Gymnasium Nidda, Naturwissenschaftlicher Kurs Herr Thums. Eggrace. Das Mausefallen-Trike. Robin Schorer und Pascal Schweitzer

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1 Gymnasium Nidda, Naturwissenschaftlicher Kurs Herr Thums Eggrace Das Mausefallen-Trike Robin Schorer und Pascal 10

2 Inhalt Die Aufgabenstellung... 3 Wettbewerb:... 3 Regeln:... 3 Die Grundidee des Trikes... 4 Der Einbau unterschiedlicher Räder... 5 Die Idee vom Getriebe... 6 Der Zugbügel der Mausefalle... 7 Der Transport des Eies... 7 Der Einbau der Langspielplatten

3 Die Aufgabenstellung Baue ein Fahrzeug, das seine Antriebsenergie nur aus einer Gespannten Feder einer handelsüblichen Mausefalle (eine Schlagbügelfalle mit Holzboden keine Rattenfalle) bezieht und damit ein rohes Ei möglichst weit transportieren kann. Verfasse eine schriftliche Dokumentation deiner Ideen und Gedanken zur Konstruktion des Fahrzeuges. Wettbewerb: Es findet am Ende des Egg-Races ein Wettbewerb statt, bei dem die Fahrzeuge vorgestellt werden und im Fahrwettkampf um die längste zurückgelegte Strecke mit unbeschädigtem Ei gegeneinander antreten. Regeln: Die Mausefalle darf nicht verändert werden und muss auf dem Fahrzeug angebracht sein. Für den Bau des Fahrzeuges gibt es keine weiteren Materialbeschränkungen. Das Fahrzeug muss selbst gebaut werden, ebenso muss die Dokumentation selbst verfasst werden. Das Fahrzeug muss ein am Wettbewerbstag zur Verfügung gestelltes Ei transportieren können, so dass das Ei nicht kaputt geht. Das Ei muss sich also schnell am Fahrzeug befestigen lassen und darf nicht vorher schon eingebaut sein. 3

4 Die Grundidee des Trikes Bei unseren Überlegungen stießen wir immer wieder auf das Problem eines ungenügenden Wirkungsgrades bei der Nutzung der in der Mausefalle gespeicherten kinetischen Energie. Beispielsweise wäre ein Antrieb durch ein Schaufelrad, welches von der Mausefalle angestoßen wird, extrem ungeeignet, da das Rad nur einen sehr kurzen Kontakt mit dem Bügel der Falle hätte. Es ginge also der Großteil der Energie verloren. Auf Grundlage dieser Überlegungen kamen wir zu dem Schluss, dass eine direkte und konstante Übertragung der Kraft auf die Räder, bzw. zuerst auf die Achse, um einiges effizienter sein kann, als eine alternative Lösung mit angestoßenen Zahn- oder Schaufelrädern. Daher sah unser erstes Modell wie folgt aus: Die Mausefalle, eingebaut ungefähr in die Mitte des Gefährts, war mit einer stabilen Drachenschnur verbunden, deren anderes Ende direkt um die Achse gewickelt war, und so die kinetische Energie der Mausefalle auf die Räder übertrug. Als Bauart des Fahrzeuges wählten wir kein herkömmliches Auto mit vier, sondern entschieden uns stattdessen für drei Räder, ein Trike. Auf diese Weise beabsichtigten wir den Effekt der Rollreibung zu reduzieren. Diese Konstruktion fertigten wir der Einfachheit wegen aus komplett aus dem Schnellbausystem Lego. So konnten wir ebenfalls das Gewicht des Gefährts und somit wiederrum die Reibung mit dem Boden im Vergleich zu beispielsweise einem Modell aus Holz oder Metall effektiv herabsetzten. Mit diesem Konstrukt erzielten wir eine tatsächliche Fahrtweite von gut 3 bis 4 Metern. Dies war zum damaligen Zeitpunkt ein erstes, recht gutes Ergebnis, welches jedoch in jedem Fall noch verbesserungswürdig war. Abbildung 1: Erstes Modell mit direkter Übertragung der Kraft auf die Achse 4

