Mars Rover und ihre Räder

Dgoe

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Hallo Wotan,

danke für die Antwort, klingt vielversprechend. Ist doch recht frisch auf dem Mars, ja, wie war das denn bei dem Mondmobil?

Gruß,
Dgoe
 

SFF-TWRiker

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Du meinst Yutu / Chang'e 3?
Der Defekt trat wohl durch ein starkes Rütteln bei der Fahrt auf, der den Mechanismus beschädigte, mit dem die Solarpaneele den Hauptkörper in der Nacht bedecken.
 

Dgoe

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Du meinst Yutu / Chang'e 3?
Der Defekt trat wohl durch ein starkes Rütteln bei der Fahrt auf, der den Mechanismus beschädigte, mit dem die Solarpaneele den Hauptkörper in der Nacht bedecken.
Hallo SFF-TWRiker,

ach ja, das gab es ja auch noch. Nein, ich meinte eigentlich das Mondauto der Apollo-Mission, was meiner Erinnerung nach eine Art Reifen hatte. Und auf dem Mond sollte man sich nachts auch warm anziehen *scherz*, ich habe jetzt nicht nachgeblättert, wie kalt genau.

Dafür habe ich gerade folgendes gefunden:
:Werkstoffhybride Bauteile bei kryogenen Bedingungen
Besondere Anforderungen entstehen natürlich bei kryogenen Bedingungen (T < - 150°C), sei
es in der Wasserstofftechnik, in der Raumfahrt, bei supraleitenden Bauteilen usw. Auch hier
sind werkstoffhybride Strukturen, d.h. in CFK-Metallkombination oder anderen Werkstoffen,
erforderlich. Grundsätzlich verhält sich CFK bei kryogenen Temperaturen makroskopisch (!)
gesehen günstig. Steifigkeiten und Festigkeiten steigen mit abnehmender Temperatur leicht an
(Abb. 7), Wärmedehnungskoeffizienten werden (noch) kleiner.
Quelle
und hier
Faser-Kunststoff-Verbunde eignen sich aus mehreren Gründen gut für die Anwendung in der Tieftemperaturtechnik, d.h. im Satellitenbau, in der Supraleitungstechnologie, im Behälterbau für Flüssiggase usw.

Gruß,
Dgoe
 

Wotan

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Opportunity, Probleme der Räder und des Antriebs:

Der Rover hat auch Probleme mit dem rechten Vorderrad, erhöhter Stromverbrauch wie bei Spirit. Die Lenkung des rechten Vorderrads ist blockiert und steht auf 8° nach links. Der Rover fährt überwiegen rückwärts, dabei ist der Drehwiderstand des rechten Vorderrads geringer.
Alle Räder drehen sich, über 40 km und über 10 Jahre, Opportunity läuft und läuft und läuft... :)

Opportunity und Spirit sind die Räder und die Radlaufflächen in Ortung, Probleme liegen im Antriebssystem Motor Getriebe Lager oder Steuerung.

Grüße
Wotan

Inhaltsverzeichnis
Mars Rover und ihre Räder, Spirit und Opportunity
Fertigung
Konstruktionsanalyse der Räder
Konstruktionsanalyse der Räder, Schnitt B-B
Spirit, Probleme der Räder und des Antriebs
Opportunity, Probleme der Räder und des Antriebs
Fortsetzung folgt:
Curiosity und seine Räder
Konstruktionsanalyse der Curiosity Räder
 

Wotan

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Curiosity und seine Räder

Curiosity besitzt sechs unabhängig voneinander angetriebene Aluminium Räder von jeweils 50 cm Durchmesser und 40 cm Breite. Zur Lenkung des Rovers können die vorderen und hinteren Räder einzeln auch noch um eine senkrechte Achse gedreht werden. So können Drehungen am Ort oder Kurven, leichter gefahren werden. Die Gewichtskraft und das Drehmoment der Antriebsmotoren wird über 6 Speichen in die Radlauffläche eingeleitet.

