Ausarbeitung Konzeption

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Studienarbeit Notfallshuttle

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2. Aufstellen einer Funktionsstruktur der Rad- und BremseinheitZu Beginn der Konzeption entschloss das Team sich dazu, eine allgemeine Funktionsstruktur der Rad- und Bremseinheit, anhand des Anforderungskatalogs, zu erstellen.

Ausgehend von dieser Funktionsstruktur wurde die zu erbringende Funktionalitt in Teilfunktionen zergliedert und damit begonnen, Konzepte fr die Erfllung dieser Teilfunktionen zu finden. Die Teilfunktionen wurden abgeleitet als : Beschleunigung in alle Raumrichtungen ermglichen, Beschleunigung in alle Raumrichtungen verhindern, Bewegungsrichtung des Notfallshuttles auf eine Achse begrenzen, Signal vom Benutzer entgegennehmen, Signal an den Rahmen weiterleiten, Signal an alle Rder verteilen und Schutz vor gefhrlicher Wechselwirkung mit Kabeln.

3. Konzeptfindung fr die Teilfunktionen der Rad- und Bremseinheit

Zu Beginn der Konzeptfindung wurde durch Diskussion der Gruppe allgemein jede Lsung, die eine elektrische Spannungsquelle erfordert, ausgeschlossen. Sowohl der Wartungsaufwand, als auch die absolute Funktionssicherheit, gerade auch im Zusammenspiel mit Flssigdesinfektion und dem Einsatz von Defibrillatoren knnten sonst nicht optimiert werden. Des Weiteren erwies sich das frei drehbar gelagerte Rad als einzig sinnvolles Fortbewegungskonzept. Fr das Verhindern von Bewegung in alle Raumrichtungen wurde beschlossen ein Bremskonzept, das direkt am Rad wirkt, zu suchen, fr das Sperren der Achse ein Formschlssiges Konzept, um keine groen Krfte einsetzen zu mssen. Die Ergebnisse wurden auf Vor- und Nachteile untersucht und in eine Lsungsmatrix eingetragen.

3.1.Radkonzepte :

3.1.1.Die Bockrolle :

Hierbei handelt es sich um ein sehr einfaches Bauteil, bei dem eine symmetrische Blechhlle in ihrer Mitte einen Bolzen enthlt, an dem ein Rad befestigt ist.Diese kann man als Fertigteile normgerecht bei vielen Herstellern kaufen. Zentrales Problem dieser Teillsung ist das geringe Drehmoment, dass an der Lagerung des Blechrahmens entsteht, versucht man die Richtung des Shuttles zu ndern. Ein weiteres Problem stellt die Anforderung dar, eine Bremse anbringen zu knnen, da hierfr nur Raum links und rechts des Blechrahmens frei bleibt.

3.1.2.Die Bockrolle mit Rohrbefestigung: Im Gegensatz zur einfachen Bockrolle wir das Rad an sich hier um ein Rohr gelagert, das seinerseits an einem Rohr befestigt ist. Die Konstruktion bleibt sehr einfach, wobei man aber nun Mechanik in den Rohrrahmen einbringen kann. Das Problem des geringen Drehmoments besteht weiter.

3.1.3.Die Apparaterolle: Bei der Apparaterolle ist im Gegensatz zur Bockrolle die haltende Blechstruktur nicht zentralsymmetrisch ber dem Rad, sondern seitlich versetzt. Auch diese kann als Fertigteil normgerecht bezogen werden. Ihr groer Vorteil ist das Drehmoment, das durch die Exzentrische Lagerung entsteht, wenn das Shuttle in eine neue Fahrrichtung beschleunigt wird. Dies wird allerdings dadurch erkauft, dass ein Biegemoment auf den Blechrahmen hinzukommt, was durch die Belastung mit dem Gewicht des Patienten und des Shuttles verursacht wird. Zudem findet man hier auch mehr Platz fr das Anbringen eines Bremssystems.

3.1.4.Die Apparaterolle mit Rohrbefestigung : Die Apparaterolle kann auch in einer Variante, durch Rohre befestigt ausgefhrt werden. Ein Rad wird rechts und links auerhalb des Rohres, durch einen Bolzen befestigt.Hier zeigt sich analog zur Bockrolle mit Rohrbefestigung, ein Vorteil bei der Einbringung von Mechanik in das Rohr. Allerdings reagieren Rohre empfindlicher auf Biegemomente.

