Studie zum Bau eines Vierrades (Quad)

Heute folgt noch eine Fahrt durch Schlaglöcher, diesmal in der Ebene:

Eine Anmerkung noch zu den Radkästen an den vier Rädern des Quad. Normalerweise sollen "Schutzbleche" gegen Wassersprühen schützen. Da es zur Zeit meiner Testserie trocken war, bin ich in den ersten 10 Tagen ohne Radkästen gefahren. Womit ich jedoch nicht gerechnet hatte, war der Sand auf den Wegen, der von den Rädern aufgewirbelt und von vorne auf die Siebdruckplatte geschleudert wurde. Von den Hinterrädern gelangte der Sand in den Bereich der Ritzel und der Stoßdämpfer. Ich habe daher trotz Trockenheit die Radkästen montiert. Die vorderen Radkästen hatte ich schon mal weiter oben beschrieben. Die hinteren bestehen aus 10 mm starken Streifen einer Gymnastikmatte, die vorne am Schwingenprofil und am Bresmsschlauch geklemmt sind. Hinten sind sie an den Haltedrähten normaler Schutzbleche befestigt.
Die Enden der hinteren Radkästen hatte ich anfangs sehr weit nach unten gezogen. Dadurch bekamen sie beim Einfedern Bodenkontakt, was zum Einreißen im Bereich des Bremsschlauches führte. Ein anderes Mal hat sich vermutlich ein feuchter Lehmklumpen zwischen Radkasten und Reifen gequetscht, was zum Verbiegen der Haltedrähte und Zerbrechen der Kettenspanner, an dem die Drähte festgeschraubt waren, führte.
 
Heute folgt der letzte Film meiner Belastungstest:


Ich wollte gerne wissen, wie sich der Antrieb mit den beiden Freiläufen in den Hinterrädern am Berg auf losem Schotter verhält. Bei meinen Versuchen ist allerdings kein Rad durchgedreht, es flog nur Splitt durch die Gegend.
 
Nach den Belastungstests im Oktober/November folgten jetzt im Dezember die Bergtests und ein Test im Flachland. In der Stadt Hagen in Westfalen, die ich gut kenne, bin ich die Straßen mit den höchsten Steigungen bergauf gefahren:
  • Treppenstraße in Altenhagen mit 28 %
  • Ewaldstraße in Wehringhausen mit 27 %
  • Kleiststraße in Eppenhausen mit 23 %
  • Böhmerstraße in der Stadtmitte mit 27 %
Von der Böhmerstraße (90 m über NN) bin ich weiter bergauf gefahren, am Bismarckturm vorbei, hoch zum Sendemast auf dem Riegerberg in 335 m Höhe. Dann ging es auf dem Bergrücken weiter zum Kaiser Friedrich Turm, bergab zur Gastwirtschaft Hinnenwiese, weiter auf der Straße Im Kettelbach zur ehemaligen Gastwirtschaft Egge bis zu dem Ort Zurstraße. Von dort bergab bis zum Wanderweg im Mäckinger Bachtal. Diesen Wanderweg bin ich parallel zum Mäckinger Bach knapp 5 km bergab, bis zum Parkplatz des Freilichtmuseums, gefahren, eine echte Mountainbike Abfahrt mit teilweise überspültem Weg. Dabei wurde am rechten vorderen Radkasten der ziemlich tief sitzende untere Spritzschutz teilweise abgerissen, so daß die rechte Seite des Quads von Spritzsfontainen überspült wurde. Hat großen Spaß gemacht.

Die Flachlandtour begann auf dem Radweg am Fuße der Hohensyburg auf der Südseite des Hengsteysees Richtung Herdecke, am Nordufer des Harkortsees bis nach Wetter, über die Ruhrbrücke an der Südseite des Harkortsees zurück nach Herdecke und weiter bis zum Startpunkt. Auf dieser Flachlandstrecke konnte ich mal so richtig in die Pedale treten und über lange Strecken trotz unebenen Asphaltweges die Pedelec Höchstgeschwindigkeit von 25 km/m halten.
 
