Bau eines Heckladers mit dem einleuchtend e.V.

Dokumentation des Lastenradprojektes

Von:
Peter Raab, Tjarko Tjaden, Benny Frohmann
September 2013

1 Einleitung

W?ährend des wirklich kalten Winters 2012/2013 haben drei unerschrockene Berliner in den Werkst?ätten der Open Design City und Funkhaus Gr?ünau und der Unterstützung des Vereins Trial & Error ein schwarzen Lastenrad- Unget?üm gebaut. In den folgenden Kapiteln m?öchten wir allen Interessierten Personen Einblick in unser Projekt geben.

1.1 Über uns

Wir, das sind im Wesentlichen Benny, Peter und Tjarko vom einleuchtend e.V. aus Berlin. Der einleuchtend e.V. [Link auf www.einleuchtend.org] besteht aus ca. 20 engagierten Studierenden verschiedener Fachbereiche der Hochschule f?ur Technik und Wirtschaft Berlin (HTW Berlin). Wir verfolgen seit Anfang Oktober 2009 ein Ziel: Die Realisierung und F?örderung nachhaltiger, ökologischer Projekte innerhalb unserer Hochschule und dar?über hinaus. Um unsere Vorhaben umzusetzen, haben wir einen gemeinn?ützigen Verein gegr?ündet. Dieser versteht sich als ausschliesslich selbstverwaltetes und selbst?ändiges Studierendenprojekt an der HTW Berlin. Von energieautarken Klassen- und B?üror?äumen, ?uber Workshops zum Bau von USB-Ladeger?äten f?ür's Fahrrad bis hin zum Bau eines SolarSoundSystems und einer solarbetriebenen Fahrradrikscha wurden bereits viele studentische Ideen in die Tat umgesetzt. Viele weiter sollen Folgen!

1.2 Motivation und Zielsetzung

Als eines der ersten Vereinsprojekte hat der einleuchtend e.V. ein SolarSoundSystem [Link auf http://einleuchtend.org/index.php/Projects/Solarsoundsystem] gebaut, mit dem umweltfreundlich und autark, fernab des Netzstroms Musik aufgelegt werden kann. Das modulare System kam auf verschiedensten Veranstaltungen zum Einsatz. Nachteil jedoch: Manchmal waren die Strecken so weit, dass wir einen Transporter mieten mussten. Dies widersprach unserer Idee einer nachhaltigen Mobilit?ät. Folglich kam Mitte 2012 die Idee auf ein Spezial- Lastenrad zu bauen. W?ährend das SolarSoundSystem dabei die Vorgaben bei der Dimensionierung des Rades gab, vgl. Tabelle 1.1, war von Beginn an geplant, dass man das Lastenrad dar?über hinaus auch als normales Transportfahrrad nutzen wollte.

Weiterhin haben wir bei der Konzeption auf folgende Aspekte geachtet:

• der Kostenrahmen soll 600 € nicht ?übersteigen

• es sollen m?öglichst Kaufteile oder ?übliche, leicht beschaffbare, Gebrauchtteile verwendet werden (das erleichtert den Nachbau)

• die Konstruktion soll einfach sein

• die Konstruktion soll mit ?Üblichem Werkzeug umgesetzt werden k?onnen, d.h. auf speziell angefertigte Passungen oder Dergleichen wurde verzichtet

• eine sp?ätere Erweiterung durch einen Elektromotor soll m?öglich sein

1.3 Über diese Dokumentation

Diese Dokumentation soll im n?ächsten Teil unsere Konzeption n?äher erl?äutern. Dem Leser, der lediglich schnell unser Lastenrad nachbauen will, steht frei diesen Abschnitt zu ?überspringen. Der Autor legt jedoch jedem nahe die Gedanken, die hinter der Konstruktion stehen, nachzuvollziehen. Nur so k?önnen Variationen zur Verbesserung des eigenen Lastenrades führen. Im Kapitel 3 findet sich eine detaillierte Bauanleitung.