5 Der Einbau unterschiedlicher Räder Zu Beginn des Projektes setzen wir relativ große Legorader mit fast profiloser Gummibereifung ein. Ihr Radius betrug gut 3,5 Zentimeter. Jedoch mussten wir feststellen, das auf diese Weise zwar die Beschleunigung und teils auch die Höchstgeschwindigkeit erhöht wurde, nicht jedoch die gesamte Fahrtstrecke. Wir kamen also zu dem Schluss, dass man zumindest bei den Antriebsreifen auf größere Reifen setzen müsste, um die mit einer Umdrehung zurückgelegte Weite (welche sich aus dem Umfang ergibt) zu erhöhen. Aus diesem Grund testeten wir verschiedene Reifen und Rad-Arten. Die Weite bei einer Achsenumdrehung lag mit den Legoreifen bei annähernd 22 cm (2 * r * ππ = UU = 21,99 cccc). Als nächstes verwendeten wir handelsübliche CD-Rs anstelle der drei Reifen und konnten so die Strecke erheblich verbessern. Auch die Geschwindigkeit wurde nur merklich geringer, da sich natürlich das Drehmoment erhöhte (M = r * F). Die Weite mit einer Umdrehung lag bei 12 cm * ππ = 37,7 cm. Abbildung 2: Trike mit Legoreifen und einer ersten Form des Getriebes Schlussendlich war dieses Ergebnis jedoch noch immer nicht das Maximum. Folglich musste das Ultimum an möglicher Radgröße und somit die größtmögliche Strecke pro Umdrehung gefunden werden. Auf Basis dieser Überlegungen kamen wir zu der Idee die beiden hinteren Räder gegen Langspielplatten (auch LPs, Schallplatten) auszutauschen. Diese Platten besitzen einen Durchmesser von 30 cm und somit einen Umfang von 94,25 cm, annähernd das 2,5fache der CDs und das 4,3fache der zuerst verwendeten Legoreifen. Für den Einbau der beiden Radformen (CDs und LPs) musste das Fahrzeug in seiner Gesamtlänge um gut 20 cm wachsen, da der Umfang der Räder eine kürzere Bauform nicht zuließ. 5

6 Die Idee vom Getriebe Um diese Fahrtweite noch zu vergrößern, entschieden wir uns für den Einbau eines einfachen Getriebes. Mittels zweier Zahnräder mit den Durchmessern von D Zahnrad groß = 4,1 cm und D Zahnrad klein = 1,2 cm, welche wiederrum auf zwei Achsen befestigt waren, ließ sich die gefahrene Strecke erheblich verbessern. Die Zugschnur war nun selbstverständlich an der zweiten Achse, der des größeren Zahnrades, befestigt. Ferner verwendeten wir zuerst nur die CD-Rs als Antriebs-Räder, da die Kraft der Mausefalle, Abbildung 3: Getriebe mit kl. und gr. Zahnrad und verbreiterter Achse aufgrund des hohen Drehmomentes, nicht ausreichte um die LP-Räder in zufriedenstellende Geschwindigkeit zu versetzen. Wir errechneten, dass, bei einer Umdrehung der Achse mit dem größeren der beiden Zahnräder (Umfang = 12,88 cm), das kleine Zahnrad (Umfang = 3,77 cm), und schließlich auch die Hinterräder, sich gut 3,4mal drehen. Sie legen dabei im Idealfall eine Strecke von 1,28 m (bei den CD-Rädern). Mit den Langspielplatten als Antriebsräder liegt die Weite bei einer Umdrehung des großen Zahnrades im Bereich von 3, 20 m! Als wir dieses Ergebnis berechnet hatten, war klar, dass wir eine Möglichkeit finden mussten, die Langspielplatten mit dem Getriebe in Verbindung zu betreiben. Mehr Dazu an späterer Stelle. 6

