Hallo
Ich habe ein Problem. Ich soll einen Konstruktionsentwurf für einen Fahrrad-anfahrhilfsantrieb erstellen.
Wie dieser aussehen soll, ist erst mal egal. Er kann also elektrisch oder auch mechanisch ausgeführt sein.
Als Idee habe ich jetzt einen pneumatischen Antrieb gehabt. Einen Druckluftlamellenmotor mit dem passenden Drehmoment dazu hätte ich schon gefunden. Allerdings benötigt dieser 0,3 m^3/min Luft.
Nun meine Frage:
Wenn ich davon ausgehe, das dieser ungefähr 1 Min. laufen soll (reicht zum Anfahren), wie groß muss dann ein Lufttank sein? Gibt es eine Möglichkeit, einen klein genugen Tank, der auf ein Fahrrad passt, irgendwo zu bekommen?
Die zweite Frage:
Das Optimum wäre dabei, dass der Lufttank über einen Kolben während der Fahrt dann wieder geladen würde.
Ist das umsetzbar?
Wenn ich davon ausgehe, das dieser ungefähr 1 Min. laufen soll
(reicht zum Anfahren), wie groß muss dann ein Lufttank sein?
Gibt es eine Möglichkeit, einen klein genugen Tank, der auf
ein Fahrrad passt, irgendwo zu bekommen?
Tauchluftflasche.
Die zweite Frage:
Das Optimum wäre dabei, dass der Lufttank über einen Kolben
während der Fahrt dann wieder geladen würde.
Das wäre ja ein pepetuum mobile!
Ist das umsetzbar?
Nein!!!
Vergiß die Pneumatik !
Entweder, Du benötigst einen Speicher, der zu Haus aufgepumpt wird und fährst damit 20 m. Schleppst dann aber während der gesamten Radtour diesen Speicher mit Dir rum, was mehr Energie frißt, als vorher eingespart wurde.
Oder Du pumpst ihn während der Fahrt auf, was sehr viel Energie kostet und Du brauchst dann auch dringend die Erholungspause, wenn der Luftmotor Dich zieht.
Es gibt heute schon sehr gute Fahrräder mit E-Motor. Diese Dinger sind eine echte Erleichterung.
Geh mal zum Fahrradhändler und laß sie Dir zeigen. Mit den neuen Gel-Batterien hat man eine sehr große Reichweite.
Diese ewigen Erfindungen von Luftantrieben für Fahrzeuge sind Hirngespinste. Jeder Erfinder denkt nur an die Luft, die es genug gibt, sogar „nachwachsend“. Wie schwer es aber ist, Luft zu komprimieren, daran denkt wohl keiner.
Es bietet sich nur die Elektrizität in vernünftiger Form an.
Das hab ich mir schon gedacht, dass das nicht funktioniert.
Das mit dem Perpetuum Mobile müsste nicht sein, der Antrieb soll ja nur als Anfahrhilfe sein, der Rest der Fahrt wär er dann abgeschaltet. Währenddessen könnte er dann geladen werden.
Allerdings hat die Sache so wie ich sie sehe, folgende Haken. Die benötigte Luftmenge ist wohl zu gross, als dass sie in einen kleinen Tank, der auf dem Fahrrad montiert ist, Platz hätte.
Zweitens müsste man beim „normalen“ (ohne Antrieb) Betrieb zu schwer treten (wie du gesagt hat, „wie schwer es ist Luft zu komprimieren“), um den Lufttank zu füllen
(Der müsste ja sicherlich mehrere Bar haben, damit er überhaupt genügend Luft für den Motor bereitstellen könnte
Langsam rege ich mich über so ein blödes Konstruktionsarbeitsthema richtig auf!
[Bei dieser Antwort wurde das Vollzitat nachträglich automatisiert entfernt]
Nun meine Frage:
Wenn ich davon ausgehe, das dieser ungefähr 1 Min. laufen soll
(reicht zum Anfahren), wie groß muss dann ein Lufttank sein?
Grundlagen der Physik :
Die Arbeit/Energie, die zum Anfahren bzw. Beschleunigen benötigt wird berechnet sich aus „Masse x Quadrat der Endgeschwindigkeit " (Roll- und Luftwiderstand dabei unberücksichtigt.