3.1.5.Die Vollgehuse-Rolle : Bei der Vollgehuse-Rolle ist die Idee, die Rolle in ein komplett umschlieendes Gehuse einzubetten, das den Bolzen aufnimmt, aus dem nur das Rad als wenige Millimeter groe Erhhung herausragt. Das Gehuse geht verjngt sich nach oben in ein Rohr, das etwas dezentral ber dem Rad steht.Diese Variante bietet einen Kompromiss bezglich des Drehmoments und des Biegemoments. Sie bietet auch bereits einen inhrenten Schutz gegen das Einziehen von Schluchen, sowie einen Schutz vor Verschmutzung der Lagerung des Rades, da nur ein geringer Spalt zwischen Rad und Gehuse verbleibt. Das Einbringen von Mechanik ist in die Rohrhalterung mglich. Das Vollgehuse ist im Vergleich zu allen anderen Mglichkeiten aufwndiger zu konstruieren, schwieriger auszulegen und limitiert die einsetzbaren Fertigungsverfahren durch die komplizierte Form.

3.2.Bremskonzepte :

3.2.1.Die Backenbremse : Bei der Backenbremse wird das Rad durch Reibung mit den Bremsbacken, die auf das Rad gedrckt werden, gebremst. Das Konzept ist sehr einfach zu konstruieren, gut auslegbar und leicht zu Warten, weil man nur den Zustand der Backen und der Mechanik prfen muss, die im ungebremsten Zustand leicht zugnglich sind. Der Platzbedarf fllt allerdings seitlich recht hoch aus und die Backen sammeln Schmutz und sind klassische Verschleiteile. Die Funktionssicherheit ist durch die begrenzte Flche auch nicht maximal.

3.2.2.Die Scheibenbremse : Die Scheibenbremse ist der Backenbremse sehr hnlich, nur das hier eine ganze Scheibe an das Rad gedrckt wird, im Gegensatz zu einem Klotz.Der Verschlei verringert sich. Die Bremskraft und damit die Funktionssicherheit erhhen sich im Vergleich zur Backenbremse.

3.2.3.Formschlssige Feststellbremse : Bei diesem Konzept drckt sich ein Dorn von oben sich in einen Zahnkranz, der am Rad befestigt ist, ein. Durch den Formschluss bedingt handelt es sich hier um eine reine Feststellbremse und nicht mehr um ein Konzept, das ein beschleunigtes Rad bremsen kann. Die Funktionssicherheit wird im Gegenzug maximal. Die Konstruktion ist simpel und leicht auszulegen. Das Konzept des Dorns kann gut in einem Rohr untergebracht werden. 3.2.4.Klassische Keilbremse : Bei der Keilbremse wird ein Keil auf die Radflche gedrckt und bremst so durch seine Reibung das Rad.Das Prinzip ist sehr einfach, gut auszulegen und verbraucht wenig Platz. Da der Keil auf die Radflche drckt sammelt er allerdings jede Art von Schmutz, ber die das Rad hinwegrollt und durch die geringe Auflageflche mit dem Rad wird sich auch ein hoher Verschlei, begnstigt durch die Verschmutzung, einstellen.

3.2.5.Keilbremse in Radfhrung : Im Gegensatz zur klassischen Keilbremse wird hier die Druckflche des Keils dem Rad angepasst und der Keil wird von oben sich zwischen Rad und Rohr gedrckt.Der Verschlei sinkt durch die hhere Auflageflche und der Keil kann im Rohr eingebracht werden. Der Aufwand fr die Auslegung steigt allerdings und der Keil sammelt unvermindert Schmutz.

3.3.Achssperrungskonzepte :

3.3.1.Vierecks-Formschluss : Hier findet durch einen Quader (mit leicht abgerundeten Ecken), der auf der drehbaren Oberseite des Rades aufgebracht ist und einer entsprechenden Negativform auf der nichtdrehbaren Seite, ein Formschluss statt, indem diese beiden Formen bereinander geschoben werden. Die Funktionssicherheit ist hervorragend und der Verschlei minimal. Das Konzept ist leicht auszulegen und gnstig zu fertigen. Zentraler Nachteil ist, dass um die Formen bereinander zu schieben die Rollen eine annhernd richtige Stellung bereits innehaben mssen, ansonsten lsst sich der Formschluss nicht erreichen. Die abgerundeten Kanten verbessern dieses Verhalten nur marginal.

3.3.2.Polyggonzug-Formschluss : Auf der Suche nach einer Formschluss Positiv- und Negativform, die bei Aufbringung von gengend Kraft automatisch eine richtige Stellung des Rades herbeifhren knnte, wurde das Konzept entwickelt eine allseits abgerundete, elliptische Form, hnlich einer Schneekugel zu fertigen, die in eine Negativform gedrckt immer in die richtige Stellung bezglich der Achse rutschen wrde.Die Funktionssicherheit ist unverndert hoch und die Mglichkeit, unter Aufbringung von gengend Kraft, das Rad aus jeder Stellung heraus in eine achsgesperrte Stellung zu bringen gegeben. Dies wird allerdings durch eine nur noch im Guss fertigbare Form erkauft, bei der unter Ausnutzung ihres Vorteils richtungsunabhngig zu sein sehr hoher Verschlei auftreten wird.

