, abhängig von der Variante des Antriebs), Deck, 8x Bearings + Distanzhülsen, Motor, Akkus, Zahnriemen ( od. Zahnräder), evtl. Getriebe + Lagerböcke, Gehäuse, Schrauben+ Muttern, Taster zum Gas geben Motor: 24V E-Motor Akkus: 2x 12V, je 4,5 Ah Gehäuse: Gehäuse aus Aluminium zum Abdecken der Akkus bzw. des Motors (wenn möglich) Lenkmöglichkeit: 1.) Lenkmöglichkeit mit Vorder- und Hinterachse 2.) Lenkmöglichkeit nur mit Vorderachse Dies ist abhängig von der realisierbaren Position des Motors. Nach langer Überlegung haben wir uns für eine Realisierung dieses Projektes entschieden. Unser Ziel ist es, ein Skateboard mit einem Elektromotor zu betreiben. Berger, Mayr 4CHELI 2012/2013 Seite: 4/17

6 3. Technischer Teil 3.1 Projektbeschreibung Wir werden dazu einen 24V Motor benützen der mit 2x12V Akkus betrieben wird. Um das Skateboard in Betrieb nehmen zu können stehen uns mehrere Möglichkeiten für die Bauweise zur Verfügung, die im Weiteren angeführt werden: 1. Der Motor wird zwischen Vorder- und Hinterachse befestigt und er wird mit einem Keilriemen ein Hinterrad antreiben. Die Akkus werden ebenfalls zwischen den Achsen angebracht. Bei dieser Möglichkeit ist das Board nur beschränkt lenkfähig, da die Hinterachse starr sein muss und dadurch die Lenkung nur über die Vorderachse erfolgen kann. 2. Hierbei wird der Motor direkt am beweglichen Teil der Achse befestigt und das Board wird über ein Zahnrad, das am Hinterrad befestigt wird, betrieben. Hierbei muss besonders auf die Größe der Räder bzw. auf die Höhe der Achse geachtet werden, da sonst der Motor auf der Straße schleifen wird, bzw. die Räder nicht den Boden berühren werden. Das Positive an dieser Variante wäre, dass das Skateboard über Vorder- und Hinterachse lenkbar wäre, also keine Einschränkung erfolgen würde. 3. Die letzte Möglichkeit wäre, die Hinterachse komplett durch ein Getriebe zu ersetzen. Hierbei wäre die Lenkfähigkeit ebenso beeinträchtigt. Welche Variante wir nehmen werden, wird sich im Laufe der Arbeit herausstellen. Ebenso werden wir den Motor über einen Taster manuell betreiben, der entweder in der Hand gehalten wird oder (wenn es möglich ist) direkt am Brett befestigt wird und mit dem Fuß zu betätigen ist. Anschließend möchten wir den Motor und/oder die Akkus durch ein Gehäuse schützen Funktionsbeschreibung Der Betrieb erfolgt über die Steuerplatine die mit 12 V versorgt wird. Mit den, außen am Mantelblech angebrachten Schaltern, ist es möglich den Fahrbetrieb einzustellen. Bei der Mittelstellung sind die Akkus von der Platine und auch von den Buchsen getrennt (AUS- Stellung. Eine weitere Schalterstellung ermöglicht ein Aufladen der Akkus über Buchsen mittels Bananenstecker und ein Netzgerät, das mindestens 12V liefert. Es sind 4 Buchsen angebracht jeweils eine Rote (+) und eine Schwarze (-) (pro Akku). Die Geschwindigkeit ist mit dem Drehknopf (Potentiometer), der vom Fahrer in den Händen gehalten wird, zu regeln indem man den Schalter ein weiteres mal betätigt. 3.2 Realisierte Lösung Zur Verfügung standen uns zwei 12V Lithium-Ionen Akkus und ein 24 V Elektromotor. Alle benötigten Komponenten wurden aufgrund ergonomischer Gesichtspunkte unten am Deck (Holzbrett des Skateboards) befestigt. An dieser Stelle ist es natürlich auch wichtig die Bauteile zu schützen. Somit fertigten wir eine Grundplatte an, die sich zwischen den beiden Achsen befindet und auch mit diesen verschraubt wurden, damit dies wirklich stabil ist, um auch den Motor fixieren zu können und ihn vor jeglichen Verschiebungen zu schützen. Berger, Mayr 4CHELI 2012/2013 Seite: 5/17

