Einblick hinter die Kulissen! Warum ein Karussell und funktioniert das überhaupt? |
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Ein Forschungsprojekt, entstanden aus der Zusammenarbeit zwischen der Universität Innsbruck und dem Trailbauunternehmen ErdbauMatzke. Beteiligte Personen: Christoph Matzke*; Lorenz Kiesel*; Liz Zimmer**; Barbara Schneider-Muntau** |
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Auf den ersten Blick wirkt die Konstruktion etwas futuristisch und ähnelt eher einem G-Kräfte Simulator als etwas, das mit Mountainbiken zu tun hat. Und dann kommt da noch eine LKW Achse ins Spiel… In diesem Newsletter erfährst Du genaueres über den Aufbau der Konstruktion und wie die ersten Versuche verlaufen sind. |
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ALU-PROFILE, LKW ACHSE & ELEKTRISCHER GETRIEBEMOTOR Das ‘Gerippe’ des Karussells besteht aus Alu-Profilen, die je nach Bedarf individuell angepasst werden können. Aluminium Stangen werden durch Verbindungs-elemente, wie Schrauben und Muffen aber auch bewegliche Gelenke, kombiniert und es entsteht ein leichtes und verwindungs-steifes Konstrukt. Die Grundform bei unserem Projekt besteht aus 4 Auslegern, die mit Zwischenstreben stabilisiert werden. Die Ausleger sind gegen Ende durch bewegliche Gelenke verbunden, um eine vertikale Bewegungsfreiheit der Räder bei den Durchläufen zu gewährleisten. |
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Bereits in der Planung wurde dieser Aspekt als sehr wichtig eingestuft, da somit einerseits wie auch in der ‘Realität’ das Rad während der Fahrt vom Boden abheben kann und andererseits die Belastung auf die Gesamtkonstruktion und besonders auf den Kern (Achse und Motor) reduziert wird. |
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Im Zentrum der Apparatur befinden sich die Elemente, die das Ganze zum Drehen bringen. Eine durchtrennten LKW Achse, die an der Schnittseite mit einer Stahlplatte verschweißt wurde, stabilisiert das Karussell am Boden während das obere, drehbare Ende, das Gerippe trägt und durch eine Klauenkupplung mit dem Motor verbunden ist. Bei dem Motor handelt es sich um einen elektrischen Getriebemotor, der das Karussell stufenlos zwischen 1 und 20 km/h drehen lässt. Gehalten wird der Motor von Stahlträgern, wovon einer horizontal über die restliche Apparatur verläuft und mit zwei weiteren an den Wänden verschraubt ist. |
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Bezogen auf die Planung und Vorbereitung hat dieser Teil des Projekts die meisten rauchenden Köpfe verursacht. Begonnen mit den Überlegungen, wie sich das Ganze überhaupt bewegen soll: Wäre ein Pendel in einer Bowl nicht auch eine Option? Oder ein vertikaler, statt horizontaler Drehmechanismus, um eine Gerade Spur zu erzeugen? Braucht es nicht auch ein Hinterrad pro Ausleger? Im Endeffekt wurde sich für die Form des Karussells entschieden. Auch in bisherigen Forschungsarbeiten, die sich – wenn auch in erster Linie im Straßenbau – mit der Entstehung von Bodenwellen befassen, hat sich die Form des Karussells als effektiv und mit Erfolg durchgesetzt. |
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Obwohl dadurch ‘nur’ Kurven gefahren werden können, bietet das Karussell einige Vorteile: - simpler Aufbau, Reduzierung von möglichen Fehlerquellen - - kostenschonend - - effiziente Nutzung der Fläche, es wird keine große Halle benötigt - - viele Überfahrten durch 4 Ausleger und durchgehenden Bodenkontakt - - einfacher Zugang zu den Anbauteilen (Einstellung der Bremsen, Anpassung der Federgabeln etc.) - |
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Ein weiterer wichtiger Aspekt, besonders in Bezug auf die Forschung ist die Wiederholbarkeit. Damit Ergebnisse auch tatsächlich Ergebnisse und nicht bloß Zufälle sind, müssen die Rahmenbedingungen so geschaffen sein, dass man Versuche möglichst identisch wiederholen kann. Um an dieser Stelle Komplikationen zu reduzieren, werden möglichst einfache Bedingungen geschaffen, die trotzdem gute Ergebnisse erzielen. |