3.3.3.Kraftschluss durch Zugbnder : Bei dieser Variante wird von der grundstzlichen Idee eines Formschlusses abgewichen und zum Kraftschlussprinzip bergegangen. Seitlich an einer rechteckigen Form entlang, die starr mit dem Rad verbunden ist, werden Metallbnder angebracht, die unter Zug gesetzt werden knnen. Es ist zu gewhrleisten, das, solange die Metallbnder entlastet sind, gengend Freiraum besteht um die rechteckige Form frei zu drehen. Soll die Achse gesperrt werden, werden die Metallbnder unter starken Zug gesetzt und drcken so das Rad in die Richtige Achsrichtung und halten es dort.Das Prinzip ist als kraftschlssiges, nicht so funktionssicher wie ein formschlssiges. Die Werkstoffanforderungen an die Metallbnder sind enorm hoch und bedingt durch die bentigten Lngennderungen wird viel Platz bentigt im Tragrahmen bentigt. Der Verschlei wird sehr hoch ausfallen und den Wartungsaufwand erhhen. Allerdings ist auch dieses Prinzip unabhngig von der Ausgangsrichtung.

3.4.Signaleinleitungskonzepte :

3.4.1.Fupedale : Bei dieser Form der Signaleinleitung gibt der Nutzer ein Signal an die Radeinheit in dem er auf ein Pedal tritt und es dadurch in eine von drei Schaltstellungen bewegt.Zentraler Vorteil dieser Variante ist, dass sie gltiger Krankenhausstandard ist fr Betten, dem Personal also hinreichend vertraut. Sie erlaubt dem Bediener seine Hnde frei zu halten und vereinfacht die Konstruktion dahingehend, dass die Pedale in unmittelbarer rumlicher Nhe zu den Rdern angebracht werden knnen.

3.4.2.Hebel : Bei dieser Variante wrde man per Hand einen Hebel in eine von drei Schaltstellungen bringen um das Bett zu steuern.Das System bietet gegenber den Fupedalen nur den Vorteil der bequemeren Bedienung, ansonsten tauchen alle Vorteile des Fupedals hier als Nachteile auf.

3.5.Signalbertragungskonzepte :

3.5.1.Schubgestnge : Hier ist die Idee ber ein Gestnge Schub und Zugkrfte weiterzugeben. Hebel dienen dazu um die Krfte um Ecken zu bertragen.Die Kraftbertragung ist sehr gut und mit wenig Verlust verbunden. Das Gestnge hat allerdings recht hohen Platzbedarf und hohes Gewicht und ist dadurch relativ teuer.

3.5.2.Drehgestnge : Das Drehgestnge ist weitgehend analog zum Schubgestnge, nur wird statt Zug, Druck ein Moment bertragen. Die Schnittstellen fallen also anders aus.

3.5.3.Seilzug : Der Seilzug ist das denkbar einfachste Prinzip und kann nur Zugkrfte bertragen. Jedoch auch um Ecken.Vorteile sind, das geringe Gewicht, sowie geringer Platzbedarf und hohe Flexibilitt bezglich des Weges. Allerdings erkauft man dies durch einen wesentlich geringen Wirkungsgrad der Kraftbertragung im Vergleich zum Gestnge, sowie Verschlei, gerade im Zusammenhang mit Ecken. Seilzge sind als Normteile erhltlich.

3.5.4.Bowdenzug : Der Bowdenzug ist im Wesentlichen eine Erweiterung eines Seilzugs um eine starre Plastikhlle, die den Verschlei, gerade im Zusammenhang mit Ecken verringert, aber die Flexibilitt herabsetzt.Bowdenzge sind auch als Normteile erhltlich und sind so eine sehr gnstige Variante.

3.6.Konzepte fr den Kabelfang :

3.6.1.Schutzhlle mit Textilborsten : Um das Rad wird eine Glockenfrmige Schutzhlle gefasst, die ber Textilborsten Kontakt zur Unterlageflche besitzt.Diese Lsung verhindert effizient das Einziehen von Kabeln in das Rad oder das berrollen dieser. Nachteilig wirkt sich aus, dass die Borsten jede Art von Schmutz sammeln und mit sich nehmen. Zustzlich sind Textilborsten schlecht zu reinigen. Die Funktionssicherheit fllt hoch aus.