Das Äquivalent an Druckluft-Energie wäre mindestens " Druckabfall x Behältervolumen“, dividiert durch den Wirkungsgrad der Maschine.
Dabei darf der Druckabfall nur so stark sein, dass zum Ende des Arbeitszyklus noch genügend Druck zum Antrieb der Maschine vorhanden ist.
Mit diesen Randbedingungen kann die Zahlenspielerei losgehen.
Energetisch ist Druckluft eigentlich ungünstig: die bei der Verdichtung zu Druckluft entstehende Wärme geht verloren, da die Druckluft spätestens im Behälter wieder auf Umgebungstemperatur abkühlt. Und das ist nun mal ein prinzipiell unvermeidbarer Energieverlust.
Gibt es eine Möglichkeit, einen klein genugen Tank, der auf
ein Fahrrad passt, irgendwo zu bekommen?
Ab einem Druck-Liter-Produkt von „200 bar x Liter“ muss jeder Behälter regelmäßig zum TÜV.
Die zweite Frage:
Das Optimum wäre dabei, dass der Lufttank über einen Kolben
während der Fahrt dann wieder geladen würde.
Ist das umsetzbar?
Das Ende der Fahnenstange für einstufige Verdichtung ist bei 10-15 bar erreicht, Darüber wäre aufwändige mehrstufige Verdichtung vonnöten.
Die Arbeit/Energie, die zum Anfahren bzw. Beschleunigen
benötigt wird berechnet sich aus „Masse x Quadrat der
Endgeschwindigkeit " (Roll- und Luftwiderstand dabei
unberücksichtigt.
Das Äquivalent an Druckluft-Energie wäre mindestens "
Druckabfall x Behältervolumen“, dividiert durch den
Wirkungsgrad der Maschine.
Dabei darf der Druckabfall nur so stark sein, dass zum Ende
des Arbeitszyklus noch genügend Druck zum Antrieb der Maschine
vorhanden ist.
Mit diesen Randbedingungen kann die Zahlenspielerei losgehen.
Das würde also heißen, um eine Geschwindigkeit von 5 km/h= 1,39M/s zu erreichen, brauche ich bei einer angenommenen Masse ca 231 J
Dafür bräuchte ich dann wieder einen Lufttank von sagen mir 25l und 10 bar.
Der ist aber dann so groß und schwer, dass ich meine angenommene Masse nicht halten könnte, und auch nie auf einem Fahrrad unterbringen könnte.
Dabei ist der Wirkungsgrad des Motors noch gar nicht berücksichtigt, der die benötigte Energie nochmal beträchtlich erhöhen würde.
Stimmt die Überschlagsrechnung so ungefähr?
Leider hab ich im Moment erst zwei Stunden Thermodynamik gehabt, weshalb ich mir bei solchen Rechnungen mit Gasen noch nicht so sicher bin…
Die zweite Frage:
Das Optimum wäre dabei, dass der Lufttank über einen Kolben
während der Fahrt dann wieder geladen würde.
Ist das umsetzbar?
Das Ende der Fahnenstange für einstufige Verdichtung ist bei
10-15 bar erreicht, Darüber wäre aufwändige mehrstufige
Verdichtung vonnöten.
Um einen Kolben am Fahrrad zu betreiben zu können, müsste dieser ziemlich klein sein, da das Treten ja auch nicht zu schwer gehen darf (wie klein hab ich allerdings keine Ahnung?)
Aber um mit so einem kleinen Kolben 10 bar in einen 25l-Tank zu bekommen, würde es extrem lang dauern, seh ich das richtig?
Die Arbeit/Energie, die zum Anfahren bzw. Beschleunigen
benötigt wird berechnet sich aus "Masse x Quadrat der
Endgeschwindigkeit " (Roll- und Luftwiderstand dabei
unberücksichtigt.
Sorry, muss natürlich noch mit multipliziert werden.
Das Äquivalent an Druckluft-Energie wäre mindestens "
Druckabfall x Behältervolumen", dividiert durch den
Wirkungsgrad der Maschine.