Hallo Gerhard. Vielen Dank für dem Bericht. Kling ja super, so als mache dein Quad jetzt was es soll / du willst. Bin gerade überrascht, das wir so nahe beieinander wohnen, ich hatte dich viel weiter im Süden vermutet.
VG Edgar
 
Bin gerade überrascht, das wir so nahe beieinander wohnen, ich hatte dich viel weiter im Süden vermutet.
VG Edgar

Ich habe 20 Jahre in Hagen gelebt. Jetzt wohne ich am Nordrand des Vogelsberges und fahre gelgegentlich nach Hagen zum Verwandtenbesuch.
 
Servus,

was ich bisher noch nicht so richtig verstanden habe: Wie ist die Schwingenlagerung auf der Antriebswelle gelöst? Da ist doch kein Platz mehr für Kugellager bei dem Wellendurchmesser?

Gruß,
Patrick
 
Servus,

was ich bisher noch nicht so richtig verstanden habe: Wie ist die Schwingenlagerung auf der Antriebswelle gelöst? Da ist doch kein Platz mehr für Kugellager bei dem Wellendurchmesser?

Gruß,
Patrick

In der ersten Version, beschrieben in Beitrag 1 und 7, hatte ich

"die Tretlager (Innenlager) aus den Schwingen herausgeschraubt und durch Euro BB Innenlager http://www.bike-mailorder.de/Bike-Teile/Innenlager/Euro-BB-Innenlager-fuer-BMX-Kurbeln-19-22mm.html 22 mm Innendurchmesser ersetzt. Da die Welle nur 20 mm Durchmeser hat, habe ich Aluhülsen mit 20 mm Innendurchmesser und 22 mm Außendurchmesser in die Euro-BB-Innenlager gepreßt."

Diese Art der Schwingenlagerung auf der Welle fand im Beitrag 25 Kritik von titanium2006.

In Beitrag 103 habe ich beschrieben, wie ich Welle und Schwingenlager getrennt habe:

"Die von titanium2006 in Beitrag 25 kritisierte Verbindung der Schwinge mit der Welle habe ich mit der neuen Welle geändert. Die Hinterradschwingen sind jetzt losgelöst von der Welle in einem U-Profil aufgehängt. Dabei konnte ich aber keinerlei bessere Fahrbedingungen oder Geschwindigkeitssteigerungen feststellen. Damit die Kette zwischen den äußeren Ritzeln auf der Welle und den Freilaufritzeln der Hinterräder nicht schief verläuft, ist der Abstand zwischen den Ritzeln am Wellenende und dem U-Profil lediglich 1 mm."

In Beitrag 105 ist die dritte, jetzige Version mit meinen selbstgebauten XYZ Spaceframe Hinterradschwingen mit Fotos dokumentiert. Wenn man genau hinschaut, kann man erkennen, daß zwischen Sinterbronze-Schwingenlager zwischen den Flacheisen, Schraube mit Sechskantschraubkopf und Welle eine Lücke von ca. 1 mm besteht.
 
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Servus,

was ich bisher noch nicht so richtig verstanden habe: Wie ist die Schwingenlagerung auf der Antriebswelle gelöst? Da ist doch kein Platz mehr für Kugellager bei dem Wellendurchmesser?

Gruß,
Patrick
In Beitrag 103 habe ich beschrieben, wie ich Welle und Schwingenlager getrennt habe:

In Beitrag 105 ist die dritte, jetzige Version mit meinen selbstgebauten XYZ Spaceframe Hinterradschwingen mit Fotos dokumentiert. Wenn man genau hinschaut, kann man erkennen, daß zwischen Sinterbronze-Schwingenlager zwischen den Flacheisen, Schraube mit Sechskantschraubkopf und Welle eine Lücke von ca. 1 mm besteht.

