E-Skateboard - BEHAM Techn. Handels GmbH

E-Skateboard
13.6.2013
Werkstättenprojekt 2012/2013
4CHELI
Mayr Jenny
Berger Melanie
WLA
E-Skateboard
Team
Berger Melanie
Berger, Mayr 4CHELI
Mayr Jenny
2012/2013
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E-Skateboard
Inhaltsverzeichnis
1. Vorwort
2. Allgemein
2.1 Aufgabenstellung (Pflichtenblatt)
3. Technischer Teil
3.1 Projektbeschreibung
3.1.1 Funktionsbeschreibung
3.2 Realisierte Lösung
3.3.1 Schaltung und Verkabelung
3.3.2.1Schaltplan
3.3.2.2 Bestückungsplan/Boardplan
3.3.2.3 Verkabelung der Akkus und des Motors
3.3.3 Antrieb
3.3.4 Halterung und Mantel
3.3.4.1 Grundplatte
3.3.4.2 Mantel
3.3.4.3 Poti
3.4 Bedienungsanleitung
3.5 Verbesserungsvorschläge
3.6 persönliche Erfahrung/eigene Meinung
4. Links
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E-Skateboard
1. Vorwort
Im Rahmen des Projektunterrichtes, Werkstättenlabor, beschäftigten wir uns mit der
Realisierung eines E-Skateboards.
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 (www.beham.com).
Die weiterführenden Seiten bieten Einblicke in unser Vorhaben, Zeitmanagement,
Realisierung und Endergebnis.
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E-Skateboard
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:
E-Skateboard
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.
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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.
3.1.1 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 (AUSStellung.
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.
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(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.
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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.
3.3.1 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)
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(Abb.9, kein Impuls, Motor aus)
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(Abb.10, mittlere Geschwindigkeit)
3.3.2.1Schaltplan
(Abb.15, Schaltplan)
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3.3.2.2 Bestückungsplan/Boardplan
(Abb.16, Bestückungsplan)
(Abb.17, Boardplan)
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3.3.2.3 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)
3.3.3 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
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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
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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)
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(Abb.35, realisierter Antrieb)
3.3.4 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)
3.3.4.1 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)
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3.3.4.2 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)
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3.3.4.3 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 E-Skateboards 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.
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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.
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4. Links
Abb.29; Ausgewählte Zahnriemenscheiben
http://www.beham.com/fileadmin/beham/Downloads/Technisches_Handbuch/A06-ZAHNR.pdf 31.5.2013
Abb. 1, erste betrachtete Schaltung http://www.atx-netzteil.de/pwm_mit_ne555.htm
Abb. 2, zweite betrachtete Schaltung http://www.dprg.org/tutorials/2005-11a/
Timer 555 http://de.wikipedia.org/wiki/NE555 11.6.2013
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