2 Konzeption

2.1 Allgemeines Grobkonzept

Zun?ächst stellt sich die Frage nach einem geeignetem Lastenradtyp. Sehr verbreitet sind die Frontlader, bei denen sich die Last vor dem Fahrer beendet. Bekanntester Vertreter ist das Long-John, aber auch andere Typen wie Bild 2.2b. Aufgrund der H?öhe unserer Last und damit verbundene Sichteinschr?änkungen kommen Frontlader f?ür unsere Applikation nicht in Frage. Letztendlich haben wir uns f?ur einen Hecklader in dreir?ädriger Ausf?ührung entschieden. Wir wollten dabei ein vorhandenes Fahrrad soweit wie m?öglich nutzen und es durch den Anbau von Stahlhalbzeug erweitern. Folgende Abbildung verdeutlicht ein Grobkonzept aus der fr?ühen Konzeptionsphase.

Auslegung der ?Übersetzung

Folgende Zielsetzung besteht bei der Auslegung der ?Übersetzung:

1. Man muss das Rad mit voller Last vern?ünftig beschleunigen k?önnen

a) a. bei vern?ünftig orientiere ich mich an der gerade so noch angenehmen Beschleunigung meines eigenen Fahrrades

b) b. das gilt ebenso das Anfahren am Gef?älle, willk?ürlich festgelegt auf 5%

2. Man sollte bei max. Trittfrequenz, willk?ürlich festgelegt auf 1,5 Hz mindestens eine bestimmte Geschwindigkeit erreichen. Erste Feststellungen sind:
ˆ Aus beiden Forderungen ergibt sich zwangsl?äüfig der n?ötige ?Übersetzungsbereich (Verh ?ältnis der gr?ößten und kleinsten Übersetzung der Schaltung). Da wir eine Nabe mit einem ?Übersetzungsbereich von 307% haben, w?are es Zufall beide Forderungen gleichzeitig erf?üllen zu k?önnen. Wichtigste Forderung ist die Erste, da man zun?ächst ?überhaupt vom Fleck kommen muss!

ˆDer Einfluss eines Gef?älles ist bei uns ?überproportional h?öher als bei einem normalen Fahrrad-Fahrer-System. Grund ist der Anteil der Last am Gesamtsystem.

Ein kleines Excel-Tool von Peter hilft beim herumexperimentieren mit den Parametern.

Bauprozess des Lastenraddprojektes der Gruppe "Einleuchtend e.V."

Offene und geschlossene Baustellen des Lastenradprojektes

1 Allgemeines

Folgende Sessions sind seit Eurem letzten Treffen gelaufen:

• 29.12.2012 Benny und Peter
• 07.01.2012 Peter
• 08.01.2012 Peter

Mittlerweile sind auch die restlichen Bestellungen angekommen, welche beinhalten:

• die UCP 204 Stehlager
• die Welle OD 20
• die Stellringe
• den Schalthebel für Nabenschaltung Nexus Inter 8

2 Mechanik

Im Folgenden berechne ich mal die Kraftkette vom Antrieb (Pedale, Kurbel) bis zum Antriebsrad durch. Zuvor folgt die eine Betrachtung der Antriebs und Abtriebskräfte, welche Grundlage der Auswahl der Zahnräder ist.

2.1.1 Allgemeines

Folgende Zielsetzung besteht bei der Auslegung der Übersetzung: 1. Man muss das Rad mit voller Last vernünftig beschleunigen können a. bei „vernünftig“ orientiere ich mich an der gerade so noch „angenehmen“ Beschleunigung meines eigenen Fahrrades b. das gilt ebenso für ein Gefälle, willkürlich festgelegt auf 5% 2. Man sollte bei max. Trittfrequenz, willkürlich festgelegt auf 1,5 Hz mindestens eine Bestimmte Geschwindigkeit erreichen Erste Feststellungen sind:

• Aus Beiden Forderungen ergibt sich zwangsläufig der nötige Übersetzungsbereich (Verhältnis der

größten und kleinsten Übersetzung der Schaltung). Da wir eine Nabe mit einen Übersetzungebereich von 307% haben wäre es Zufall beide Forderungen gleichzeitig erfüllen zu können. Wichtigste Forderung ist die erste, da man erstmal überhaupt vom Fleck kommen muss!