Wichtig in diesem Zusammenhang ist noch, wie auf den Fotos in Beitrag 117 zu sehen, der Linksantrieb (LHD, Left Hand Drive) des Freilaufritzels am rechten Hinterrad. Beide Schwingenlager haben keinen Kontakt zur Welle,wobei die Wellenmittelpunktachse und die Schwingelagernmittelpunktachsen miteinander eine Fluchtlinie bilden.
 
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Hi,
die Geländegängigkeit ist ja schon enorm. (y)

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Auf diesem Bild kann man allerdings gut sehen, wie stark sich der Querträger aus Holz beim einseitigen Einfedern verzieht (die beiden gelben Längsträger der Ladefläche sind nicht mehr parallel).
Das bedeutet, dass ein nicht geringer Teil des Federwegs durch das Verwinden der Holzplatte entsteht. Das kann, wenn es so bleibt, auf Dauer zum Bruch der Bodenplatte führen, denn die auf dem Bild erkennbare Verwindung ist für so eine Platte auf Dauer zu viel.

Und dann ist mir in den Videos noch aufgefallen, was ich vor einiger Zeit schon mal gefragt hatte: Die Bedienung der Lenkung scheint anders herum als üblich zu sein:
Rechter heben nach vorn = Kurve nach rechts.
Linker Hebel nach vorn = Kurve nach links.

Das ist genau anders herum als bei der bei Trikes oft benutzten Untenlenkung. Ist das so gewollt? Wenn ja, warum?
 
Auf diesem Bild kann man allerdings gut sehen, wie stark sich der Querträger aus Holz beim einseitigen Einfedern verzieht (die beiden gelben Längsträger der Ladefläche sind nicht mehr parallel).
Das bedeutet, dass ein nicht geringer Teil des Federwegs durch das Verwinden der Holzplatte entsteht.
Das Verwinden der Holzplatte habe ich auch schon bemerkt, ich hätte wahrscheinlich besser die 24 mm Platte weiter benutzen soll, habe sie aber, um Gewicht zu sparen, gegen eine 18 oder 21 mm Platte getauscht.

Das kann, wenn es so bleibt, auf Dauer zum Bruch der Bodenplatte führen, denn die auf dem Bild erkennbare Verwindung ist für so eine Platte auf Dauer zu viel.

Das hat im Dezember zum Bruch der Welle geführt, siehe #276 im Der neue "unsere zerstörten Teile"-Thread

Und dann ist mir in den Videos noch aufgefallen, was ich vor einiger Zeit schon mal gefragt hatte: Die Bedienung der Lenkung scheint anders herum als üblich zu sein:
Rechter heben nach vorn = Kurve nach rechts.
Linker Hebel nach vorn = Kurve nach links.

Das ist genau anders herum als bei der bei Trikes oft benutzten Untenlenkung. Ist das so gewollt? Wenn ja, warum?

Gewollt ist das nicht, hat sich halt so ergeben. Ich komme gut damit zurecht und kann aber nach wie vor ohne Probleme mit meinem Anthrotech Trike die "normale" Trike-Untenlenkung benutzen.

Im Moment bin ich mit einer Neukonstruktion eines hinteren Querträgers aus Stahl beschäftigt. Auf diesem Querträger ist die Welle befestigt und die beiden Enden nehmen die Hinterradschwingen auf. Eigentlich wollte ich damit im kommenden Sommer beginnen, durch den Bruch der Welle habe ich die Arbeit vorgezogen. Diese Arbeit ist für mich allerdings sehr schwierig, da ich mit meinen bescheidenen Werkzeugen nicht immer die erforderliche Exaktheit beim Bearbeiten der Werkstücke einhalten kann.