7 (Abb.6, Grundplatte mit Motor ) Wie in diesem Bild (Abb.6) zu sehen ist, wurde auch gleich mit der Grundplatte der Motor mit fixiert. (Abb.7, Fixierung des Motors) Der Motor wurde an der Vorderachse (bestimmt durch die Fahrtrichtung) befestigt und über einen Zahnriemen mit dem Rad, an dem ein geeignetes Zahnrad angebracht wurde, verbunden. Auf diese Weise wird das Skateboard in Bewegung gesetzt. Für die tatsächliche Verwendung des Motors und der Zahnräder sowie des Rades mussten einige Änderungen vorgenommen werden die unter dem Punkt Antrieb näher erklärt wurden. Da es unvorteilhaft ist, den Motor konstant mit 24 V zu betreiben und einfach einen EIN-AUS Schalter einzubauen, überlegten wir uns folgendes: Wir fertigten eine Platine an, die uns ein PWM- Signal zur Geschwindigkeitsregelung erzeugt. Diese entstehenden Pulsweiten der PWM können mit einem Potentiometer vom Fahrer individuell reguliert werden, indem er während der Fahrt einen Drehknopf (Potentiometer)in den Händen hält. Außerdem ist dieser mit der Platine über ein geschirmtes, flexibles Kabel verbunden. Mit diesem Signal wird der Motor angesteuert und anschließend die Kraft mit einem Zahnriemen über die gewählten Zahnräder auf ein Rad übertragen. Da der verwendete Timer 555, für die Erzeugung der Pulsweiten laut Datenblatt nur 15V aushält, schlossen wir die Akkus in Serie. Somit hatten wir die Möglichkeit die kompletten 24V für den Motor zu verwenden, damit wir die Leistung nicht einschränken. Aber wir konnten auch 12V ausschließlich für den Timer gewinnen. Berger, Mayr 4CHELI 2012/2013 Seite: 6/17

8 Somit wir der Motor mit den zugelassenen 24V betrieben der mit einem PWM Signal angesteuert wird. Zum Schutz wurde ein Mantel angefertigt, der die Akkus und die Steuerplatine verdeckt. Dieser enthält zwei Schalter mit denen man jeweils einen Akku EIN-,AUS- oder auf Buchsen zum Aufladen schalten kann. Für den Betrieb müssen immer beide Schalter auf EIN geschalten sein. Die Buchsen wurden deshalb gewählt, da es vorteilhaft ist, die Akkus nach verbrauch der Kapazität nicht ausbauen zu müssen, sondern sie direkt im eingebauten Zustand laden zu können. Wir haben dazu 4 Buchsen angebracht, mit denen man die Akkus z.b. mit einem Netzgerät laden kann. Die Verkabelung der Akkus und der Schalter erfolgte ausschließlich mit 1,5mm ² Kabel in der Farbe rot für Plus und schwarz für Minus. Um die Komponenten wenn nötig einfach ausbauen zu können, löteten wir an alle Bauteile eine gewisse Länge der Kabel an und haben sie mit Wago-Federzug-Klemmen verbunden. Diese Klemmen ermöglichen einen sicheren Einsatz unter Vibrationsbedingungen, da sie nicht wie die Schraubklemmen gelockert werden Schaltung und Verkabelung Wir realisierten unser PWM Signal zur Motoransteuerung über einen Timer 555, dessen Signal anschließend über einen N-Kanal MOSFET verstärkt wird. Allgemeines zu PWM: Der Akku an X5 liefert die nötige Spannung von 12V für die Erzeugung des PWM Signals. Die Pulsweitenmodulation (PWM) erzeugt uns Impulse, deren Länge über das Potentiometer R4 geregelt werden können. Je länger der Impuls ist, je höher ist die Drehzahl des Motors und somit kann eine höhere Geschwindigkeit erreicht werden. Wenn der Impuls sehr klein ist, ist auch die Geschwindigkeit dementsprechend geringer. Ist kein Impuls vorhanden, hat das Potentiometer einen Anschlag erreicht und der Motor bewegt sich nicht (Abb.7). Wenn die Impulse konstant sind bzw. kein Impuls mehr erkennbar ist wie in Abb. 8, ist das Potentiometer auf maximal eingestellt und auch die maximale Geschwindigkeit wurde erreicht. (Abb.8, maximal erreichbare Geschwindigkeit) (Abb.9, kein Impuls, Motor aus) Berger, Mayr 4CHELI 2012/2013 Seite: 7/17