3.6.2.Schutzhlle mit Gummilippe : Werden die Textilborsten durch eine Gummilippe ersetzt erleichtert dies die Reinigung und verringert das Anhaften von Schmutz. Der Schmutz wrde bei dieser Lsung allerdings wohl von den Rdern durch die Rumlichkeiten verteilt und die Funktionssicherheit fllt geringer aus.

3.6.3.Quadratisch angeordnete Gummibolzen : Ordnet man um das Rad quadratisch 4 Gummibolzen an, knnte diese effizient das Wechselwirken des Rades mit Kabeln und Infusionsschluchen verhindern.Die Funktionssicherheit ist auch hier hoch, die Schmutzaufnahme gering. Die Bolzen sind leicht zu reinigen, allerdings ist das Design nicht ansprechend und schadensanfllig durch Kollisionen mit herumliegenden Teilen.

3.6.4.Rolleninhrenter Schutz : Verwendet man das Radkonzept mit Vollgehuse, kann sich ein Kabel oder ein Infusionsschlauch nicht einklemmen oder vom Rad eingezogen werden. Der Schutz wre als inhrent, ohne Mehraufwand zu bewerkstelligen.Nachteil ist hier klar, dass diese Variante ein vor dem berrollen nicht schtzen kann. Sie sammelt allerdings keinerlei Schmutz bietet eine hohe Funktionssicherheit und eine hervorragende Optik.

4. Auswahl zueinander kompatibler Teilfunktionskonzepte

Nachdem Lsungen fr die Teilfunktionen gefunden wurden, erarbeitete die Gruppe, aus der Konzeptmatrix, welche Prinzipien den Anforderungen am besten gengen und zueinander passen.

4.1.Auswahl eines Radkonzepts :

Diskussion :

Bei den Radkonzepten findet man als Auswahlkriterien den Konstruktionsaufwand, die Aufnahme der Krfte durch die Geometrie, das Drehmoment, das an der Lagerung zum unbeweglichen Teil auftritt, bei einem Kraftvektor auerhalb der Fahrtrichtung und den Aufwand bei der Reinigung der Einheit, sowie die Kosten. Da, nach erster Diskussion kein Konzept einen Konsens herbeifhren konnte hat sich die Gruppe entschlossen eine Entscheidungstabelle anzufertigen.

Anfertigen einer Entscheidungstabelle :

Entscheidung :

Das Konzept der Vollgehuserolle erringt in der Entscheidungstabelle einen knappen Vorsprung, hauptschlich durch seine gute Kompromissbildung. Daher entschied sich die Gruppe fr dieses Prinzip.

4.2.Auswahl eines Bremskonzepts :

Diskussion :

Zur Auswahl eines Bremskonzepts kann man als Kriterien vor allem die Funktionssicherheit, aber auch die geometrischen Randbedingungen, die das Rad vorgibt heranziehen. Von zentraler Bedeutung sind auch die Verschleieigenschaften des Bremssystems, des Weiteren die Hygienefreundlichkeit, Wartungsfreundlichkeit und das Design. Auch hier konnte durch Diskussion kein Konsens erzielt werden, welches Konzept zu verwenden ist und eine Entscheidungstabelle angefertigt.

Anfertigen einer Entscheidungstabelle :

Entscheidung :

Trotz des sehr knappen Vorteils fr die Keilbremse in der Radfhrung, gegenber der Formschlussbremse entschied sich die Gruppe aufgrund des besseren Werts bezglich der geometrischen Randbedingungen und der Kraftschlssigkeit, fr dieses Prinzip.

4.3.Auswahl eines Achssperrungskonzepts :Diskussion :

Bei der Auswahl des Konzepts fr den Formschluss erwiesen sich Zuverlssigkeit des Konzepts, Verschleieigenschaften und Funktionssicherheit als wichtigste Argumente.Ein weiterer wichtiger Punkt der Diskussion war das Recherchieren des Standards in Krankenhusern. Dabei wurde festgestellt, dass es Standard ist, Rollen, fr eine Achssperrung, vor Einleiten des Signals, durch Bewegen in eine geeignete Richtung, in die richtige Position fr einen Formschluss zu bewegen.Das Konzept des Kraftschlusses durch Zugbnder wurde verworfen, da die Gruppe ausreichende Werte fr Funktionssicherheit und Verschleibestndigkeit fr nicht erreichbar hlt.Das Konzept des Polygonzug-Formschlusses ist vielversprechend, allerdings msste man um einen akzeptablen Verschlei zu gewhrleisten, in der Gewhrleistung darauf hinweisen, dass die Mitarbeiter den Vorteil dieses Konzepts, den Formschluss bei 90 versetzter Stellung der Rder herbeizufhren mglichst nicht ausntzen drfen. Da diese Forderung die Sinnhaftigkeit des Vorteils zerstren wrde erweist sich das Konzept des Polygonzug-Formschlusses als nicht plausibel.