Ich hoffe, daß ich in der nächsten Woche den hinteren Querträger mit dem Zentralrohr verbinden kann, entweder mit der XYZ Spaceframe Methode oder alternativ mit einer Kreuzklemme oder einem Winkelklemmstück http://www.rk-rose-krieger.com/fileadmin/catalogue/verbindungstechnik/vt_verbindungstechnik_de.pdf

Dann müssen noch die Arbeiten um den Sitz herum, eine nochmalige Verkürzung des Radstandes um 5 bis 10 cm und in Verbindung damit eine Unter dem Sitz Lenkung gebaut werden.
 
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Das hat im Dezember zum Bruch der Welle geführt
Das Verwinden der Bodenplatte hat sicher nicht zum Bruch der Welle geführt. Die Lagerböcke lassen wahrscheinlich eine gewisse Biegung der Welle zu.
Vom Bruchbild der Welle sieht es nach einem klassischen Torsionsbruch am kleinsten Wellenquerschnitt aus.
Dadurch, dass du das gesamte Drehmoment über die Schraube, die quer durch die Welle geht, überträgst, hast du im Bereich der Bohrung enorme Scherkräfte.

Das kann man mit einem einfachen Trick lösen:

Die Übertragungsleistung einer Welle ist Drehmoment * Drehzahl. Man kann also das Drehmoment und damit die Torsionsbelastung der Welle stark verringern, in dem man sie mit einer höheren Drehzahl laufen lässt. Du bräuchtest dafür nur alle Ritzel auf der Welle durch kleinere ersetzen. Die Welle würde dann vom Schaltgetriebe schneller angetrieben und dann zu den Rädern wieder untersetzt werden. Insgesamt bliebe dadurch dein Gesamtübersetzungsverhältnis gleich, aber die Welle wäre weniger durch Torsion belastet.
Das Gleiche kannst du alternativ auch erreichen, in dem du die Ritzel am Schaltgetriebe und den Rädern größer wählst.

Der Effekt ist relativ groß: doppelte Drehlzahl, bedeutet nur noch halbes Drehmoment, das übertragen werden muss...
 
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Das Verwinden der Bodenplatte hat sicher nicht zum Bruch der Welle geführt. Die Lagerböcke lassen wahrscheinlich eine gewisse Biegung der Welle zu.
Vom Bruchbild der Welle sieht es nach einem klassischen Torsionsbruch am kleinsten Wellenquerschnitt aus.
Dadurch, dass du das gesamte Drehmoment über die Schraube, die quer durch die Welle geht, überträgst, hast du im Bereich der Bohrung enorme Scherkräfte.

Ein Musterbeispiel für einen Dauerschwingbruch.
Das Loch war der "Ansatzpunkt", die Last war ziemlich wahrscheinlich die sich durchbiegende Platte (von hinten gesehen biegt sie sich zur mitte hin durch. Und ein 20mm Stahlrohr ist sehr sehr steif im Vergleich zur Holzplatte).
Die ganz feinkörnige, matte Fläche auf der Stirnseite der Welle ist der Schwingbruch. Immer ein Stückchen mehr. Das Raue im Inneren ist der "Gewaltbruch", der dann eintrat, als die Welle schon zu sehr geschwächt war.

???
 
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Kann gut auch eine Kombination aus beidem gewesen sein.
Die Spannungsspitzen werden aber höchstwahrscheinlich von der Wellenbiegung kommen. Das "zermürben" dann von der Torsion.
Aber eine 20mm Vollstahlwelle verträgt weit über 200Nm..
 
Tja, zwei "Experten", zwei Meinungen. :D

Aber ich denke beides ist richtig. Die Welle ist durch Torsion und Biegung beansprucht. Ich versuche mal eine ausführlichere Betrachtung:

Torsion: Wie schon zuvor erwähnt, ist die zu übertragende Antriebsleistung Drehzahl * Drehmoment. Das die Welle belastende Drehmoment ist über den gesamten Abstand von Antriebs und Abtriebszahnrädern auf der Welle jeweils konstant. An der Stelle des Antriebsritzels, allerdings, wechselt sie das Vorzeichen.