9 (Abb.10, mittlere Geschwindigkeit) Schaltplan (Abb.15, Schaltplan) Berger, Mayr 4CHELI 2012/2013 Seite: 8/17

10 Bestückungsplan/Boardplan (Abb.16, Bestückungsplan) (Abb.17, Boardplan) Berger, Mayr 4CHELI 2012/2013 Seite: 9/17

11 Verkabelung der Akkus und des Motors Hier ist ein Plan unserer Realisierung zu sehen, mit den beiden Schaltern (jeweils 2 polig mit Mittelstellung) und den Buchsen. (Abb.18, Plan mit Schaltern und Buchsen) Antrieb Wir haben den Antrieb über ein Rad gewählt. Dafür Befestigten wir den Motor an einer Grundplatte die wir aus 2mm Stahlblech anfertigten. Dazu haben wir eine Befestigungsplatte im rechten Winkel nach oben gebogen um den Motor an seinen Befestigungsmöglichkeiten anschrauben zu können. Die Grundplatte weist außerdem unter den Achsen längliche Löcher auf, um sie verschieben zu können damit der Zahnriemen gut gespannt werden kann. Außerdem mussten wir uns Gedanken über die Wahl der Zahnräder machen. Dazu war es wichtig die Umdrehungen des Motors zu wissen und eine realistische Geschwindigkeit auszuwählen, die wir mit dem Skateboard erreichen wollen/können. Dazu stellten wir folgende Rechnungen auf: Motor: 2900 U/min -> 48 U/sec Geschwindigkeit: 20km/h -> 5,5 m/sec Berger, Mayr 4CHELI 2012/2013 Seite: 10/17

12 Rad: d=69mm -> r=34,5 Umfang: 2*Pi*r = 216,77mm = 0,21677m Umdrehungen: 5,5m/0,21677 = 25,37 U/sec Es entsteht somit ein ungefähres Verhältnis von 1:2 zwischen Umdrehungen des Motors von 48U/sec zu jenen des Rades (25,37 U/sec). Nach diesem Verhältnis müssten auch die beiden Zahnräder dimensioniert werden. Wir entschieden uns für diese: (siehe jene, die rot eingerahmt wurden) (Abb.29, Ausgewählte Zahnriemenscheiben ) Das Zahnrad mit der Kennzeichnung 21 T5 10 war jenes, dass wir am Motor direkt anbrachten. Dazu war vorweg notwendig den Innendurchmesser auf 8mm zu erweitern, damit es auf die Antriebswelle des Motors steckbar ist. Wir bohrten mit einem 7,9mm Bohrer um einen kleinen Spielraum zu haben, damit dieses Zahnrad auch wirklich gut hält. Zusätzlich bohrten wir zwischen zwei Zähnen ein kleines Loch um es zur Sicherheit noch an der Antriebswelle anschrauben zu können. Dazu verwendeten wir einen 2,5mm Bohrer. (Siehe Abb.30) (Abb. 30, Zahnrad 21 T5 10 mit Befestigungsschrauben) Das zweite Zahnrad mit der Kennzeichnung 21 T5 22 wurde an der Achse angebracht. Dazu war es auch hier notwendig den Innendurchmesser zu verändern. Wichtig war, dass die beiden Zahnräder in einer Linie liegen, um den Zahnriemen gerade laufen zu lassen. Dazu mussten wir den Durchmesser auf jenen der Achse erweitern. Dazu drehten wir das Zahnrad auf der Seite der befindlichen Spur für den Riemen, innen auf einen Durchmesser von 22mm auf einer Länge von 15mm ab. Die darauf folgenden 5mm der Länge erhielten einen Innendruchmesser von 16mm. Dies sind jene Maße, die das Kugellager umfasst. Somit passt Berger, Mayr 4CHELI 2012/2013 Seite: 11/17