Gewichtsverteilung
Mit seinen 6 Rädern ist der Rover ein statisch unbestimmtes, ein überbestimmtes, System, je nach Untergrund und Schräglage kann man die Gewichtsverteilung nur schlecht vorhersagen. Idealisiert man das System zum statisch bestimmten starren Körper mit 3 Punkt Auflage, verteilt sich die Masse von 900 kg auf drei Räder also 300 kg/Rad, bei waagerechten Standorten. Das ist statisch die größte mögliche Belastung pro Rad, dynamisch und bei Schräglagen sind höhere Belastungen denkbar aber aufgrund der geringen Geschwindigkeit würde ich diese erst mal vernachlässigen. Im Idealfall, Verteilung auf alle 6 Räder, stellt sich eine Belastung von 150 kg/Rad ein. Zum Vergleich bei Opportunity & Spirit entspräche das eine Belastung von 30 kg/Rad. Bei Opportunity entspricht die Radbelastung die eines Tretrollers mit Kind und bei Curiosity die eines Motorrades mit 2 Personen.

Die Belastung auf dem Mars:
Die Masse m ist überall gleich 900 kg auf der Erde sind auch auf dem Mars 900 kg. Erst die Gewichtskraft FG unterscheidet sich:
FG = m * g
mit:FG = Gewichtskraft in N
m = Masse in kg
g = Fallbeschleunigung oder auf der Erde Erdbeschleunigung in m/s[SUP]2[/SUP]
g[SUB]Erde[/SUB] = 9,81 m/s[SUP]2[/SUP]
g[SUB]Mars[/SUB] = 3,71 m/s[SUP]2[/SUP]


also:FG[SUB]Erde[/SUB] = 900kg * 9,81 m/s[SUP]2[/SUP] = 8829 N
FG[SUB]Mars[/SUB] = 900kg * 3,71 m/s[SUP]2[/SUP] = 3339 N


Curiosity erzeugt eine Gewichtskraft von 3,3 kN auf dem Mars und je nach Belastungsfall zwischen 0,6 und 1,1 kN pro Rad., dazu später mehr.

Grüße
Wotan

Inhaltsverzeichnis
Mars Rover und ihre Räder, Spirit und Opportunity
Fertigung
Konstruktionsanalyse der Räder
Konstruktionsanalyse der Räder, Schnitt B-B
Spirit, Probleme der Räder und des Antriebs
Opportunity, Probleme der Räder und des Antriebs
Curiosity
Curiosity und seine Räder, Gewichtsverteilung
Fortsetzung folgt:
Konstruktionsanalyse der Curiosity Räder
 

Dgoe

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Hallo Wotan,

ich freue mich über Deine Fortsetzungen.

Eine kleine Idee zum letzten Beitrag:
Man könnte anstatt kN-Angaben auch einen Umrechnungsfaktor einsetzen
(g[SUB]Erde[/SUB] = 9,81 m/s[SUP]2[/SUP]) geteilt durch (g[SUB]Mars[/SUB] = 3,71 m/s[SUP]2[/SUP]) = 2,64
150 kg / 2,64 = 56,73 kg

Auf dem Mars würde also jedes Rad einer Belastung von rund 57 kg ausgesetzt sein, in irdische Verhältnisse umgerechnet.
Die Belastung wäre dort also nicht anders, wie 57 kg hier.

Gruß,
Dgoe
 
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Wotan

Registriertes Mitglied
... Auf dem Mars würde also jedes Rad einer Belastung von rund 57 kg ausgesetzt sein, in irdische Verhältnisse umgerechnet. Die Belastung wäre dort also nicht anders, wie 57 kg hier.
Hallo Dgoe,
nie die Masse umrechnen das ist eine typische Fehlerquelle. Ich verstehe den Hintergrund, aufgrund der geringeren Gravitation auf dem Mars wirken dort andere Belastungen, um das zu veranschaulichen berechnest Du eine neue Masse und zwar die Masse die auf der Erde die gleichen Belastung hervorruft wie auf dem Mars. Jetzt berechnen wir einmal Kräfte für eine waagerechte Beschleunigung für den Rover oder eine Zentrifugalbeschleunigung bei Kurvenfahrten und das ganze einmal auf der Erde und einmal auf dem Mars. Die Formel ist F=m*a welche Masse setzen wir denn auf der Erde ein und welche auf dem Mars?
Merkst Du die Fehlerquelle? Wenn man unterschiedliche Massen berechnet hat neigt man dazu diese einzusetzen, das ist aber falsch. Deshalb hier noch einmal ganz deutlich: Ein Körper hat immer die selbe Masse egal wo er sich befindet Erde, Mars, Venus oder sonst wo ganz egal die Masse verändert sich nicht. Die Gewichtskraft die die Masse aufgrund von Gravitationsbeschleunigung erzeugt die ist unterschiedlich.
In der Altgassprache unterscheiden wir nicht zwischen Gewicht, Gewichtskraft und Masse oder versuche es einmal gehe einkaufen und verlange so viele Kartoffeln das eine Gewichtskraft von 10N auf die Waage einwirkt. ;)