Biegung: Die Bodenplatte verwindet sich zwar recht stark (wie in dem weiter oben erwähnten Bild zu sehen) aber die Durchbiegung in Querrichtung kann man dort leider nicht erkennen. Dadurch, dass sich aber unmittelbar vor der Welle der Sitzkasten mit seiner Rückwand befindet, vermute ich, dass dort die Konstruktion örtlich recht biegesteif (aber nicht verwindungssteif) in Querrichtung ist.
Allerdings: die Welle ist insgesamt mit vier Lagern gelenklos gelagert. Durch diese "Zwangsführung" entstehen Biegespannungen, die in der Mitte der Welle, dort, wo das Antriebsritzel sitzt, am größten sind.

Torsions- und Biegespannungen überlagern sich, so dass der gefährdete Wellenabschnitt (mit maximalen Gesamtspannungen) genau der ist, auf dem das Antriebsritzel sitzt. Ausgerechnet dort ist auch der kleinste Querschnitt (wegen der Verschraubung).
-> Sehr ungünstig!

Es gibt mehrere Lösungsansätze:
  1. Biegespannungen senken durch weiteres Aussteifen der Bodenplatte in Querrichtung. -> höheres Gewicht, Nutzen gering, da Biegung nicht weit genug reduziert werden kann (Querträger aus Holz - arbeitet immer!).
  2. Biegespannungen komplett eliminieren durch Einbau von Kardangelenken direkt rechts und links an den inneren Lagerböcken. -> Sehr effektive Lösung, aber evtl. höheres Gewicht/Aufwand.
  3. Torsionsspannungen senken durch eine höhere Wellendrehzahl (wie weiter vorne beschrieben). -> Kostet kaum Gewicht. Relativ wenig Aufwand.
  4. Wellenquerschnittsfläche am gefährdeten Querschnitt durch eine kraftschlüssige Klemmverbindung statt formschlüssiger Bolzenverbindung. -> evtl. nicht so einfach zu realisieren, Gefahr des Durchrutschens bei Spitzenbelastung durch Antrieb.
Sorgenfrei wird die Konstruktion sicher durch die Kombination von #2 und #3.

Die Hohlwelle durch eine Vollwelle zu ersetzen bringt bei der Sachlage so gut wie nichts.
 
Und dann ist mir in den Videos noch aufgefallen, was ich vor einiger Zeit schon mal gefragt hatte: Die Bedienung der Lenkung scheint anders herum als üblich zu sein:
Rechter heben nach vorn = Kurve nach rechts.
Linker Hebel nach vorn = Kurve nach links.

Das ist genau anders herum als bei der bei Trikes oft benutzten Untenlenkung. Ist das so gewollt? Wenn ja, warum?

Das hängt mit der Befestigung des Drehpunktes der Lenkhebel zusammen. Da der Sitz mitsamt Holzsockel ursprünglich vorne hochklappbar sein sollte, mußte ich als Befestigungort der Lenkhebel die Bodenplatte neben dem Sitz wählen. Der Drehpunkt der Schubstangen ist dann oberhalb des Drehpunktes der Lenkhebel. Daraus ergibt sich, rechter Lenkhebel vor, linker Lenkhebel zurück: Rechskurve; linker Lenkhebel vor, rechter Lenkhebel zurück: Linkskurve.

Da ich nach dem letzten Umbau nur noch die Spannsitzfläche hochklappe und der Holzsockel auf der Bodenplatte festgeschraubt ist, könnte ich nun die Lenkhebel an den Seiten des Holzsockels festschrauben und die Schubstangen am unteren Ende der Lenkhebel befestigen. Daraus würde sich ergeben, rechter Lenkhebel vor, linker Lenkhebel zurcük: Linkskurve linker Lenkhebel vor, rechter Lenkhebel zurück: Rechtskurve.
 
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