13 dieses exakt in das Zahnrad hinein. Der weiter übergebliebene Millimeter weist einen Innendurchmessern von 8mm auf, zum Innendurchmesser des Kugellager passend. (Siehe beigelegte Zeichnung) (Abb.31, Antriebsrad mit eingebautem Zahnrad) Die Antriebsachse wurde auch ein klein wenig verändert wie in Abb. 32 zu sehen ist. Da die Achse zur Mitte hin dicker wird, mussten hir auch etwas abschleifen werden, um einen Durchmesser unter 22mm haben. (Die Achse darf nicht dicker sein als der Innendurchmesser des großen Zahnrades) (Abb.32, Angepasste Achse) Außerdem ist sie eigentlich beweglich. Dies ist in unserem Fall unpraktisch, da wir den Motor auch mitbewegen müssten. Somit haben wir zwei Beilagscheiben mit dem Außendurchmesser von 24 mm dazwischengelegt um die Achse zu stabilisieren. (Siehe Abb. 33 und 34 ) (Abb.33, unbewegliche Achse) (Abb.34, Beilagscheiben) Der Zahnriemen mit der Länge von 200mm und der Teilung, jener der Zahnräder, wurde dann zwischen Motor (Zahnrad 21 T5 10) und Achse (Zahnrad 21 T5 22) gespannt. (Abb.35) Berger, Mayr 4CHELI 2012/2013 Seite: 12/17

14 (Abb.35, realisierter Antrieb) Halterung und Mantel Hier sind die Pläne unseres mechanischen Teils angeführt. Da wir ein verrutschen des Motors vermeiden wollen, haben wir uns eine Grundplatte überlegt, die ihn an der gewählten Position halten soll. Außerdem haben wir noch einen Mantel angefertigt um die restlichen Komponenten wie Akkus und Platine vor Steinschlägen oder ähnliches schützen. (Alle angeführten Pläne sind auf der Projekt CD unter dem Ordner CAD_Pläne maßstabsgetreu zu begutachten) Grundplatte Halterung für Motor, Akkus, Schaltung und Mantel. Es wurde dazu ein Stahlblech der Maße 540.5x81x2mm verwendet. Um diese Form zu erhalten wurde vor allem eine Schlagmaschine als auch eine Stanzmaschine benötigt. (Abb. 36, Plan der Grundplatte) (Abb. 37, Grundplatte an Board befästigt) Berger, Mayr 4CHELI 2012/2013 Seite: 13/17

15 Mantel Mit diesem Mantel werden die Akkus und die Platine verdeckt. Die Platine wurde direkt am Aluminium angeschraubt und die Akkus wurden mit den Befestigungsschrauben mit denen der Mantel an der Grundplatte angemacht wird, vom verrutschen geschützt. Hierzu wurde ein Aluminiumblech der Maße 318x129x2mm verwendet. Auch hier kam die Biegemaschine zum Einsatz um die gewünschte Form in Abb.39 zu erhalten. (Abb. 38, Plan des Mantels) (Abb. 39, angefertigter Mantel) Berger, Mayr 4CHELI 2012/2013 Seite: 14/17