• Der Einfluss eines Gefälles ist bei uns überproportional höher als bei einem normalen Fahrrad-Fahrer-

System. Grund ist der Anteil der Last am Gesamtsystem.

2.1.2 die Tabelle „Kräfte-Momente-Drehgeschwindigkeiten“

File:Kräfte-Momente-Drehgeschwindigkeiten.rtf
File:Kräfte-Momente-Drehgeschwindigkeiten.pdf

Die Kurbel

Habe eine schöne 1Gang Kurbel in der ODC gefunden.

Problem: Leider muss man die Achse stark nach links (Bildrichtung) versetzt einbauen, damit das Kettenblatt nicht am Rahmen schleift. Damit der Konterring kann nicht eingebaut werden. Die Lagerschalen sitzen lose im Gewinde.

Lösungsideen

• 1. anderes Tretlagerachse, die längere Ausläufer hat
• 2. andere Kurbel mit Kettenblatt, dass nicht schleift
• 3. Lagerschalen mit Gewindekleber einkleben

Bild: Tretlager mit Kurbel

Die Nabe

Sie funktioniert, wie sie soll und ist mit der Schalteinheit verbunden die Verbindung des Abtriebszahnrades mit den Speichenlöcher ist auch gelungen.

2.4 Die Übertragungswelle mit UCP Lagern

Die UCP 204 Lager sind sehr konfortabel, da man sie (fast) beliebig ungenau einbauen kann und Fluchtungsfehler durch verdrehen des Lagers in der Halterung ausgleichen kann (siehe Bild).

Abbildung 2: UCP 204 Stehllager mit schief ausgerichteter Welle

2.5 Die Antriebseinheit der Welle (von der Nabe kommend)

Wie in der Tabelle aufgeführt habe ich aus ODC Beständen ein 30er Zahnrad verwendet und wie im Model an den Stellring montiert. Siehe Bild: Anmerkung: Die Zahnräder der ODC waren alle für Kettenschaltungen. Dort sind die Zähne nicht so hoch (wahrscheinlich) damit die Kette gut von Ritzel zu Ritzel gleiten kann. Dadurch ist der Eingriff aber nicht optimal und die Kette neigt zum Überspringen. -> deswegen halte ich Nabenschaltungs- bzw. Eingang Ritzel für besser.

2.6 Die Abtriebseinheit der Welle (hin zum Schwalbe Zahnrad)

Das Schwalbe Ritzel muss irgendwie auf die Welle aufgeschoben werden können und mit dem Stellring verbunden werden. Dazu muss es mindestens zentral auf D20 Aufgebohrt werden.

Problem: Das 15 Zähne Schwalbezahnrad kann nicht bearbeitet werden. Es ist super hartes Material. Ich habe zunächst einen Bohrer zerstört ohne dass das Teil auch nur eine Spur hat. Dann habe ich HSS-COBALT Bohrer gekauft die angeblich für legierte Stähle geeignet sind. Leider hat auch dieses Werkzeug nicht geholfen.

Nun ist das Schwalbezahnrad mehr als doppelt so breit (5mm) wie die Fahrradritzel (2mm). Das ist notwendig, da die Motoradketten entsprechend breiter sind.