Grüße
Wotan
 

Dgoe

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Jetzt berechnen wir einmal Kräfte für eine waagerechte Beschleunigung für den Rover oder eine Zentrifugalbeschleunigung bei Kurvenfahrten und das ganze einmal auf der Erde und einmal auf dem Mars.
Hallo Wotan,

da hast Du wohl recht, die Trägheit, bzw. Masse bleibt die Selbe. Bei Beschleunigungen wäre es natürlich fatal den Umrechnungsfaktor zu benutzen*, dieser ist ausschließlich für das Gewicht geeignet.

Gruß,
Dgoe

P.S.:
... gehe einkaufen und verlange so viele Kartoffeln das eine Gewichtskraft von 10N auf die Waage einwirkt. ;)
Auf marsianischen Wochenmärkten vielleicht irgendwann mal Standard. :cool:

*: auch indirekt
 
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Wotan

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Curiosity und seine Räder

Hallo,
als nächstes beginnt die Konstruktionsanalyse der Curiosity Räder.
Die Konstruktionsanalyse ist ein Zurückverfolgen der im Konstruktionsprozeß gemachten systematischen und logischen Schritte sowie deren Analyse. Die so gewonnenen Details ermöglichen eine Technikbewertung sowie eine Bewertung der Fertigungsverfahren.

Grüße
Wotan
 

Wotan

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Konstruktionsanalyse der Curiosity Räder I

Die Räder und die Speichen sollen sich federnd und dämpfend verhalten, etwa wie ein Autoreifen aus Gummi. Die 50 cm großen Aluminium Räder bekommen ihre Stabilität von den Umkantungen (vertikalen Rand) auf der Innen- und Außen-Seite der Felge sowie der Befestigungsstege (Versteifungsringe) für die Speichen, die Stege und Umkantungen haben mehrere mm Materialstärke. Eine stabile Verbindung bilden die im Zickzack laufenden Profilrippen. Die Blechfläche zwischen den Profilrippen sorgt für eine gering Flächenpressung der Räder. Viele Werkstoffe verlieren bei tiefen Temperaturen ihre Duktilität, sie werden spröde. Risse entstehen gerne an Stellen an dehnen große Materielstärkeunterschiede aufeinander stoßen. Das ist an der Nahtstelle Laufflächenblech und Profilrippen der Fall. Zum Glück verhindert der zickzack verlauf der Profilrippen besonders lange Rißbildung, doch halt, wir haben ja noch den Morse-Code auf der Radlauffläche mit geraden Profilrippen über die komplette Radbreite. Hier können sich besonders lange Risse bilden und somit Blechsegmente der Lauffläche die nach innen gebogen werden. Diese nach innen gebogenen Blechsegmente könnten im schlimmsten Fall die Versorgungskabel der Radnabenmotoren beschädigen.

Curiosity Rad Frontansicht
Die Zeichnung zeigt das Rad aus der Fahrtrichtung, in dieser Darstellung befindet sich der Morse-Code unten. Die zur Schadensbeschreibung notwendige Numerierung beginnt mit der, in Fahrtrichtung gesehen, 1. Fläche zwischen den Profilrippen hinter dem Morse-Code. Die 1. Fläche ist durch eine gerade Profilrippe, vom Morse-Code, und eine im Zickzack verlaufende Profilrippe begrenzt. Die Segmente des Morse-Code werden mit Kleinbuchstaben bezeichnet. Die beiden Versteifungsringen an dehnen die Speichen befestigt werden sind als unsichtbare angedeutet.
Bildquelle: Eigenerstellung durch Wotan.