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MTB SETUP, PODEST & FAHRBAHN Zurück zum Karussell: Am äußeren Ende der Ausleger befinden sich die MTB Setups. Diese bestehen aus handelsüblichen Mountainbike Komponenten, nämlich aus Reifen, Laufrädern, Federgabeln, mechanischen Scheibenbremsen, Lenkern und Vorbauten. Zu Zeiten in denen Fahrrad-komponenten wie diese fast Bitcoin Werte erreichen, konnte das Forschungsbudget durch die Unterstützung von bike-components und deren Exklusivmarke LEVELNINE sowie die Unterstützung durch Michelin geschont werden. Auffallend und von der Realität abweichend ist wiederum, dass die Federgabeln nahezu senkrecht in die Konstruktion eingespannt sind. Auch hierbei handelt es sich um die ‘einfachste’ Umsetzung, die langfristig optimiert werden kann. |
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Damit für den Aufbau der Fahrbahn aus natürlichem Boden, nicht die komplette Halle aufgeschüttet werden musste, wurde eine Holzkonstruktion gebaut, die einen Rundkurs formt. Die ca. 30 cm hohe Podestkonstruktion besteht aus Konstruktionsholz und ist mit einer Schicht Sperrholzplatten (Seekiefer) beplankt. Siebdruckplatten dienen als wasserabweisende Nutzschicht. Der Kreis für die Laufbahn ist ca. 1 Meter breit. Die jeweiligen MTB Setups können entlang des Aluprofils verschoben werden, sodass die Fahrspur umpositioniert werden kann und beispielsweise verschiedene Überlappungsszenarien der 4 Setups durchgeführt werden können. Mittig der Podest-Unterkonstruktion wurde ein Sockel aus Beton gegossen, worauf die Stahlplatte mit LKW-Achse an Gewindestangen befestigt ist. |
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TRIAL & ERROR, DIE ERSTEN VERSUCHE Das Karussell steht, Laufräder sind in Position, Stecker in die Steckdose…Sicherung raus! Es wäre auch zu schön gewesen wenn alles auf Anhieb funktioniert hätte. Nachdem das Stromproblem über einen Zwischenschalter gelöst wurde, konnten die ersten Probeumdrehungen gemacht werden. Bei offenen Bremsen gab es von der grundsätzlichen Funktionsfähigkeit her seitdem keine großen Schwierigkeiten mehr. Allerdings bei der Stabilität musste nachgeholfen werden. Die vier Ausleger mussten durch eine weitere Zwischenstrebe miteinander verbunden und jeweils ein drittes Gelenk pro Ausleger verbaut werden. Zusätzlich mussten alle Schrauben nochmal gelöst und mit Schraubensicherung wieder angezogen werden. |
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Auch das Verhältnis zwischen Motorleistung und Bremskraft bedurfte einiges an Feingefühl. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass die Bremsen nicht zu stark blockieren dürfen, da sonst ‘die Antriebswelle durchrutscht’ statt das Karussell zu drehen. Da mechanische Bremsen mit weniger Aufwand ein- und umzustellen sind, wurden diese verbaut – wenn auch in der Praxis eher unüblich. Damit die Bremsleistung während der jeweiligen Versuchsdurchläufe konstant bleibt, mussten allerdings die Bremshebel entfernt werden und der Bremszug direkt am Bremssattel justiert werden. Somit ließ sich der Bremsverlust während des jeweiligen Durchlaufs auf ein Minimum reduzieren und die Bremseinstellung wurde wiederholbar. |
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Auch an der Positionierung der Laufräder wurde anfangs hin und her probiert, um herauszufinden, wie man am ehesten relevante Ergebnisse erzielt: - Jedes Laufrad in eigener Spur: Es können 4 unterschiedliche Einstellungen auf 4 Spuren gleichzeitig ausprobiert und verglichen werden
- Alle Räder auf einer Spur: simuliert 4 Überfahrten pro Umdrehung
- Alle Laufräder leicht überlappend: kommt der Realität am nächsten
Aktuell dient letztgenannte Variante als Grundeinstellung. Wenn alle Spuren überlappend verlaufen, kann die Fläche effizient genutzt werden und wie bereits erwähnt, ist der Vergleich mit realen Überfahrten auf gebauten Strecken am ehesten möglich. |
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Die Aufbereitung des Bodens war der nächste Punkt für den es eine systematische Herangehensweise benötigte, um langfristig vergleichbare Ergebnisse zu erzielen. Bei den ersten Versuchen ohne Vorbereitung (ausser das Material einzufüllen) hat sich schnell herausgestellt, dass ein zu trockener Boden zu schnell zu Erosionseffekten führt. Grobe Steine kamen zum Vorschein, Tiefe Schlaglöcher haben sich gebildet und das Feinmaterial hat sich vom restlichen Boden getrennt. Um dem entgegenzuwirken wurde die Fahrbahn bewässert, durch Rechenarbeit wurden große Steine entfernt und der Boden begradigt. Nach diesen Vorbereitungen war der Aufbau soweit ‘validiert’, dass wir mit den richtigen Versuchsdurchläufen starten konnten. |