Dabei darf der Druckabfall nur so stark sein, dass zum Ende
des Arbeitszyklus noch genügend Druck zum Antrieb der Maschine
vorhanden ist.
Mit diesen Randbedingungen kann die Zahlenspielerei losgehen.
Das würde also heißen, um eine Geschwindigkeit von 5 km/h=
1,39M/s zu erreichen, brauche ich bei einer angenommenen Masse
ca 231 J
Die Masse eines Menschen incl Fahrrad von grob 100 kg auf 1,4 m/sec zu beschleunigen braucht ca 100 J.
Dafür bräuchte ich dann wieder einen Lufttank von sagen mir
25l und 10 bar.
Wenn ich richtig rechne: Aus einer Druckdifferenz von 5 bar (=50 N x 10^^4 /m²) 100 J (Nxm) zu holen wird ein Volumen von 2x10^^-4 m³ benötigt, also 0,2 dm³ (Liter) .
Darauf kommt noch der Aufschlag für die diversen Verluste.
Die zweite Frage:
Das Optimum wäre dabei, dass der Lufttank über einen Kolben
während der Fahrt dann wieder geladen würde.
Ist das umsetzbar?
Das Ende der Fahnenstange für einstufige Verdichtung ist bei
10-15 bar erreicht, Darüber wäre aufwändige mehrstufige
Verdichtung vonnöten.
Um einen Kolben am Fahrrad zu betreiben zu können, müsste
dieser ziemlich klein sein, da das Treten ja auch nicht zu
schwer gehen darf (wie klein hab ich allerdings keine Ahnung?)
Das ist nur eine Frage der Übersetzung für den Antrieb des Verdichters/Kompressors: Je höher desto leichter tritt es sich, desto länger dauert das Wiederauffüllen.
Wenn ein solcher Antrieb praktikabel sein soll (nicht nur als reine Übungsaufgabe), dann muss die Luft nach dem Verdichten getrocknet werden. Sonst korridiert der Antrieb, „versifft“ und friert im Winter ein. Und der dazu erforderliche Lufttrockner muss regenerationsfähig sein. Sonst ist der nach wenigen Auffüllvorgängen erschöpft.
Und dann darf der Antrieb nicht zu laut werden, wenn die Luft entspannt bzw. entweicht. Weiter ist die Steuerung der Anlage auch noch so eine Sache.
Natürlich kann man all so etwas im Prinzip hinkriegen. Doch bis das zuverlässig funktioniert und bezahlbar bleibt, bis dahin wären einige Mann-Jahre an Entwicklungsarbeit zu investieren !
MfG
Karl-H.Schönfeld
Hi, ich würde eine Bandfeder nehmen (wie beim Bandmaß oder alten Uhren), diese wird zum Bremsen genutzt und bei vollstängigem Aufzug ausgekuppelt. Beim Antreten musst Du dann die Federenergie wieder auf den Antrieb kuppeln (z.B. indem Du ein Ritzel bei entsprechender Spanung der Kette nach unten ziehen lässt.
Ode Du lädst über einen Gererator beim Bremsen Akkus (die z.B. im Rahmenrohr stecken, und treibst beim Antreten die Kette mit einem E-Motor an.
Eine energetisch sinnvolle/ praxistaugliche Lösung für so einen Antrieb , unter Berücksichtigung der immer mitzuführenden Masse des Speichergerätes ist eher unwahrscheinlich, also beschränk dich auf das technisch machbare.
Hi, ich würde eine Bandfeder nehmen (wie beim Bandmaß oder
alten Uhren), diese wird zum Bremsen genutzt und bei
vollstängigem Aufzug ausgekuppelt. Beim Antreten musst Du dann
die Federenergie wieder auf den Antrieb kuppeln (z.B. indem Du
ein Ritzel bei entsprechender Spanung der Kette nach unten
ziehen lässt.
Das mit der Feder ist mir auch schon gekommen, jeoch hab ich mir überlegt, ob diese während des normalen Fahrens (mit größerem Kraftaufwand) geladen werden könnte, aber da hab ich dann das Problem, dass ich die Feder nicht in die gleiche Richtung aufziehen kann, wie die in die sie sich auch entspannen soll.