Curiosity Rad Seitenansicht
bei normaler Vorwärtsfahrt würde sich das Rad im Uhrzeigersinn drehen und sich nach rechts bewegen. Auch hier die Numerierung für die Schadensbeschreibung, gegen den Uhrzeigersinn. Die 1. und die 20. Fläche ist durch eine gerade Profilrippe, vom Morse-Code, und eine im Zickzack verlaufende Profilrippe begrenzt. Die Segmente des Morse-Code werden mit Kleinbuchstaben bezeichnet. Das Rad ist ohne Speichen und Antriebseinheit dargestellt.
Bildquelle: Eigenerstellung durch Wotan.

Grüße
Wotan

Inhaltsverzeichnis​

Mars Rover Spirit & OpportunityFertigung
Konstruktionsanalyse der Räder
Konstruktionsanalyse der Räder, Schnitt B-B
Spirit, Probleme der Räder und des Antriebs:
Opportunity, Probleme der Räder und des Antriebs:
Rover Curiosity und seine RäderGewichtsverteilung:
Konstruktionsanalyse der Curiosity Räder I
Fortsetzung folgt:Konstruktionsanalyse der Curiosity Räder II
Fertigung der Räder:
 

SFF-TWRiker

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Es ist ein Akronym für Jet Propulsion Laboratory J .--- P .--. L ._..
Durch diese Öffnung kann Sand/Staub wieder heraus, wenn festes Gelände erreicht wird.

Siehe mein link in #14
Ohne diese Öffnungen bliebe viel Sand/Staub aufgrund der seitlichen Schürzen im Rad.
 
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Wotan

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Hallo,
beim Morse-Code handelt es sich um Markierungen die pro Radumdrehungen in den Boden gedrückt werden um die zurückgelegte Wegstrecke zu messen, Odometrie (Wegmessung). Das hat wahrscheinlich die Marketingabteilung auf die Idee gebracht etwas Reklame auf dem Mars zu hinterlassen. Deshalb wurden die Odometrie Markierungen so gestaltet das diese die Morsezeichen für die drei Buchstaben J P L für Jet Propulsion Laboratory in den Sand drücken wie SFF-TWRiker gerade beschrieben hat. So ist der Spitznahme Morse-Code entstanden.

Grüße
Wotan
 

Wotan

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Konstruktionsanalyse der Curiosity Räder II

Curiosity Rad im Teilschnitt
Der Schnittverlauf befindet sich im Bereich des Morse-Code, im Hintergrund sieht man eine gerade verlaufende Profilrippe. Zwischen den beiden Versteifungsringen sieht man den Befestigungsflansch für die Speichen, 2 Sacklochbohrungen mit Gewinde. ältere Radvarianten haben hier eine Durchgangsbohrung und die Speiche wurde von der Radaußenseite verschraubt.
Bildquelle: Eigenerstellung durch Wotan.

Kraftverlauf
Die Gewichtskraft des Rovers wird über das Chassis auf die Wippen, Rocker-Bogie-System, auf die Antriebseinheiten der Räder übertragen. Hier kommt nun zur Gewichtskraft noch das von den Antriebsmotoren erzeugte Drehmoment hinzu. Die Kombination aus aus Gewichtskraft und Moment wird über den Antriebsflansch in die Speichen und dann über die Versteifungsringe auf die Radlauffläche übertragen. Da diese Stelle, Ansicht Y, asymmetrisch angeordnet ist, wird an der Seite an der sich der größere Teil der Radlauffläche befindet die größten Kräfte übertragen. Deshalb sind hier Details wie Übergangsradien von Bedeutung. In Belastungstest zeigt die NASA Räder mit Materialversagen genau an dieser Stelle, ein Rad das sich, durch Rißbildung, entlang der Versteifungsring in zwei Hälften geteilt hat.

Woman Working on Mars: Amanda Steffy
NASA Video mit Belastungstest der Curiosity Räder.