Lösungsmöglichkeiten

• 1. ein breites Schwalbezahnrad finden was man bearbeiten kann
• 2. alle Zahnräder als Fahrradvariante ausführen (d.h. das Schwalbe Zahnrad am Antriebsrad wechseln)

Test des Einbaus eines Nabenschaltungsritzel

Problem: Das Ritzel ist ebenfalls sehr hart, sodass es nicht aufgebohrt und irgendwo angeschraubt werden kann. Allerdings kann man das Material (gut) schweißen. Die Ausrichtung zum runden Lauf ist dann aber wieder schwieriger (Hämmern testen, Hämmern testen,…).

2.7 Kettenverbindung und Abtriebszahnrad am Antriebsrad

Problem 1: Es stellt sich die allgemeine Frage ob wir überhaupt mit Motorradzahnrädern und Ketten arbeiten sollten. Siehe auch Abschnitt 3 Problem 2: Sollten wir mit Motorradketten arbeiten, müssen wir die Nieten lösen können. Dazu benötigen wir Spezialwerkzeug. Ich habe es mit rohrer Gewalt (Hammer und Stößel) nicht geschafft Anmerkung: Die Kette ist sehr lang und schwer. Sie muss auf jeden Fall mit hoher Kraft gespannt werden, damit sie nicht durchhängt. An dieser Stelle ist der Einbau eines Kettenspanners ungünstig. Zum Einen muss er sehr stark (Federkraft) sein, zu Anderen würde er den Kettenlauf absenken, wodurch die Kette am Radkasten schleifte (also unseren Rohreren)

3 Radstand

Ein bisschen Sorgen macht mir unsere Radaufhängung. Zur Erklärung. Bei dem Stahlkasten sind wir auf Nummer sicher gegangen und haben 2 mm starke Stahlprofile und Rohre genutzt. Die Last verteilt sich ungefähr gleichmäßig auf 4 „Regionen“ (nämlich unter den Rädern des Soundsystems). Dem entgegen liegt nun die gesamte Last PLUS das Eigengewicht des Gestells PLUS einen Teil des Gewichts des Fahrers auf zwei „popligen“ 12er Wellen. Das würde ja evtl. noch funktionieren, wenn nur Schwerkräfte wirken. Beim Antriebsrad ist der Abstand zwischen Lagerung und Einschraubung recht groß. Dadurch wirken große Biegekräfte. Als Vergleich stelle man sich die Dimensionen einer Tretlagereinheit vor:

• gehärteter, legierter Stahl
• viel geringerer Hebel bzw. Abstand zwischen Lager und Krafteintrag des Pedalarmes
• viel Dickere Welle

4 Stahlkonstruktion

Sie ist noch nicht fertig. Es fehlt: 1. detailliertes Konzept für die Auffahrrampe samt Stützpfeiler gegen das nach-hinten kippen des lastenrades beim Verladen 2. die Verstrebung, die das Hinten-Raus-Rollen des Soundsystemes verhindert

5 To Do

Arbeiten:

• 1. Tretlager, Kurbel bearbeiten
• 2. Welle absetzen und/oder Senkung für die Made einbohren, damit Moment gut übertragen werden kann.
  

Bilder Ende Februar 2013

Bilder der Ergebnisse um den Monat Februar 2013 herum

Der Antrieb funktioniert!

Peter und Tjarko haben in Eiseskälte im ersten Februarwochenende 2013, im unbeheitzten Funkhaus Grünau den Pedalantrieb an der Schwerlastrades fertiggestellt. hier sind die Ergebnisse:

Bilder vom Entstehungsprozess

Fertigstellung und Anpassung

Elektrifizierung im Projekt „SolariFahri”

Außer bei den Veranstaltungen direkt an der Hochschule in Sch?öneweide musste stets ein geeignetes Transportmittel f?ur das SolarSoundSystem gefunden werden. Daf?ür wurde meistens ein kleiner Transporter gemietet. Die Kosten mussten entweder auf die Veranstalter umgelegt werden oder wurden von einleuchtend e.V. ?übernommen. Zudem mussten Aktivit?äten des SolarSoundSystems immer lange im Voraus geplant werden, um sicher zu gehen, dass es ein geeignetes Fahrzeug und einen Fahrer gab. Die erfolgreiche Jungfernfahrt und ?Überf?ührung unseres selbstgebauten Lastenrades nach Sch?öneweide am 21.02.2013 stimmte uns hoffnungsvoll, dass wir nun unabh?ängiger sein w?ürden. Die ersten Fahrten waren zufriedenstellend, doch merkte man an Steigungen schnell, dass man mit ?über 300kg Gewicht unterwegs war.