Entscheidung :

Die Gruppe entscheidet sich fr das Konzept des Viereck-Formschlusses, da die Diskussion dieses eindeutig als Bestes ergeben hat.

4.4.Auswahl eines Signaleinleitungskonzepts :Diskussion :

Die Diskussion ber die Auswahl eines Signaleinleitungskonzepts wird dominiert vom Argument des gltigen Krankenhaus Standards. Da Fupedale der Standard sind und die Hnde des Bedieners frei lassen, erfllt dieses Konzept die Anforderungen.Die Lsung, das Signal ber Hebel per Hand einzuleiten ist nicht Standard und zwingt den Bediener Dinge aus der Hand zu legen. Damit ist dieses Konzept nicht plausibel.

Entscheidung :

Die Gruppe entscheidet sich fr Fupedale, da die Diskussion diese klar als einzig plausible Lsung ergeben hat.

4.5.Auswahl eines Signalbertragungskonzepts :

Bei der Diskussion von Signalbertragungskonzepten ergab sich, dass es grundstzlich zwei Arten von Signalbertragungswegen am Notfallshuttle gibt, die etwas andere Anforderungen an die bertragung stellen. Es gibt einerseits die Signalbertragung der Fupedale an den Tragrahmen, die geringe Gre, das geringe Gewicht und hohe die Flexibilitt erfordert und andererseits die bertragung der Fupedale zu den einzelnen Rdern, bei der hohe Kraftbertragung und maximale Funktionssicherheit im Vordergrund stehen.Entsprechend ergibt sich daraus, dass fr die Signalbertragung an den Tragrahmen nur Bowdenzug oder Seilzug plausibel ist, wohingegen fr die bertragung an die einzelnen Rder die Gestnge-Konzepte zu bevorzugen sind. Beim Schubgestnge kann sich im Gegensatz zum Drehgestnge, bei unsanfter Bedienung, teilweise Stofrmige Belastung ergeben, was auf Dauer den Verschlei im Vergleich erhhen wrde. Die Diskussion des Bowdenzugs gegenber dem Seilzug ist eine reine Kostenfrage, da der Bowdenzug den Vorteil der hheren Verschleibestndigkeit aufweist aber geringfgig kostenintensiver ist.

Entscheidung :

Da das Drehgestnge, gegenber dem Schubgestnge keine Nachteile bietet, aber einen Vorteil in der Verschleibestndigkeit entscheidet die Gruppe sich fr dieses Konzept fr die Signalbertragung der Pedale zu den Rdern.Fr die bertragung an den Tragrahmen entscheidet sich die Gruppe fr den Bowdenzug, da die Funktionssicherheit und Wartungsfreundlichkeit entsprechend des Anforderungskatalogs von hherer Prioritt als die Kosten sind.

4.6.Auswahl eines Kabelfangkonzepts :

Diskussion :

Anhand der vorangegangenen Entscheidung fr die Vollgehuserolle war bei der Diskussion des Kabelfangs der inhrente Schutz bereits festgelegt. Die Diskussion beschrnkte sich darauf, ob ein zustzlicher Schutz gegen berrollen erforderlich ist, da der inhrente Kabelfang nicht dagegen schtzt, sondern ausschlielich gegen Verdrehen und Klemmen eines Schlauchs oder Kabels.Nach Recherche im Krankenhaus ergab sich, dass die Hauptgefahr von Infusionsschluchen ausgeht und vom Durchreien solcher. Ein berrollen erfolgt zumeist ohne grere Folgen. Ein Kabelfang, der verhindert, dass ein Kabel berrollt wird und stattdessen mitgezogen wrde, wre also sogar kontraproduktiv.

Entscheidung :

Aus der Diskussion ergibt sich, dass der inhrente Kabelfang den Anforderungen voll gengt.

5. Aufstellen eines Gesamtkonzepts fr die Rad- und Brems-einheit

Fr die Aufstellung des Gesamtkonzepts wurde beschlossen von den einzelnen Rdern an vorzugehen und anschlieend die mechanische Verknpfung zu entwickeln.