Einzelheit Y
zeigt die Versteifungsringe die als Befestigungsflansch für die Speichen genutzt werden. Auf vielen Fotos kann man diesen Bereich erkennen da er sich nicht verformt und sich deutlich in der Radaußenhaut abzeichnet.
Bildquelle: Eigenerstellung durch Wotan.

Bild von der Mastcam: Left (MAST_LEFT) onboard NASA's Mars rover Curiosity on Sol 494
zeigt wie sich die Versteifungsringe in der Außenhaut des Rades abzeichnen.
Bildquelle: NASA/JPL-Caltech/MSSS

Einzelheit Z
zeigt die Umkantung oder vertikaler Rand der Radaußenseite.
Bildquelle: Eigenerstellung durch Wotan.

Federungseigenschaften der Räder
die Räder wurden so fragil gebaut um natürlich Gewicht zu sparen und sie sollten sich verformen können damit federnde und dämpfende Eigenschaften entstehen.
Man wollte keine Klapperkiste, fahre einmal mit einem Einkaufswagen (stabile aber starre Räder) aus dem Supermarkt über Kopfsteinpflaster, dann weist du was eine Rappelkiste ist. Klappern rappeln sind wechselnde Beschleunigungen Vibrationen, diese führen in der Dauerfestigkeit zur Materialermüdung, Risse, Kontaktschwierigkeiten usw.. Deshalb hat man Federungseigenschaften, wie sie ein luftgefüllter Reifen gewährleistet, nach entwickelt.
Die Speichen, eine besondere Konstruktion, geben den Rädern nicht nur die Möglichkeit der radialen Verformung sondern auch Neigungen zur Achse werden gefedert und gedämpft.
In der Radkonstruktion steckt schon eine gewisse Redundanz, die Radeigenschaften mögen sich verschlechtern aber ist ein Totalausfall eher unwahrscheinlich, es sei denn verbogene Blechteile kappen die Verbindungsleitungen zu den Antriebsmotoren.

Grüße
Wotan

Konstruktionsanalyse der Curiosity Räder I

Fortsetzung folgt:
Fertigung der Räder​
 
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SFF-TWRiker

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Die NASA macht sich Sorgen über die Curiosity Räder alleine am 9.9.2014 wurden 20 Radbilder mit der MAHLI Kamera und 25 Radbilder mit der Mastcam gemacht.

Beispiel:
Dieses NASA Bild zeigt das hintere und das mittlere linke Rad.

Bildquelle: NASA/JPL-Caltech/MSSS


Grüße
Wotan

Der Rover macht alle 500 bis 1000m eine Überprüfungsfahrt, bei der die Räder Schritt für Schritt um 90° gedreht werden. In den 25' dazwischen werden die 6 Räder mit den Kameras überprüft.

http://curiosityrover.com/tracking/speedplot.php?drivenum=224
 

Wotan

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Curiosity und seine Räder

Hallo,

@Dgoe
Titan kommt beim Rover durchaus zum Einsatz aber bei den Radlaufflächen hat man sich für Aluminium entschieden, da für diesen Einsatzzweck das etwas bessere E-Modul.
Das Material scheint mir nicht das Probleme zu sein, das verwendete Aluminium ist schon eine hohe Materialqualität und bei Opportunity funktioniert es prima.


@SFF-TWRiker
Ja das alles weil man sich große Sorgen um die Räder macht.
Solange die Profilrippen das Rad zusammenhalten wird es weiter funktionieren.
Wenn nicht, Du kennst ja das Video mit dem halbierten Rad.
Viele LKWs haben die Funktion Räder die nicht benötigt werden anzuheben um den Rollwiderstand zu verringern, das geht beim Rover leider nicht.
Da die Stromaufnahme der Antriebsmotoren gemessen werden kann, könnte man den Antrieb für ein Problemrad so programmieren das weniger Leistung übertragen wird. Quasi ein Schongang für das Rad.

Machen wir mal eine Ideensammlung.
Wie kann man ein Rover-Rad schonen ?

1. Programmierung des Antriebs ändern, weniger Leistung übertragen.
2. ?

Bitte um weitere Vorschläge.

Grüße
Wotan
 
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