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Welche Kräfte halten Lego Technik Kettenglieder aus? (mit Beispielanwendung)

Jo1

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Hallo,
ich habe eine Frage zu der Belastbarkeit der Kettenglieder und Kettenräder von Lego Technik
(die 5 studs weiten grauen Kettenglieder aus z.B. den Sets 42042, 8043, ...) ich kenn mich mit Mechanik nicht ganz so gut aus
und es wäre hilfreich wenn jemand mal drüberschauen könnte (Fragen sind weiter unten).
Weil es um die Vermischung von nicht-Lego-Elementen mit einem Lego Technik MoC geht, darum fang ich im Off-Topic Bereich an, falls gewünscht dass es unter Technik steht bitte verschieben.

Ich hab mal versucht einen Direktantrieb mit einem für Direktantrieb geeigneten Brushless Motor durchzurechnen,
hier der vorausgesuchte Motor (ist noch nicht bestellt schließlich bräuchte ich 2 davon für ein Kettenfahrzeug und zusammen mit den
Reglern wären das schon eine Investition die passen müsste)

Motor Brushless DC Outrunner Aufbau/Daten D:35mm L:30mm KV=300 12Pole 34Windungen Nominalspannung 6-12V, Vollaststrom 10A

EDIT: die Motoren sind da und ich korrigiere die Rechnung, da ich die Stromaufnahme zu hoch geschätzt hatte:

Lipo 2S: ~7,4V
NiMh Akkupack 6*1,2V: 7,2V

7,2V * 300 Umin/V = 2160 Umin ohne Last
Annahme: Unter last nur 2/3 Umin: 2220 * (2/3) = 1440 Umin

Lego Kettenrad (sprocket-wheel diameter with Chain on it) + 5 studs weite Kette
Umfang: ~ 0,13 Meter (habs nicht genau gemessen)
Kettengeschwindigkeit: 0,13 m * [ 1440 Umin / 60 sec ] = 3,12 m/s; 3,12 m/s * 3,6 ((Km/h)/(m/s)) = 11,23 Km/h

10A Maximalstrom bei 12V -> 6A Maximalstrom bei 7,2V
Annahme 1/3 Laststrom im Arbeitspunkt (6A maximal) = 2A
P_elektrisch = 7,2V * 2A = 14,4W

Elektrische Daten im Arbeitspunkt: 7,2V; 2A; 14,4Watt;

Vorsicht: die 2A sind bei einer gewissen Belastung abgeschätzt,
worst case (stall current) wäre das aber bis zu 3 mal höher...

Pmechanisch muss niedriger sein als P Elektrisch (Verluste kenne ich nicht genau, geschätzt 90% Effizienz):
Pmechanisch ~ 14,4W * 0,9 = 12,96W -> 13Watt mechanisch wenn fährt

Drehmoment 1Nm = 1(kg*m²)/s² = 1Ws = 1J
Leistung = Drehzahl * Drehmoment
P = 2* pi * M(Nm) * n(1/s)
mit 1440 Umin / 60 = 24 Umdrehungen pro sekunde
Drehmoment = Leistung / (2 * pi * n) = 13W / (2* 3,14 * 24usec ) = 0,086Nm

Ist bei meinen Annahmen oben ein Fehler drin?

Es sind alles nur überschlägige Rechnungen, aber ich vermute die Richtung stimmt,
würden die Lego Ketten, das Kettenrad und eine Technikachse so einen Direktantrieb aushalten?

Mechanische Belastung (ungefähr): 0,09 Nm; 1400 Umin; 13 Watt; 11 Km/h

Eine gewisse Abnutzung von Kettenglieder (5 studs weite), Kettenräder und Achsen wäre mir egal, aber brechen/schmelzen =O sollen sie nicht...

Wenn man jetzt in einem Kettenfahrzeug 2 Motoren hat dann gibt es natürlich noch Belastungen die aus den Wechselwirkungen der beiden Antriebe entstehen, aber das kann ich jetzt nicht einfach in Zahlen packen, es sind wohl dann auch andere Richtungen dazu in denen die Kräfte wirken.

Wenn es theoretisch machbar ist (und die Rechungen passen würden) dann probiere ich es aus (irgendwann in den nächsten Monaten)...