5.1.Gesamtkonzept der Radeinheit :

Um das Gesamtkonzept fr eine einzelne Radeinheit zu przisieren wurde mit einer mastblichen Skizze begonnen. Dafr musste eine grobe Richtgre fr die Gre des Rads bestimmt werden. Aus dem Anforderungskatalog lsst sich entnehmen, dass eine 5% Steigung berfahren werden knnen muss. Geometrisch lsst sich dieses Problem zur Extremwertuntersuchung eines Dreiecks in einem Rechteck vereinfachen. Der Winkel des Dreiecks ist konstant (der Winkel den die 5% Hrde beschreibt 180- ; 2,86). ndert man die Seitenlngen des Dreiecks (verfhrt das Bett) beschreibt der obere Endpunkt ein Kreissegment unter dem Rechteck. Es ist also ersichtlich, dass nur die Hhe des gleichschenkligen Dreiecks berechnet werden muss. Man erhlt die Hhe als 35mm. Dieser Wert bercksichtigt aber weder, das die Rder ihren tiefsten Punkt nicht direkt am uersten Rand des Notfallshuttles erreichen, noch Sicherheit gegen herumliegende Gegenstnde. Wir whlen nach dieser Abschtzung 80 mm als Durchmesser fr unser Rad.Ausgehend von der Gre des Rads wurde nun die Skizze fr das Gesamtkonzept erstellt.

Skizze :

Ein feststehender Teil des Rads wird am Tragrahmen verschraubt. In ihm ist drehbar gegenber dem Bett, durch Kugellager, der Rohrfrmige Teil des Radgehuses eingelagert. Dieses Umschliet einen Bolzen, der ber ein Kugellager ein Rad hlt, das seitlich vom Gehuse umschlossen wird. Im rohrfrmigen Teil des Gehuses luft der Keil bis zum Rad, er wird im Grundzustand von einer Feder gehalten. Im gebremsten Zustand Drckt der Bolzen, den die Feder umschliet, den Keil gegen das Rad und bremst es somit. Bolzen und Feder laufen geradlinig durch eine Bohrung in den Tragrahmen. Dabei passieren sie mittig den Formschluss der Radeinheit, bei dem auf dem drehbaren Teil ein Wrfel angeordnet ist mit abgerundeten Kanten, der im Achsgesperrten Zustand von einer entsprechenden Negativform, die vom Starren Teil des Rads herabgedrckt wird, umschlossen ist.5.2.Gesamtkonzept fr die Signalmechanik :

Fr die Signalmechanik war die Frage zu klren wie die Fupedale angeordnet werden sollten und wie viele davon. Entscheidend fr die Klrung ist es, die Fahrtrichtung des Shuttles zu definieren, da sie vorgibt an welcher Seite die sperrbare Achse anzubringen ist. Die Gruppe entschied sich dafr, um maximale Flexibilitt zu erreichen, beide Fahrrichtungen zu ermglichen. Dies wird erreicht indem beide Achsen gesperrt werden knnen. Fr diese Funktionalitt ist es zweckmig, sowohl am Kopf- als auch am Fuende des Shuttles ein Pedal zur Signaleinleitung anzubringen. Diese werden genau Symmetrisch bedient, um bei einem Tritt auf den vorderen Teil des Pedals in Blickrichtung immer denselben Schaltzustand zu erreichen. Die Pedale wurde beschlossen sollen ihr Drehmoment auf ein Drehgestnge bertragen. Es ist einfach an der Welle, die das Moment des Pedals aufnimmt, jeweils rechts und links ein Pedal anzufgen. Dies verbessert die Bedienbarkeit weiter, da nun an jeder Ecke des Shuttles ein immer gleich zu schaltendes Pedal angebracht ist. Wird eine Welle in einen neuen Schaltzustand berfhrt bertrgt sie diesen Zustand an die gegenberliegende Welle des Kopf-/Fuendes durch ein Drehgestnge. Die Wellen rasten ber gefederte Keile, die in Nuten der Welle drcken, ein. Die zentrale Welle, die den Schaltzustand zwischen Kopf- und Fuende vermittelt, vermittelt ber einen Bowdenzug an den Tragrahmen.

6. Konstruktion der Rad- und Bremseinheit6.1. Auswahl geeigneter Werkstoffe :

Aufgrund von Randbedingungen durch den Fahrrahmen musste auf das Konzept 2 Pedalwellen zu montieren verzichtet werden und auf eine Welle ausgewichen werden. Als Werkstoff fr das komplizierte Rad und das Radgehuse, sowie die Pedale wurde eine Aluminiumdruckgusslegierung ausgewhlt um diese einfach und kostengnstig herzustellen: EN AC-AL Si9Cu3. Fr die meisten anderen Teile wurde der Edelstahl X5CrNi18-10 (V2A) ausgewhlt um die sichere Korrosionsbestndigkeit und die nicht-ferromagnetischen Eigenschaften zu gewhrleisten. In das Rad wird per Spritzgussverfahren eine Polyamid Laufflche eingebracht, um gnstige Reibungs- und Verschleieigenschaften zu erreichen. Die Federelemente werden aus Polypropylen gefertigt, da dieses Material passende Eigenschaften im E-modul sowie der Zhigkeit aufweist.

