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Radantrieb Theorie

Allgemeines zum Radantrieb

Der Antrieb der Räder lässt viele Möglichkeiten zu.

Die größte Problematik ist die relativ geringe Drehzahl und das dadurch entstehende hohe Drehmoment.

Es muss auch die Geräuschentwicklung und das Gewicht besonders beachtet werden.

 

Bei der Wahl der Radmotoren gibt es eigentlich 3 Möglichkeiten, den klassischen DC-Motor, den BLDC-Motor (Brusshless Motor) und den Stepper-Motor. Für den Antrieb auf ebenen Gelände wird bei ca. 10 kg Gewicht eine Motorleistung von durchschnittlich 10W pro Rad benötigt.

Den BLDC Motoren ist eindeutig der Vorzug zu geben.

 

In kommerziellen Rasenrobotern kommen meines Wissens immer Planetengetriebe zum Einsatz. Hier hängt viel von der Qualität ab.

Ich glaube fast jeder Rasenroboter Besitzer hat schon irgendwann die Radmotoren mit Getriebe getauscht (keine billige Angelegenheit).

 

Nachdem ich auf der Suche nach dem idealen Getriebe noch nicht fündig geworden bin, kann ich leider keine eindeutige Empfehlung abgeben.

Der Radmotor

Bei der Wahl des Radmotors gibt es 3 denkbare Möglichkeiten.

 

Der Motor sollte bei möglichst geringem Gewicht die notwendige Standardantriebsleistung erbringen und für Sonderfälle etwas Reserve haben.

Eine gute Steuerbarkeit der Drehzahl und ein gutes Drehmomentverhalten über den gesamten Drehzahlbereich ist notwendig.

 

Die Anforderungen:

 

  • passende Nennleistung mit Kraftreserve (ca. 10W bei 10kg Gewicht)
  • hohes gleichmässiges Drehmoment
  • passende Nenndrehzahl (je geringer desto besser)
  • gute Drehzahlregelung
  • guter Wirkungsgrad
  • geringes Gewicht
  • verschleißarm
  • billig

 

Diese Anforderungen werden vom BLDC Motor fast alle erfüllt. Einzig der Preis und der technische Aufwand für den Brushless Controller sind höher.

 

DC Motor

 

Der klassische Gleichstrommotor ist die günstigste Variante und deshalb oft bevorzugt.

Er ist auch leicht ansteuerbar und regelbar. Die Regelung der Drehzahl erfolgt durch PWM (Pulsweitenmodulation).

Er hat den Nachteil des hohen Verschleisses durch Verbrauch der Schleifkohlen.

Ein größerer Nachteil ist das geringe Anfahrdrehmoment und die schlechtere Regelbarkeit im unteren Drehzahlbereich.

 

BLDC (Brushless DC) Motor

 

Der bürstenlose Motor ist teurer und wird wegen der komplizierteren Technik nicht so oft eingesetzt.

Er braucht einen eigenen Brushless Regler der ein Drehfeld für den Motor erzeugt.

Um eine gute Regelung im untersten Drehzahlbereich zu ermöglichen muss der Motor mit Hall Sensoren ausgestattet sein.

Der Controller muss die Hallsensoren verwenden können.

Die üblichen Modellbaumotoren und Controller sind normalerweise nicht geeignet.

Der Motor hat einen sehr hohen Wirkungsgrad.

Er ist abgesehen von den Lagern verschleißfrei.

 

Stepper Motor (Schritt Motor)

 

Der Stepper Motor ist ebenfalls teurer und kompliziert ansteuerbar.

Den Vorteil von schrittweiser Positionierung kann im Rasenroboter nicht genutzt werden.

Er hat den Nachteil von hohem Strombedarf und mit der Drehzahl sinkendem Drehmoment.

Einzig bei ganz langsamer Fahrt hat er einen Vorteil.

Durch die geringe Drehzahl kann man zwar eine geringe Getriebeübersetzung verwenden, dafür ist aber das notwendige Drehmoment sehr hoch. Das Betriebsgeräusch ist meist auch laut und unangenehm.

Deshalb ist dieser Motor nicht die beste Wahl.

 

Empfehlung

 

Der BLDC Motor ist hier erste Wahl!

Die technische Seite ist gelöst und problemlos, einzig der höhere Preis ist nachteilig.

 

 

 

Das Getriebe

Eines der grössten Probleme beim Rasenroboter ist das Getriebe.

 

Es muss viele Anforderungen erfüllen.

 

  • hohes Drehmoment (ca. 4-5 Nm bei 10-12 kg Gewicht)
  • leise
  • verschleissarm
  • geringes Gewicht
  • kleine Baugröße
  • billig

 

All diese Anforderungen lassen sich eigentlich nicht auf einen gemeinsamen Nenner bringen.

 

Die meisten kommerziellen Mäher verwenden Planetengetriebe, da diese einen guten Kompromiss bieten.

 

Planetengetriebe

 

Das Planetengetriebe hat die kleinste Baugröße.

Der Wirkungsgrad ist sehr gut.

Dadurch ist der Verschleiß leider höher. Das Betriebsgeräusch ist eher laut und unangenehm (ein Ton wie beim Akkuschrauber). Mit zunehmenden Verschleiß nimmt auch das Geräusch zu.

Es sind durch Hintereinanderreihen von mehreren Stufen hohe Übersetzungsverhältnisse möglich.

Durch die aufwendige Konstruktion ist es auch sehr teuer.

 

Stirnradgetriebe

 

Das Stirnradgetriebe ist einfach aufgebaut. Dadurch ergibt sich eine größere Baugröße und ein höheres Gewicht.

Der Wirkungsgrad ist gut. Das Geräusch ist von der Qualität und Beschaffenheit der Zahnräder abhängig (Kunststoff, Schrägverzahnung usw.)

Das Übersetzungsverhältnis pro Stufe ist nicht sehr hoch.

Die Haltbarkeit ist sehr gut.

Durch die einfachere Herstellung ist es die günstigste Variante.

 

Schneckengetriebe

 

Das Schneckengetriebe ist aufgrund des Aufbaus schwer und groß.

Für eine hohe Übersetzung müsste das Schneckenrad einen großen Durchmesser haben.

Durch die Reibungsverluste zwischen Schnecke und Schneckenrad ist der Wirkungsgrad eher schlecht.

Dafür ist es sehr leise und haltbar.

Der Preis liegt im Mittelfeld.

 

Ketten und Zahnriemen

 

Kette und Zahnriemen sind für den Aufbau eines ganzen Getriebes nicht gut geeignet.

Es wird viel Platz benötigt. Spannmöglichkeiten müssen vorgesehen werden.

Für höhere Übersetzungen müssen mehrere Stufen gebaut werden.

Der Gesamtwirkungsgrad ist eher schlecht.

Die Kosten der Einzelteile summieren sich erheblich.

Hoher Pflegeaufwand ist notwendig da kein geschlossenes System.

 

Empfehlung

 

Leider gibt es kein ideales Getriebe das man empfehlen kann.

Man kann nur versuchen das Passendste für den eigenen Anwendungsfall zu finden.

Die beste Form dürfte ein überdimensioniertes Planetengetriebe sein, allerdings sind die Kosten dadurch sehr hoch.

Wegen der Kosten verwende ich ein Stirnradgetriebe und nehme das Gewicht und die Größe in Kauf.

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