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WAS DICH ALS NÄCHSTES ERWARTET Ein Projekt wie dieses entsteht nicht aus dem Nichts. Welche Arbeiten gingen dem Bau des Karussells voraus? Braucht es diese Konstruktion und Forschung überhaupt und was soll damit erreicht werden? All das erfährst du im nächsten Newsletter |
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Behind the scenesWhy is it a carousel & does it even work? |
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A Science project in cooperation between University of Innsbruck and trail building company ErdbauMatzke. People involved: Christoph Matzke*; Lorenz Kiesel*; Liz Zimmer**; Barbara Schneider-Muntau** |
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In fact this futuristic construction looks more like a NASA project than a mountain bike. And then there is this truck axle… In this newsletter you get technical details of the construction and some insights into the difficulties we had to face during the first turns. |
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ALUMINIUM PROFILES, TRUCK AXLE AND AN ELECTRIC MOTOR The "framework" of the carousel is made of aluminum profiles that can be individually adapted as required. Aluminum bars are combined with connecting elements such as screws and bushings but also movable links. With this material the construction stays light with low torsion. The basic shape of our project consists of 4 arms, which are stabilized with intermediate support. To guarantee enough vertical mobility, the four arms are separated in two parts each and combined with movable links. |
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This aspect was already classified as very important in the planning stage. On the one hand, as in 'reality', the wheel can lift off the ground while driving and on the other hand the load on the overall construction and especially on the core (axle and motor) is reduced. |
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The elements that make the whole thing turn around are in the middle of the construction. A severed truck axle, welded to a steel plate on the cut side, stabilizes the carousel on the ground while the upper rotating end carries the frame and is connected to the engine by a claw coupling. The motor is an electric gear motor that allows the carousel to rotate between 1 and 20 km/h. The engine is held in place by steel girders, one of which runs horizontally over the rest of the carousel and two others are bolted to the walls. |
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With regard to planning and preparation, this part of the project required most brainwork. Starting with the considerations of how the whole thing should move in the first place: Wouldn't a pendulum in a bowl also be an option? Or a vertical instead of a horizontal turning mechanism to create a straight track? Isn't there also a need for a rear wheel per arm? In the end, we chose the carousel design. This design has also proven to be effective and successful in previous research work that - albeit primarily in road construction - deals with the formation of bumps. |
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Although in this way we can only examine turns, the carousel offers a number of advantages: - simple structure, reduction of possible sources of error - - cost-effective - - efficient use of space, no need of a large hall - - many repetitions in short time due to 4 arms and continuous ground contact - - easy access to the add-on parts (adjustment of the brakes, adjustment of the suspension forks, etc.) - |
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Another important aspect, especially when it comes to research, is repeatability. So that results are actually results and not just coincidences, the general conditions must guarantee several (almost) consistent repetitions. In order to reduce complications at this point, the simplest possible conditions are created that still achieve good results. |