4.1.1 Idee

Aus dem SolarRikscha-Projekt, bei dem eine Pedelec-Rikscha zur Bef?örderung von Personen mit flexiblen Solarmodulen, Akkus und einem Elektromotor ausgestattet wurde, kommt die Idee und das erarbeitete Wissen zum Bau einer solar gespeisten Tretunterst?ützung. Bei der Konstruktion der mechanischen Teile wurde die sp?ätere Nachr?üstung eines Elektromotors mit eingeplant. Die Gangschaltung wurde f?ur langsames Anfahren ausgelegt und erm?öglicht ein gem?ütliches Vorankommen. Auf l?ängeren Strecken und vielen Starts und Stopps wird aber selbst den Studenten auf Dauer die Puste ausgehen. Ein kleiner 350W Elektromotor als zus ?ätzliche Reichweitenverl?ängerung wird ganz im Sinne des Gesamtkonzeptes eines dezentralen und mobilen Inselsystems ?uber Photovoltaikmodule versorgt. Eine m?ögliche Variante ist eine abnehmbare Dachkonstruktion, die außerdem die Ladung vor Regen sch?ützt. An besonders sonnigen Tagen kann übersch?üssige Energie aus dem Akku f?ur zus?ätzliche Verbraucher, z.B. K?ühlger?ate, genutzt werden.
Mit dem Projekt wollen wir

• den Einsatz des SolarSoundSystems noch effektiver und ?ökologischer machen
• nicht mehr auf das Mieten eines Transporters angewiesen sein
• die Öffentlichkeit f?ur die Wichtigkeit eines ?ökologischen Nahverkehrs sowie einer nachhaltigen Elektromobilit?at sensibilisieren
• Interessierten die Funktionsf?ahigkeit und Leistungsf?ahigkeit solarer Inselsysteme er?örtern
• Die Leistungsf?ähigkeit und Vielseitigkeit von Lastenr?ädern unter Beweis stellen
• Studenten zur Umsetzung weiterer nachhaltiger Projekte motivieren

4.1.2 Einsatzgebiet

Neben dem oben erl?auterten Transport des SolarSoundSystems soll das elektrifizierte Lastenrad allen Studierenden und Hochschulangeh?örigen der HTW zur Verf?ügung stehen. ?Über ein geplantes Verleihsystem soll das Lastenrad zum Beispiel f?ur gr?ößere Eink?äufe, kleine Umz?üge oder einfach nur f?ür Aus flüge genutzt werden. Eine Nutzung von einleuchtend e.V. Projektpartnern und Kooperationen ist ausdr?ücklich erw?ünscht.

4.1.3 Projektstand

Durch das erfolgreich abgeschlossene Projekt in Kooperation mit der Firma Moghul Rikscha Berlin wurde bereits Erfahrung in der Auslegung und Bau eines Antriebsystems gesammelt. Die Planung besteht dementsprechend in der Anpassung der Komponenten. Des Weiteren h?ängt die Umsetzung von der Finanzierung der weiteren Bauteile ab. Besonders die Lithium- Ionen-Akkus sind ein großer Kostenfaktor. Nach dem erfolgreichen Testen der Mechanik k?onnten in den n?ächsten Wochen die Vorarbeiten f?ur die solare Elektrifizierung beginnen.

4.1.4 Einleuchtend e.V. stattet Selbstbaurad mit Elektromotor aus