7 Der Zugbügel der Mausefalle Mit Zugbügel meinen wir an diesem Punkt den Bügel, welcher die Kraft der in der Mausefalle eingebauten Feder freisetzt und überträgt, in unserem Fall an die Achse des Getriebes. Beim Entspannen der Falle schnellt der Bügel zurück in die Ausgangsposition und zieht an der Drachenschnur, welche sich von der vorderen Achse abwickelt und diese in Bewegung versetzt. Dieser Bügel beschreibt in seiner Bewegung einen Halbkreis mit dem Radius von fast exakt 4,5 cm. Auf diese Weise ist die Mausefalle allerdings lediglich zu einem sehr kurzen Einfluss auf die Achse fähig, da nur gut 9-10 cm abgewickelt werden. Nach dem Abwickeln ist das Gefährt auf die aufgebaute Geschwindigkeit angewiesen, um weitere Meter zurücklegen zu können. Diese Lä nge der Schnur bedeutet bei einem Durchmesser der Achse von 5 mm und einem daraus berechneten Umfang von 1,57 cm nur lediglich eine Zahl von ca. 6 vollen Umdrehungen der Getriebeachse. Dies würde bei der Verwendung der CDs eine beschleunigte Strecke von 6 * 3,4 * 37,7 cm = 7,6908 m bedeuten (LPs: 19,22 m). Wir gelangten zu der Auffassung, dass man diese Weite mit einem verlängerten Bügel erheblich ausbauen könnte. Nach der Modifikation war unser Bügel, welchen wir mit Legotechnikbausteinen erweiterten, gut 21 cm lang, welches eine Länge der abgewickelten Schnur von fast 42 cm erwirkte. Dies Abbildung 4: Vorderrad mit Mausefalle und Zugbügel bedeutete 26 volle Umdrehungen der primären Achse und 88 Umdrehungen der sekundären Achse. Der Transport des Eies Den bei dieser Aufgabenstellung leider etwas in den Hintergrund gerückten sicheren Transport des rohen Eies regelten wir recht einfach. Mittels einiger Lagen Küchenpapier bauten wir eine Art Hängematte zwischen die seitlichen Längsstreben des Fahrzeuges. In dieser Position war das Ei außerhalb des Einflussbereiches des langen Zugbügels und sicher vor jeglichen Formen von Stößen während der Fahrt. Abbildung 5: Hängematte für den Transport des Eies 7

8 Der Einbau der Langspielplatten Diese Umsetzung der Kraft ließ sich in der Praxis bedauerlicherweise nicht realisieren, da die Länge des Zugbügels seine Zugkraft stark verminderte. Selbst die CDs bewegten sich nur extrem langsam und blieben teils einfach stehen. Mit den LPs war eine Bewegung jedweder Form nicht zu erreichen. Wir sahen uns gezwungen diverse Abstriche zu machen. Um das Drehmoment zu verringern beschlossen wir die primäre Achse, um welche die Drachenschnur gewickelt war, zu verbreitern. Zu diesem Zweck wurden spezielle runde Legosteine auf die Achse aufgesteckt. Sie erhöhten den Durchmesser auf 1,5 cm. Ein willkommener Nebeneffekt dabei war die nun sehr einfache Befestigungsmöglichkeit der Schnur an der Achse: Sie konnte einfach zwischen zwei Steine geklemmt werden. Aber auch für Fahrtweite hatte diese minimale Änderung weitreichende Folgen: Aufgrund des kleineren Drehmomentes waren wir nun imstande die Langspielplatten anstatt der CDs als Hinterräder zu verwenden. Während dem Abwickeln der 42 cm Schnur drehte sich die Primärachse nun fast 9mal, die Sekundärachse gut 30mal und die Räder legten insgesamt eine Strecke von 28,5 m zurück. Dieses Ergebnis war nach unserer Meinung das Maximum an Weite, die sich in der Energie einer einfachen Mausefallenfeder versteckte, und nicht viel weiter ausbaufähig. Denkbar wäre nur eine andere Art der Übersetzung, jedoch erschien uns dies wenig nutzbringend. Wir hatten unser Ziel erreicht: Abbildung 6: Fertiges Modell mit LPs, Zugbügel und Getriebe 8