Viele Grüße

Jochen
 

GBCPeter

Herr der Bälle
Teammitglied
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Hallo Jochen

​Sei erst mal bei uns herzlich Willkommen und nun zu deiner Frage:
​Wahrscheinlich hat bei uns noch keiner alles so durchgerechnet und kann dir dazu etwas sagen :wacko: ​. Was ich dir dazu nur raten kann, da ja Fremdteile ( Motor usw. ) benutzt werden sollen > Versuch macht klug bzw. Try and Error < und mit der Hardware langsam die Grenzen von Lego ergründen.

mfg GBCPeter
 

Jo1

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Hallo Peter,

ich bin durchaus bereit das auszuprobieren, ein Kettenfahrzeug mit 2 L-Motoren hab ich ja schon gebaut und sehe,
dass bei den Ketten noch "Luft nach oben" da ist, was die Belastbarkeit angeht, aber eine Plausibilitätsbetrachtung finde ich schon notwendig. Weil der Versuch ja Geld kostet und die oben beschriebene Belastung deutlich höher ist, hier die Werte für einen L-Motor:

Power Functions (PF) Large motor
PF-large @ 7.5 V
Torque 6.48 N.cm
Rotation speed 203 rpm
Current 0.48 A
Mechanical power 1.38 W
Electrical power 3.60 W
Efficiency 38 %
Quelle: http://philohome.com/motors/motorcomp.htm


Alt/falsch: Also 4-faches Drehmoment, 7 fache Drehzahl und 4*7 = 28fache Mechanische Leistung im Vergleich zu meinem bestehenden MoC.... ginge das gut mit den Ketten? Eventuell hat schon jemand die Ketten für andere Anwendungen verbaut mit ähnlichen Belastungen?

EDIT: mit der geänderten Berechnung sind's noch 1,5faches Drehmoment (aber ohne Zahnräder, der L-Motor hat ja ein Planetengetriebe), 7 fache Drehzahl und 1,5*7 = 10,5 fache Mechanische Leistung

Viele Grüße

Jochen
 

Dreffi

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Ich versuche mal etwas Hilfe beizusteuern:
ein XL-Motor hat ca. das doppelte Drehmoment eines L-Motors. Das verkraften die Ketten mal ganz locker. Ich wage zu behaupten sie würden auch das doppelte davon, also dein angestrebtes Drehmoment noch vertragen ohne zu reißen. Sorgen würde mir eher die Übertragung der Antriebsleistung vom Rad in die Kette machen. Irgendwann könnte das Rad in der Kette durchdrehen wenn diese nicht genug gespannt ist.
Das bringt uns zum nächsten Problem: Toleranzen. Entweder sitzt die Kette etwas locker, oder ordentlich auf Spannung. Das wiederum bringt das eigentlich größte Problem ins Spiel: Reibung. Hier entstehen bei Drehmoment oder Druck in Verbindung mit Drehzahl böse Kräfte die zu Erwärmung und starkem Verschleiß führen. Insbesondere die Kreuzachsen leiden unter der Reibung und sind der kritische Punkt was das Drehmoment angeht.

Ich würde also prinzipiell lieber Zwei Antriebsräder pro Kette verbauen. Dann musst du jeweil nur das halbe Drehmoment übertragen.

Letztendlich hängt alles Computer Gewicht ab. Schwere Modelle vertragen sich wegen der Reibung unheimlich schlecht mit den Lego "Gleitlagern".
 

Jo1

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Dreffi schrieb:
Ich versuche mal etwas Hilfe beizusteuern:
ein XL-Motor hat ca. das doppelte Drehmoment eines L-Motors. Das verkraften die Ketten mal ganz locker. Ich wage zu behaupten sie würden auch das doppelte davon, also dein angestrebtes Drehmoment noch vertragen ohne zu reißen. Sorgen würde mir eher die Übertragung der Antriebsleistung vom Rad in die Kette machen. Irgendwann könnte das Rad in der Kette durchdrehen wenn diese nicht genug gespannt ist.
Das bringt uns zum nächsten Problem: Toleranzen. Entweder sitzt die Kette etwas locker, oder ordentlich auf Spannung. Das wiederum bringt das eigentlich größte Problem ins Spiel: Reibung. Hier entstehen bei Drehmoment oder Druck in Verbindung mit Drehzahl böse Kräfte die zu Erwärmung und starkem Verschleiß führen. Insbesondere die Kreuzachsen leiden unter der Reibung und sind der kritische Punkt was das Drehmoment angeht.