6.2. Auswahl geeigneter Zukaufteile :

Fr die Wellengelenke bietet sich Artikelnummer: 63071300 des Herstellers Mdler an. Dieser Hersteller bietet auch passende Kegelrder an Artikelnummer: 36050700. Die groe Druckfeder zum Feststellen der Welle kann man als Artikelnummer: 0X-DF2496 des Herstellers Febrotec erhalten.Vom Hersteller Abrams bekommt man den gewhlten Edelstahl fr die Wellen bereits passend als 10mm Halbzeuge.Das Kugellager ist erhltlich vom Hersteller LFD Wlzlager.

6.3. Fgeverfahren :

Grtenteils werden einfache Bolzen-, Splint- und Schraubverbindungen eingesetzt, um die Kosten niedrig zu halten und ein Lsen der Verbindung zur Wartung oder berholung zu ermglichen. Die Fhrungselemente fr die Wellen werden direkt in den Rahmen geschweit bzw. hart geltet. Die Flansche auf den Radschften werden mit diesen verschweit um Dichtigkeit und die Abgeschlossenheit des Systems zu gewhrleisten. Wartung am Bremskeil kann durch Demontage des Rads erfolgen. Der Bolzen, der das Lochblech der Welle mit dem Lochblech der Bremse verbindet, muss auf eine passende Lnge geschnitten werden und in das Lochblech der Bremse eingeklebt werden, um ein Verrutschen zu vermeiden, damit die geometrischen Randbedingungen erreicht werden knnen. Praktischerweise empfiehlt es sich dann dieselbe Technik bei den beiden weiteren dort eingebrachten Bolzen zu verwenden.Das Federelement wird an seinen Enden mit berma gefertigt und verbindet Bremskeil und Federdeckel durch Presspassung.

7. Festigkeitsnachweis

Als gefhrdete Stelle der Rad- und Bremseinheit wurde die Schaltwelle, die tordiert wird bestimmt. Zu berechnen ist weiterhin ob die Bremskraft ausreicht um das Rad auch auf einer Schrge zu bremsen und ob das Rad an sich Bruchgefhrdet ist. Am Rad wre die erwartete Versagensstelle die Speiche des Rades.

7.1. Torsion der Schaltwelle :

Fr das Material der Schaltwelle wurde X5CrNi 18/10 (V2A) als Material ausgewhlt, dieses weist eine Streckgrenze auf.Das Polare Flchentrgheitsmoment der Welle berechnet sich aus: .Mit d = 10mm folgt daraus: .Das maximal wirkende Torsionsmoment berechnet sich daraus, welches Moment die Kraft unserer Feder maximal einer Bewegung der Welle entgegensetzt. Das zulssige maximale Torsionsmoment berechnet sich aus: der maximale Randfaserabstand r betrgt 5mm. Als Sicherheitsbeiwert whlen wir: . Aus der Gestaltnderungshypothese folgt, dass: .Das zulssige Moment, das maximal unterbunden werden darf, betrgt demnach 20,5Nm.

7.2. Berechnung der mindestens bentigten Bremskraft :

Die wirkende Hangabtriebskraft kann mit dem klassischen Model der schiefen Ebene berechnet werden aus: . Aus der geschtzten Gesamtmasse des Notfallshuttles von 250Kg und der Steigung von 5% ergibt sich eine Hangabtriebskraft von: .Fr die Berechnung der bentigten Bremskraft wird ein nicht berzogener Bremskeil angenommen, bei geeignetem berzug ist mit einem deutlich erhhten Wert fr die Haftreibung zu rechnen.Der Haftreibungskoeffizient von Polyamid auf Stahl findet sich im Tabellenwerk angegeben als: . Um sicher zu haften muss nach Coulomb: sein. Daraus folgt die Bremskraft muss grer als 245N.

7.3. Dimensionierung der Feststellfeder :

Nach Auswahl einer geeigneten Feder berechnen wir, ob diese die bentigten Bedingungen erfllt.Ausgewhlt wurde eine Feder der Federhrte: .Sie besitzt eine Grundlnge von 25mm, wird also im Grundzustand um 8mm gedrckt und bringt damit eine Kraft von auf. Um sie zu bewegen muss sie um weitere 2,5 mm gedrckt werden und erzeugt dann eine Kraft von: . Das Torsionsmoment, das maximal unterbunden wird, ergibt sich damit nherungsweise als N+1,1kN)/2, und fllt damit kleiner aus als der errechnete maximal zulssige Wert von 20,5 Nm.