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MTB SETUP, PLATFORM & TRACK Back to the carousel: At the outer end of the aluminium arms you find the MTB setups. These setups consist of standard mountain bike components, namely tires, wheels, suspension forks, mechanical disc brakes, handlebars and stems. At times when bicycle components like these are really hard to get, the research budget was spared thanks to the support of bike-components and their exclusive brand LEVELNINE as well as the support of Michelin. Striking and deviating from reality is that the suspension forks are clamped almost vertically into the construction. This is also the "simplest" implementation that can be optimized in the long term. |
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To avoid that the entire hall had to be filled up with natural soil, a wooden structure was built that forms a circuit. The approx. 30 cm high platform is made of construction wood and is planked with a layer of plywood. Textured coated boards serve as a water-repellent wear layer. The circle for the running track is about 1 meter wide. The position of the MTB setups can be shifted along the aluminum profile so that the lane can be changed and, for example, different overlapping scenarios of the 4 setups can be carried out. A concrete base was built in the middle of the platform construction, on which the steel plate with the truck axle is attached to threaded rods. |
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TRIAL & ERROR – FIRST TRIES As soon as everything was set up, we tried to put the power on…and failed. Fortunately the electric issues were solved with a simple switch and the wheels started turning. Without braking, there have been no major problems in terms of basic functionality since then. However, the stability had to be readjusted. The four arms had to be connected to each other by a further intermediate strut and a third movable link had to be installed per arm In addition, all screws had to be loosened again and tightened again with threadlocker. One problem solved, a new one comes up… |
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This time it’s about the relationship between engine power and braking power. It required a certain amount of sensitivity because when braking too hard, the coupling won’t work properly and will stop turning the carousel. Since mechanical brakes are less effort to set up and change, these were installed - although they are rather unusual in practice. However, it turned out that the braking force changes during the process. To solve this problem, the brake levers were removed and the brake cable was adjusted directly at the brake caliper. This allowed the brake loss to be reduced to a minimum during each run and made the brake adjustment repeatable. |
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The positioning of the wheels was also tried back and forth in the beginning to find out how to most likely achieve relevant results: - Each wheel in its own track: 4 different settings can be tried and compared simultaneously
- All wheels on one track: simulates 4 passes per run
- All wheels slightly overlapping: comes closest to reality
Currently, the latter variant serves as the basic setting. If all lanes overlap, the area can be used efficiently and, as already mentioned, the comparison with real circumstances on built tracks is most likely to be possible. |
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The preparation of the soil was the next point for which a systematic approach was needed to achieve comparable results in the long term. During the first tests without preparation (except for filling in the material), it quickly became apparent that soil that was too dry would quickly lead to erosion effects. Coarse stones appeared, deep potholes formed and the fine material separated from the rest of the soil. To counteract this, the roadway was irrigated, raking was used to remove large stones, and the ground was straightened. After these preparations, the setup was 'validated' to the extent that we could start with the proper experimental runs. |
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WHAT'S NEXT? A project like this doesn't come out of nowhere. What work preceded the construction of the carousel? Is this construction and research necessary at all and what is it supposed to achieve? All this you will learn in the next newsletter |
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Dr. techn. Dipl.-Ing.Christoph Matzke | Andreas Hofer Straße 38, 6020 Innsbruck, Österreich *ErdbauMatzke; **Universität Innsbruck |
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