Ich würde also prinzipiell lieber Zwei Antriebsräder pro Kette verbauen. Dann musst du jeweil nur das halbe Drehmoment übertragen.

Letztendlich hängt alles Computer Gewicht ab. Schwere Modelle vertragen sich wegen der Reibung unheimlich schlecht mit den Lego "Gleitlagern".

Hallo Dreffi,
Vielen Dank.

Deine Anregung bringt mich weiter, selbst bei den L Motoren kann man die Kette ja schon durch die Zentrifugalkräfte "fliegen" sehen und was ich vorhabe geht wahrscheinlich wirklich nicht ohne Kettenspanner, hier gibt's schon ein gutes Konzept, dass mir vom Platz=Gewicht noch Sorgen macht im Prinzip macht man das nicht angetriebene Kettenrad in einen "Schlitten" und die Äußere Schlittenführung ist mit dem angetriebenen Kettenrad verbunden, dass ganze mit einem Lego Federelement gespannt.

Gerade bei Direktantrieb würde ich ungerne 2 Angetriebene Kettenräder pro Seite haben das wird einfach zu teuer, weil man bei den Brushlessmotoren ja elektronisch kommutieren muss. (Weiterhin müsste ich mir wohl kleinere Brushlessmotoren kaufen und die sind eher mit zu hohen Drehzahlen, was nicht passt und selbst wickeln werde ich keinen Motor... theoretisch ginge das schon allerdings hab ich nicht sooo viel Zeit, vielleicht meldet sich ja ein freiwilliger...)
Bei den L Motoren könnte ich das mal ausprobieren, ob die Kette auch ohne Spanner besser läuft leider sind aber gerade alle verbaut und 4 davon werden knapp mit der Elektronischen-Sicherung im Lego Batteriekasten... es muss aber der selbe sein, weil die Spannung ja die Drehzahl bestimmt (und der Strom das Drehmoment).

Ja ich vermute auch dass die Achse und die Reibung der Achse im Liftarm ein Problem sind, da ich so viel wie möglich Lego wollte ist Plan A Brushlessmotor+Kupplung(einfache Messinghülse mit Madenschrauben)+Legoachse,
Plan B wäre Brushlessmotor+Kupplung+4mmStahlachse(ich hab noch was V2A/Federstahl rumliegen)+Kugellager(Die kosten ja praktisch nix, würde sie aber gerne vermeiden) und die Achse dann Kraftschlüssig mit dem Lego Kettenrad verheiraten (A und B wären beide Direktantrieb).

Viele Grüße

Jochen
 

Dreffi

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Wenn du eh Fremdteile nutzt, kleb das Kettenrad auf eine Metallwelle und lagere die irgendwie vernünftig im Liftarm (Kugellager, ggfs. Pinloch aufbohren).

Bei den hier angestrebten Leistungen frisst dir die Reibung sonst das Material nur so weg.
 

Wolf_Zipp

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@Jo1

hallo Jochen,
dazu fällt mir ein Kommentar von @Maliiq oder @Catweazel ein, der einen Motor vom Akkuschrauber genommen hatte.

Es hat sehr viel Abrieb gegeben, und die Plastikteile sind angeschmolzen <X

Lego und RC-Modellbau sind halt verschiedene Dinge ;(
 

HDGamer2424

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achso... ich frage mich grade selber, wie da eine technikachse durchsoll...hm

bin mal gespannt was du draus machst!
 

Jo1

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Hallo,

aufgrund der Kräfte werde ich eine 4mm Welle nehmen (der Outrunner Motor hat ja auch eine 4mm Welle und die Kupplungshülse ist auch innen 4mm) und ein gewöhliches Kugellager:
Typ 684-ZZ (ZZ=Kugeln laufen im Fett und an den Seiten ist eine dünne Stahlblechblende die vor Verschmutzung schützt)
Innen Durchmesser 4mm
Außendurchmesser 9mm
Tiefe 4mm

so richtig Lego ist das natürlich dann nicht mehr, aber wir sind hier Off-Topic und es geht mir um die Verwendbarkeit von den Ketten und dem Kettenrad.

