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Ermittelter Wirkungsgrad RC Fahrzeug
 
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jazzman



Anmeldungsdatum: 15.05.2021
Beiträge: 2

Beitrag jazzman Verfasst am: 15. Mai 2021 01:22    Titel: Ermittelter Wirkungsgrad RC Fahrzeug Antworten mit Zitat

Meine Frage:
Hallo Physiker,
ich habe mir ein RC Auto besorgt, allerdings finde ich die Technik/Elektronik im Fahrzeug wesentlich interessanter als das Fahren selbst.

Die eigentliche Frage ist, ist ein Gesamtwirkungsgrad von 60% realistisch?
Ich bin weder Physiker noch Elektroniker, nur ein alter interessierter Mann.

Die Variablen die ich kenne und messen kann:
Gesamtübersetzung des Fahrzeugs
Spannung an den Akkus
Geschwindigkeit des Fahrzeugs

Mechanische Variablen laut Hersteller:
Gesamtuntersetzung: 1:3,3 (also eine Reifenumdrehung braucht 3,3 Motorumdrehungen)
Reifenumfang: 110cm (auch selbst gemessen), Umfang = 345mm

Elektronische Variablen laut Hersteller:
Akku: 2 x 5000maH 50C 11,7V, also in Summe 23,4V (U) (also thoretisch 500A Dauerbetrieb lieferbar)
Regler: dauerhaft 300A und Spitzen zu 900A
Motor: bürstenlos 1650kv (rpm per Volt)

Unten die Daten und meine Rechnungen, ich vernachlässige rechnerisch sämtliche Roll/Luft und sonstigen mechanischen Probleme.
Auch vernachlässige ich rechnerisch elektrische unbekannte Variablen ala Widerstände in Kabel und Stecker, Aussentemperatur etc.

Meine Ideen:
Meine Rechnung:
Elektrisch:
Spannung am Motor: 2x11,7V = 23,4V
Drehzahl am Motor: 23,4Vx1650kv = 38610rpm
Drehzahl am Reifen: 11700rpm (Motor RPM / 1,33)

Mechanisch:
Entwicklung am Reifen: 345mm
V in mm/min: 4036500mm/min
V in m/min: 4036/min
V in m/s: 67m/s
V in km/h: 248km/h

Gemessen habe ich mehrmals 150km/h via GPS, was dann in Summe einen Wirkungsgrad des Gesamtsystems von 60% entspricht? Hab ich was falsch gerechnet?
Würde heissen, in den Akkus ist 100% Energie drin, und ich kann davon 60% in kinetische Energie umwandeln? Geschuldet Reibung, Widerstand etc.? Es kommt mir sehr viel vor ...

lg,
Marc
Steffen Bühler
Moderator


Anmeldungsdatum: 13.01.2012
Beiträge: 7226

Beitrag Steffen Bühler Verfasst am: 17. Mai 2021 11:57    Titel: Antworten mit Zitat

Willkommen im Physikerboard!

Wenn die Geschwindigkeit tatsächlich 150km/h statt 248km/h beträgt, ist der Wirkungsgrad sogar noch schlechter, denn die Energie ist proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit. Man muss die 60% also quadrieren, dann ergeben sich 36%.

Nur kann ich mir das genausowenig wie Du vorstellen. Die restlichen 64% müssen ja irgendwohingehen, sei es als Krach, sei es als Wärme etc. Du schreibst zwar nichts darüber, aber so heiß bzw. laut wird das Ding wohl nicht sein. Ein entsprechender Reifenabrieb wäre außerdem durchaus zu riechen.

Als erstes würde ich daher mal die tatsächliche Reifendrehzahl messen. Wahrscheinlich kommt da schon einiges weniger als angegeben. Auch die 150km/h sollten mal verifiziert werden.

