Antriebskonzept rollende Kugel

Dieses Thema im Forum "techn. Mechanik" wurde erstellt von Wheelzn, 13 Nov. 2017.

  1. Hallo zusammen!

    Aktuell beschäftige ich mich mit folgender Thematik:

    Eine Kunststoffkugel (Durchmesser 280mm) soll per Antriebseinheit, welche in der Kugel sitzt, angetrieben werden. Die Einheit besteht aus 2 Motoren die je eine Inliner-Rolle antreiben. Diese Rollen treiben die Kugel dann an und man hat ein schwingendes System. Dieses schwingende System wollte ich zunächst modellieren, um für die spätere Regelungstechnik bereits den Grundstein gelegt zu haben.

    Die Dynamik habe ich (soweit ich das beurteilen kann) ganz gut verstanden, jedoch hänge ich immernoch beim Aufstellen der beiden Differentialgleichungen.

    Mein Freischnitt (Die Antriebseinheit (oder "Body") als Punktmasse vereinfacht, das Antriebsmoment zunächst als Kraft F angenommen) habe ich angehängt. Die Schwingung des Bodys wird auch zunächst vernachlässigt. Das Modell soll zunächst den Zusammenhang zwischen Kugelbewegung und Body-Bewegung verständlicher machen

    Mit diesem Freischnitt habe ich meine Probleme. Ich kann mir nicht vorstellen, dass die Kraft F auf den Body im Berührpunkt übertragen wird, jedoch hat mich ein Kommilitone auf die Idee gebracht. Macht auch Sinn irgendwie, denn sonst würden nur Reibungskräfte übertragen und diese sind unabhängig von der Geschwindigkeit / Beschleunigung. Bei den Inliner-Rollen finde ich es verständlicher (Zahnrad-Prinzip).

    Ich freue mich auf eure Ideen und hoffe, einen Hinweis zu erhalten, wo ich hänge.

    Bei Bedarf kann ich meine bisherigen Lösungen sammeln und posten. Ich dachte nur, das würde dann schon in eine genaue Richtung gehen und würde die Diskussion gerne allgemein ansetzen.


    Vielen Dank im Voraus,

    Sandro
     

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  2. Was genau soll das werden? Kannst Du das mal genauer zeichnen?
    Wo wird die innere Antriebsrolle befestigt? Oder wird die nur durch ihre Eigenmasse stabilisiert?
     
  3. Berechtigte Frage :D Wahrscheinlich bin ich schon so im Thema, dass ich den Wald vor lauter Bäumen nicht mehr sehe..

    Also genau, das Antriebskonzept wird schlussendlich mit beiden Rollen aufliegen und sich dadurch selbst halten. Hierdurch wird die Konstruktion schwingen (zuerst vernachlässigt). Es wird nichts fix mit der Kugel verbunden o.ä., Schlupf ist also möglich. Morgen folgt ein detailreicherer Freischnitt..

    Daraus entsteht eine gekoppelte Bewegung von x1, x2, phi1, phi2. Diese Bewegungsgleichungen (x1(phi2) und phi2(x1, F)) möchte ich aufstellen. Das Ganze hat sehr viel Ähnlichkeit mit dem physikalischen Pendel, aber eben nur Ähnlichkeit.

    Von der Modellbildung erhoffe ich mir, zunächst die Parametereinflüsse genauer zu untersuchen und dadurch mit konstruktiven Maßnahmen die Schwingung des Gesamtsystems schon von vornherein zu minimieren.

    Ist das verständlicher?
     
  4. Verständlicher insofern, als sich meine Befürchtungen wohl zu bestätigen scheinen.
    Ich warte dann mal auf die Konstruktionszeichnung ...
     
  5. Nun ja, einfach wird es nicht. Wie sich das System verhält, wird sich erst nach Zusammenbau zeigen. Die Konstruktion wird so aufgebaut, dass der Schwerpunkt soweit wie möglich unterhalb der Radauflage liegt und es sich dadurch (im Stillstand) selbst stabilisiert. Hierfür gibt es genug Elektronik, welche neben den Motoren für Gewicht sorgt. Für einen runden Lauf ist die anschließende Regelungstechnik zuständig.

    Inwiefern das erwartete Ergebnis erreicht wird, ist unklar. Dafür ist es eben ein Erstkonzept.
     
  6. Ich habe mal eine grobe PowerPoint erstellt. Sehr vereinfacht aber ich hoffe es wird klar, was das Ziel ist.

    mfg Sandro
     

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  7. Ich finde das wirklich spannend!
    Vielleicht vernachlässigst Du mal zunächst die Reibungen, die ja bei Rollen und Kugeln fast zu vernachlässigen sind und denkst eher an das Trägheitsmoment der Kugel. Die Beschleunigung der Skaterollen wird ja nicht so sein, dass da gleich der Gummi brennt, oder? Vermutlich macht da der Antrieb vorher in der Kugel einen Purzelbaum - wobei wir dann auch schon am Grenzwert der Beschleunigung angekommen wären ...
     
  8. Das ist bei der gewählten Geometrie zwischen Antriebsrollen und Hohlkugel nicht angeraten,
    weil da eine Kegelmantelfläche abrollt.

    Damit der Apparatismus im Inneren der Hohlkugel nicht herumkullert
    und die Antriebsrollen dabei den Kontakt mit der Hohlkugel verlieren,
    sollte man zwei weitere federbelastete Rollen vorsehen.
    (Die vier Rollen sollen sinnvollerweise auf den Eckpunkten eines Tetraeders sitzen.)
     
  9. Unter Vernachlässigung der Reibungseffekte habe ich nicht angenommen, dass die Aufhebung jeglicher Traktion verstanden wird. Ich gehe einfach davon aus, dass zwischen Antriebsröllchen und Kugelinnenseite kein Schlupf vorliegt und die Kugel auf ihrer Außenseite nicht auf der Oberfläche rumrutscht.
    Die Frage war ja nach einer mathematischen Modellierung der Bewegungsabläufe - vermutlich insbesondere Beschleunigungsverhalten. Die Reibungsverluste sind praktisch minimal und die Modellrechnung sicherlich noch hinreichend genau, wenn man davon ausgeht, dass die Rollreibungen vernachlässigbar sein dürften. Die Vereinfachungen erleichtern den DGL-Ansatz, der dann immernoch "interessant" genug bleibt.
    Die unbeliebten Wurfparabelberechnungen der Physikkurse sind übrigens auch nur mit Vernachlässigung der Reibung des Wurfkörpers im Medium hinreichend "handlich" zu berechnen und genügen dennoch den Voraussetzungen, zahlreichen Adepten ihr schulisches Fortkommen zu verunmöglichen.
    Da die "Detailzeichnung" des Fragestellers noch sehr einem Rohentwurf gleichkommt, würde ich an dieser Stelle von Hinweisen zu Konstruktionsdetail noch absehen. Die sind auch für das mathematische Modell vorläufig ohne Belang.
     
    derschwarzepeter gefällt das.

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