Grüße

Jochen
 

Jo1

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So die Motoren und Regler sind da, meine Funksteuerung hab ich auch wiedergefunden+abgestaubt.

Die Berechnungen oben hab ich Korrigiert (Stromaufnahme maximal mit niedrigerer Spannung umgerechnet + aus Versuch ermittelten Strom bei Last [Hab Ihn mit Handschuhen an den Fingern abgebremst] korrigiert nun nur noch 1/3)

Soweit bin ich ganz zuversichtlich das alles klappt und zusammenpasst :D ,
der BLDC Outrunner mit den vielen Wicklungen aus dünnem Draht den ich ausgesucht habe passt mir was ich bis jetzt gemessen habe ganz gut.

blöd nur dass ich
1. wenig Zeit hab Motorhalterungen anzufertigen und
2. ich bei der Bestellung der Lager nur auf die Eigenschaften und Versandkostenfreiheit geachtet hatte, tja soweit zur Globalisierung die kommen jetzt frei Haus aus China zu mir... <X dauert halt noch 3 Wochen... ;(
4. Die Motoren habe ich aus dem Deutschen Fachhandel für Modelluboote (im Internetgemischtwarenramschhandel mit globaler Ausrichtung hatte ich nicht ganz das passende gefunden, dort gibt's halt nur was sich in Massen verkauft...) leider ohne ausführliches Datenblatt, also keine Drehmoment/Drehzahlkurve, an sich sollte die aber
weitgehend linear sein (Gerade)
3. sind Outrunner natürlich nicht ganz ungefährlich da die hinteren 2/3 des Motors außen ja rotieren... dann muss ich mir noch ne schicke Verkleidung mit Lego ausdenken...

Viele Grüße

Jochen
 

efferman

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Da wo die Katzenaugen leuchten.
wäre das was für dich
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Jo1

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efferman schrieb:
wäre das was für dich

Hallo,

ja

der BLDC Outrunner soll ja in den Ubootmodellen einen langsam drehend gewickelten 540/500er ersetzen und der Bohrungsabstand würde passen.
Wie dick ist denn das Plastik für die Motorbefestigungsschrauben? sieht mir etwas dünn aus (eventuell ist es mit passenden Beilagscheiben ok) und es gingen nur 2.
Was fantastisch wäre wenn die Lager mit 9mm Durchmesser in die Mitte einsetzbar wären (etwas aufbohren wäre kein Problem, falls das Loch größer ist eventuell kann ich es mit Epoxy ausgießen)

Ich hatte leider am Montag Abend beim Stammtisch vergessen Dich zu fragen, da ich schonmal nach Motorhalterungen ge-googelt hatte und ich noch nicht sicher bin ob das Plastikteil stabil genug ist. Alternative wären 2mm Aluminiumplatte auf einen 5*7 studs (Noppen) messenden grauen Lego Technik Rahmen. Dein Teil wäre allerding der schnelle und einfache Weg zum Ziel, da meine Werkstatt noch nicht so gut ausgestattet ist...

Grüße

Jochen
 

efferman

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Ort
Da wo die Katzenaugen leuchten.
Das Material um die schraubenlöcher ist 4mm dick und die borung für das wellenlager ist 65mm im durchmesser und liese sich problemlos auf 130mm erweitern.
Wenn du mir die Abmessungen gibst die du brauchst kann ich dir was passendes machen, inklusive Schutzkäfig für den Außenläufer. Komplett schließen halte ich für kontraproduktiv, da der Motor sicherlich auch wärme produziert.
 

Jo1

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die Abmessungen (Zeichnung im Link):


Ja so 1-2 Watt maximal könnten schon in Wärme umgewandelt werden, Hinten einfach offen lassen (vorne wo die 4mm Welle rauskommt wird ja angeschraubt) und im Prinzip reicht es ja wenn man an der Seite Liftarme/Panels dranklicken kann (doppelter 5x5 Rahmen mit 4 studs Abstand dazwischen also ein 5x5x6 Quader?)
 
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