Viele Grüße
Steffen
Frankx



Anmeldungsdatum: 04.03.2015
Beiträge: 981

Beitrag Frankx Verfasst am: 17. Mai 2021 14:15    Titel: Antworten mit Zitat

Da geht einiges durcheinander:


Zitat:
Reifenumfang: 110cm (auch selbst gemessen), Umfang = 345mm


Wahrscheinlich Reifendurchmesser 110mm (nicht cm)

Zitat:
Elektronische Variablen laut Hersteller:
Akku: 2 x 5000maH 50C 11,7V, also in Summe 23,4V (U) (also thoretisch 500A Dauerbetrieb lieferbar)


Ein Akkupack mit 2x5000mAh (was ist maH ?, Was ist 50C?) hält bei einer Belastung von 500A ca. 72s. Ist das Dauerbetrieb?

Regler: dauerhaft 300A und Spitzen zu 900A

Wie dick sind die Kabel bei diesen Strömen? Das soll ein Modellauto sein?

.....

usw.


.
hansguckindieluft



Anmeldungsdatum: 23.12.2014
Beiträge: 1212

Beitrag hansguckindieluft Verfasst am: 17. Mai 2021 14:49    Titel: Antworten mit Zitat

Frankx hat Folgendes geschrieben:

Ein Akkupack mit 2x5000mAh (was ist maH ?, Was ist 50C?) hält bei einer Belastung von 500A ca. 72s. Ist das Dauerbetrieb?


Den C- Wert musste ich auch erst nachschlagen:
https://oscarliang.com/lipo-battery-c-rating/

Demnach wären tatsächlich 250A Dauerentladestrom pro Akku möglich.
Da die Akkus anscheinend in Reihe geschaltet sind (23,4V bei 2x11,7V), bleibt es dann auch bei den 250A, und ergibt zusammen nicht 500A.

Ich frage mich auch, was das für ein Modellauto ist.
Dafür braucht man ja einen Waffenschein.

@jazzman:
Bei der tatsächlich erreichbaren Höchstgeschwindigkeit wird (bei den Geschwindigkeiten) der Luftwiderstand nicht unerheblich sein. Der ist auch bei einem realen Auto der größte limitierende Widerstand, wenn es um die Höchstgeschwindigkeit geht. Den Luftwiderstand hast Du in Deiner Rechnung nicht berücksichtigt, Du gehst einfach davon aus, dass die theoretische Drehzahl des Motors 1:1 in die Fahrzeuggeschwindigkeit umgesetzt werden kann.
Ich



Anmeldungsdatum: 11.05.2006
Beiträge: 913
Wohnort: Mintraching

Beitrag Ich Verfasst am: 17. Mai 2021 14:58    Titel: Antworten mit Zitat

Du kannst den Wirkungsgrad nicht bestimmen, weil du dazu die "auf die Straße gebrachte" mechanische Leistung messen musst. Und das tutst du nicht.

Deine Rechnung hilft auch nichts. Die 1650 Rpm/V sind vermutlich Leerlaufdrehzahl, also ohne dass der Motor Arbeit verrichtet. Wenn der Motor mit dieser Drehzahl laufen würde, dann wäre der Wirkungsgrad 0%, nicht 100%. Dass er nicht mit Leerlaufdrehzahl läuft, sagt dir nur, dass er Arbeit verrichtet, und das hast du schon gewusst.

Und zum Wirkungsgrad: Nutzleistung bei Maximalgeschwindigkeit ist genau das, was durch Luft- und Rollreibung vernichtet wird. Das ist der Sinn eines Automotors. Verlust ist innere Reibung und andere Wärmeerzeugung sowie vielleicht noch Lärm. Also alles das, was aus dem Akku gesaugt wird, aber nicht am Reifen ankommt.

Ein Synchronmotor mit geringer Untersetzung sollte locker 60% Wirkungsgrad haben. Ob du damit 5 km/h im Sandkasten oder 150 km/h auf der Rennstrecker erreichst, tut nicht viel zur Sache.
Frankx



Anmeldungsdatum: 04.03.2015
Beiträge: 981

Beitrag Frankx Verfasst am: 17. Mai 2021 15:21    Titel: Antworten mit Zitat

Zitat:
Demnach wären tatsächlich 250A Dauerentladestrom pro Akku möglich.
Da die Akkus anscheinend in Reihe geschaltet sind (23,4V bei 2x11,7V), bleibt es dann auch bei den 250A, und ergibt zusammen nicht 500A.