16 Poti Dies zeigt unseren Verbau unseres Potentiometers zur Geschwindigkeitsregelung. (Aluminiumblech 105x105x2mm) (Abb.40, Plan des Potentiometergehäuse) (Abb.41, angefertigtes Gehäuse) 3.4 Bedienungsanleitung Die Nutzung eines s erfolgt ähnlich wie ein reguläres Skateboard. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die Geschwindigkeit nicht über Abstoßen mit einem Fuß am Boden erzeugt wird, sondern mittels einem Drehknopf, den man in den Händen hält, geregelt wird. Der Benutzer stellt sich außerdem auf die raue Oberfläche. Die Fahrtrichtung ist jene, an der der Motor angebracht ist. In Betrieb kann man das Gerät nehmen, indem man die Schalter, die außen am grünen Mantelblech angebracht sind, gleichzeitig in Richtung der Beschriftung EIN bewegt. (Siehe Abb.40) Die Geschwindigkeit kann dann mittels Drehknopf geregelt werden. Außerdem ist es möglich die Schalter in Richtung L zu bewegen. Dieses L steht für laden, denn mit dieser Schalterstellung ist es möglich auf die, auch auf dem Bild zu sehen, Buchsen umzuschalten, um die Akkus nach Entladung mittels einem Ladegerät für Lithium Ionen Akkus zu laden (Es besteht auch die Möglichkeit, die Akkus in einer KFZ- Werkstätte mit einem Universalladegerät für Säurebatterien laden zu lassen). ACHTUNG! Lithium- Ionen Akkus sind nicht mit herkömmlichen Ladegeräten oder Netzgeräten zu laden. Es besteht Brenn- und Explosionsgefahr! Der LINKE Schalter gehört zu den LINKEN Buchsen. Es ist wichtig genau zu überprüfen welchen Schalter man betätigt hat und welchen Akku man laden möchte dies genau zu überprüfen, bevor aufgeladen ist) Die Mittelstellung bedeutet AUS. Hiermit ist der Stromfluss der Akkus unterbrochen und das Gerät ausgeschaltet. Berger, Mayr 4CHELI 2012/2013 Seite: 15/17

17 Leute die keine Erfahrungen mit Skateboards oder ähnlichen Sportgeräten haben, sollten dieses Gerät nicht benutzen. (Abb.42, Schalterstellungen und Buchsen) 3.5 Verbesserungsvorschläge Da sich das Laden der Lithium- Akkus im herkömmlichen Hausgebrauch für sehr schwer erweist und auch gefährlich sein kann, besteht in näherer Zukunft die Option, das Skateboard mit zwei Bleiakkus, ebenfalls 12V zu betrieben. Die Akkus sind bereits bestellt worden aber aufgrund des Zeitmangels konnten sie nicht mehr eingebaut werden. Im Falle des Verwendens dieser Akkus wäre es mit Bananenkabeln und einem Netzgerät, das mindestens 12V liefert, über die Schalterstellungen L (Laden) möglich, sie wieder aufzuladen. 3.6 persönliche Erfahrung/eigene Meinung Durch die fachübergreifenden Arbeiten hatten wir die Möglichkeit unser theoretisches Wissen, das wir uns all die Jahre angeeignet haben, umzusetzen. Besonders die Realisierung der Schaltung war sehr aufwendig, schwierig und zum Teil auch kompliziert. Dadurch merkten wird schnell, dass ein angefertigter Zeitplan nur ein Richtwert ist, der sehr schnell keine wirkliche Bedeutung mehr findet. Wir arbeiteten im Großen und Ganzen sehr viel alleine. Dadurch konnten wir sehr viel ausprobieren und unsere praktische Erfahrung erweiterte sich mit jedem Arbeitstag. Berger, Mayr 4CHELI 2012/2013 Seite: 16/17

18 4. Links Abb.29; Ausgewählte Zahnriemenscheiben Abb. 1, erste betrachtete Schaltung Abb. 2, zweite betrachtete Schaltung Timer Berger, Mayr 4CHELI 2012/2013 Seite: 17/17