Das mit dem Bremsen ist mir noch nicht gekommen. Allerdings wird es damit ziemlich schwer, die Feder weit genug aufzuziehen. Das muss es dann schon bergab gehen…
Die Arbeit/Energie, die zum Anfahren bzw. Beschleunigen
benötigt wird berechnet sich aus "Masse x Quadrat der
Endgeschwindigkeit " (Roll- und Luftwiderstand dabei
unberücksichtigt.
Sorry, muss natürlich noch mit multipliziert werden.
Das würde also heißen, um eine Geschwindigkeit von 5 km/h=
1,39M/s zu erreichen, brauche ich bei einer angenommenen Masse
ca 231 J
Die Masse eines Menschen incl Fahrrad von grob 100 kg auf 1,4
m/sec zu beschleunigen braucht ca 100 J.
Moment, sind das nicht 196 J (100kg * 1,4m/s^2)?
Dafür bräuchte ich dann wieder einen Lufttank von sagen mir
25l und 10 bar.
Wenn ich richtig rechne: Aus einer Druckdifferenz von 5 bar
(=50 N x 10^^4 /m²) 100 J (Nxm) zu holen wird ein Volumen von
2x10^^-4 m³ benötigt, also 0,2 dm³ (Liter) .
Darauf kommt noch der Aufschlag für die diversen Verluste.
Das heißt, ausgehend von 100J:
mit einem 10l Tank und ca. 10barg Druck im Tank, würde man rein energetisch mal betrachtet, ohne weiteres so ein Fahrrad mit 100kg auf 5 km/h beschleunigen können, und das auch noch ein paar mal.
Wenn wir einmal von einem Wirkungsgrad von 20% ausgehen, wäre immerhin noch mindestens 5 (oder eher öfters, wir haben bei den ersten Beschleunigungen ja 10barg ) mal möglich, zu beschleunigen.
Seh ich das richtig?
aufziehen tust Du die Feder durch Drehen der Welle in der Mitte der Feder mit dem daran befestigten inneren Ende der Bandfeder, die Energieabgabe erfolgt am Umfang der Feder über ein mit dem Aussenende der Feder verbundenes Gehäuse.
Eine Drehrichtungsumkehr geht über ein Zwischenritzel relativ einfach zu realisieren. Aber das brauchst Du noch nicht mal, wenn Du dei Feder wirklich nur beim Bremsen/Bergabfahren aufziehst, da die Bremskraft ja entgegen der Fahrtrichtung wirksam werden muss.
aufziehen tust Du die Feder durch Drehen der Welle in der
Mitte der Feder mit dem daran befestigten inneren Ende der
Bandfeder, die Energieabgabe erfolgt am Umfang der Feder über
ein mit dem Aussenende der Feder verbundenes Gehäuse
Eine Drehrichtungsumkehr geht über ein Zwischenritzel relativ
einfach zu realisieren. Aber das brauchst Du noch nicht mal,
wenn Du dei Feder wirklich nur beim Bremsen/Bergabfahren
aufziehst, da die Bremskraft ja entgegen der Fahrtrichtung
wirksam werden muss.
Das ist mir jetzt noch nicht ganz klar.
Wie meinst du das?
Beim Bremsen hab ich doch auch eine Vorwärtsbewegung der Welle, in die gleiche Richtung wie bei Energieabgabe.
Und die Feder kann doch nur mit einer Rückwärtsbewegung aufgezogen werden.
Hi, richtig, aber wie gesagt. Aber wie gesagt kann man mit einem Zwischenritzel eine Umkehr der Bewegungsrichtung erreichen.
Wenn du ein Getriebe aus 2 Stirnrädern hast, dreht sich das Abtriebszahnrad in die entgegengesetzte Richtung wie das Antriebszahnrad. Wenn du nun ein 3. Rad anfügst, drehen sich An- und Abtrieb wieder in die gleiche Richtung. Du bräuchtest natürlich eine Kupplung, um entweder das eine oder andere Getriebe wirksam werden zu lassen und ausserdem eine Bremse, die verhindert, dass sich dei Feder entspannt, wenn Du normal fährst.