7.4. Berechnung des Gummifederelements :

In Gebremsten Zustand wird das Gummifederelement um 0,2mm gestaucht. Das E-modul des Polypropylens ist im Tabellenwerk mit angegeben. 0,2mm Lngennderung entspricht einer Gesamtstauchung von: 0,016% . Das Federelement kann nur dort gestaucht werden wo es sich ausdehnen kann da das Polypropylen annhernd Inkompressibel ist. Die Querschnittsflche betrgt am freien teil . Die resultierende Kraft durch die Stauchung betrgt damit: . Das Lochblech wirkt wie ein Hebel mit einer Lnge von 7,7mm es wirkt also an der Welle ein Drehmoment von: . Die Feststellfeder kann also sicher gengend Kraft aufbringen, um ein Lsen der Bremse zu verhindern. Die nun wirkende Bremskraft betrgt: . Ein sicheres Bremsen kann somit gewhrleistet werden.

7.5. Festigkeitsnachweis der Radspeichen :

Die Festigkeit der Radspeichen soll in Nherung bestimmt werden. Wir nehmen dazu an, dass eine Speiche gerade das gesamte Gewicht trgt und vereinfachen die Speiche zu einem rechteckigen Stab des dnnsten Durchmessers der Speiche. Als Werkstoff wurde EN AC-AL Si9Cu3 ausgewhlt. Fr deren Ersatzstreckgrenze findet man: .Der Modellstab hat dann eine Querschnittsflche von: . Damit betrgt die maximal zulssige Kraft: . Die zulssige Gesamtlast, die das Rad aufnehmen kann betrgt: . Ein Rad wrde somit im schlechtesten, zu erwartenden Fall erst bei einer Last von 713Kg brechen.

Muster leerEntscheidungstabelle RadeinheitBockrolleApparatenrolleVollgehuse-RolleApparaterolle mit RohrBockrolle mit RohrTeilanforderungGewichtungErfllungsgradTeilsummeErfllungsgradTeilsummeErfllungsgradTeilsummeErfllungsgradTeilsummeErfllungsgradTeilsummeKonstruktionsaufwand210201020612816816Drehmoment4141040936104014Hygienefreundlichkeit224241020714714Beanspruchung3103026618261030Kosten210209187149181020ansprechendes Design1555577333300000Ergebnis83931079787Gewichtung :1 = Wichtigkeit geringErfllugsgrad:0 = nicht erfllt5 = Wichtigkeit hoch10 = optimal erfllt

Muster ausgeflltEntscheidungstabelle 2 (Scorecard)Lsung 1Lsung 2Lsung 3Lsung 4TeilanforderungGewichtungErfllungsgradTeilsummeErfllungsgradTeilsummeErfllungsgradTeilsummeErfllungsgradTeilsummeFunktionssicherheit5945000geometrische Randbedingung4416000Sicherheitsanforderungen5840000Hygienefreundlichkeit2510000Wartungsfreundlichkeit166000ansprechendes Design326000Handlingsfreundlichkeit47280000000Ergebnis151000Gewichtung :1 = Wichtigkeit geringErfllugsgrad:0 = nicht erfllt5 = Wichtigkeit hoch10 = optimal erfllt

Muster leerEntscheidungstabelle BremseinheitBackenbremseScheibenbremseFormschlssigeKeilbremseKeilbremse in RadTeilanforderungGewichtungErfllungsgradTeilsummeErfllungsgradTeilsummeErfllungsgradTeilsummeErfllungsgradTeilsummeErfllungsgradTeilsummeFunktionssicherheit55258401050735735geometrische Randbedingung4145203128321040Verschlei44167281040416624Hygienefreundlichkeit261251081636816Wartungsfreundlichkeit31030824515824515ansprechendes Design100223300101000000Ergebnis87124136113140Gewichtung :1 = Wichtigkeit geringErfllugsgrad:0 = nicht erfllt5 = Wichtigkeit hoch10 = optimal erfllt

Muster ausgeflltEntscheidungstabelle 2 (Scorecard)Lsung 1Lsung 2Lsung 3Lsung 4TeilanforderungGewichtungErfllungsgradTeilsummeErfllungsgradTeilsummeErfllungsgradTeilsummeErfllungsgradTeilsummeFunktionssicherheit5945000geometrische Randbedingung4416000Sicherheitsanforderungen5840000Hygienefreundlichkeit2510000Wartungsfreundlichkeit166000ansprechendes Design326000Handlingsfreundlichkeit47280000000Ergebnis151000Gewichtung :1 = Wichtigkeit geringErfllugsgrad:0 = nicht erfllt5 = Wichtigkeit hoch10 = optimal erfllt

Tabelle3