Das stimmt.
Ich kann mir aber dennoch nicht vorstellen, dass das Fahrzeug nur etwas über eine Minute lang fahren soll, bis der Akku gewechselt werden muss. Das wäre ja nur ein kurzer Spaß?


Zitat:
Du kannst den Wirkungsgrad nicht bestimmen, weil du dazu die "auf die Straße gebrachte" mechanische Leistung messen musst. Und das tutst du nicht.


So weit wollte ich vorhin noch nicht ausholen, da mir die genannten Parameter teilweise unglaubhaft erschienen.

Man könnte während der Beschleunigungsphase Strom und Spannung messen und dann die elektrische Arbeit zur Beschleunigungsarbeit ins Verhältnis setzen.

Da der Wirkungsgrad aber auch in dieser Phase nicht konstant ist, müsste man das für jeweils sehr kurze Zeiträume betrachten.



.
jazzman



Anmeldungsdatum: 15.05.2021
Beiträge: 2

Beitrag jazzman Verfasst am: 17. Mai 2021 16:24    Titel: Antworten mit Zitat

Hallo zusammen,
erstmal vielen Dank für die vielen Antworten!

Frankx hat Folgendes geschrieben:
Da geht einiges durcheinander:
Wahrscheinlich Reifendurchmesser 110mm (nicht cm)
.


ja richtig, zu schnell getippt. Durchmesser 110mm

Frankx hat Folgendes geschrieben:

Wie dick sind die Kabel bei diesen Strömen? Das soll ein Modellauto sein?
.


Ja die Kabel sind schon sehr dick, es sind AWG10(5,27mm^2) und AWG8(8,37mm^2) Kabel verbaut

hansguckindieluft hat Folgendes geschrieben:

Ich frage mich auch, was das für ein Modellauto ist.
Dafür braucht man ja einen Waffenschein.
.


Ja, die Dinger sind nicht ganz ungefährlich

Vermutlich bin ich etwas naiv an die Sache rangegangen. Im Endeffekt und um ehrlich zu sein will ich das Auto schneller machen, und bevor ich mit "roher Gewalt", nämlich noch größerer Motor/Akku/Regler an die Sache rangehe, versuche ich theoretisch und sofern möglich auch messtechnisch die Schwachstellen des Systems zu finden, um dann halt an der kostengünstigsten Seite zu optimieren.

Irgendwo musste ich anfangen, Grundidee, das Gesamtsystem betrachten und erstmal rausfinden wieviel Energie stecke ich rein in das System, und wieviel kinetische Energie kommt raus. Letztendlich interessiert mich eh nur die kinetische Energie die hinten rauskommt.
Dann evtl. sogar mittels Telemetrie einzelne Komponenten messen und Schwachpunkte finden.

Ein rechnerischer/theoretischer Ansatz um Schwächen zu finden ist halt günstiger als teureres Equipment einzubauen oder Messtechnik einzubauen.

Und ja, auch wenn es elektrisch betrieben ist, es ist sehr laut und von Akku über Kabel/Motor/Regler bis hin zum Reifen wird alles sehr heiß. Ich bin mir dessen bewusst dass ein Großteil der Energie an der Reibung und Hitze verloren geht, deshalb ist mir der Wirkungsgrad den Steffen gerechnet hat von 36% viel besser.

Vielleicht muss man sich da insgesamt auch überlegen was man in dem Fall unter Wirkungsgrad versteht. E-Motoren Hersteller geben z.T. Wirkungsgrade an von 70-90%, und er verhält sich höchstwahrscheinlich nicht linear zur Last.


Um dem Auto ein bisschen mehr Glaubwürdigkeit zu verleihen:
https://www.youtube.com/watch?v=18j-XfFkROM

Ich muss vmtl. mehr messen, möglichst viele unbekannte Parameter fixieren, wenns nur so einfach wäre.

Als erstes werde ich mal Reifendrehzahl im Leerlauf messen (und dabei hoffen dass nichts kaputt geht), die Idee gefällt mir. Damit ist Rollreibung und Luftreibung mal eliminiert

Ich werde da mal weiter forschen und euch auf dem Laufenden halten, freu mich aber über weitere Ideen,
lg,
Marc
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