Arbeitsblatt: Lenkung von Fahrzeugen

Institut für Lehrerinnen und Lehrerbildung Sekundarstufe 1 Technisches Gestalten LLB/PH Transport und Verkehr III Frühlingssemester 2008 Schriftliche Arbeit Unterrichtseinheit Die Lenkung Reto Huber Bergmatt 2 3043 Uettligen Tel. 031-901-17-21 Matrikel Nr. 04-114-963 Inhaltsverzeichnis Seite 1. Themenbereich Thema: 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Das Thema im Handlungsfeld Historisches, Entwicklungen, Perspektiven Bedürfnisanalyse Funktionen und Anforderungen an das Objekt Physikalische Grundlagen und technische Voraussetzungen 1 1 2 2 3 2. Beschrieb: 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 Konstruktion Materialien Verfahren Beurteilung, Auswertung Literaturliste 3 4 5 5 6 3. Didaktische Aufbereitung: 3.1 3.2 3.3 3.4 Unterrichtsprojekt Grobplanung Denkanstösse Unterrichtsmaterial 6 9 11 12 1.2 Historisches, Entwicklungen, Perspektiven Seit der Mensch vor etwa 5500 Jahren das Rad erfunden hat, ist es möglich sich auf einem Gefährt fortzubewegen. Bald merkten die Menschen, dass zur Mobilität mehr gehört als nur ein Gefährt mit zwei Rädern und ein Zugtier. Die ersten Räder waren massive Holzscheiben, die mit einer Achse verbunden wurden und die es somit möglich machten, erste Wagen zu bauen. Problematisch waren die schwerfälligen und fehlenden Strassen, weshalb diese Fahrzeuge nur beschränkt verwendbar waren. Dieser Zustand hielt sich bis in die Römerzeit hinein. Da immer mehr Material und grössere Lasten zu transportieren waren, wurden die Fahrzeuge auf zwei Achsen vergrössert. Bald merkten die Entwickler, dass mit zwei starren Achsen nur auf geraden Wegen/Strassen gefahren werden kann. In dieser Phase muss die erste Lenkung entwickelt worden sein und zwar die Schwenkachslenkung Drehschemellenkung. Bei der Schwenkachslenkung erfolgt die Lenkung durch das Schwenken einer Starrachse, meist der Vorderachse. Die drehbare Verbindung von Achse zum Fahrzeug erfolgt mittels eines Bolzens oder eines Drehgestells (auch Drehschemel). Bei gezogenen Fahrzeugen wird die Lenkkraft über eine so genannte Deichsel auf die Vorderachse übertragen. 1 Zweiachser Landauer mit Schwenkachslenkung Drehschemellenkung 1.3 Bedürfnisanalyse Von jeher besteht der Wunsch ein Objekt oder Gefährt manipulieren, resp. lenken zu können. Die Anforderungen die an die Lenkung gestellt wurden, nahmen mit der Zeit und dem Technikfortschritt immer mehr zu. Die Fahrzeuge mussten nicht nur für höhere Lasten konzipiert werden, die Fahrgeschwindigkeiten und somit auch die Beschleunigungen und die Bremswirkungen wurden optimiert. Das alles ist abhängig von einer ausgeklügelten und gut durchdachten Lenkung. Im geplanten Unterrichtsprojekt werden die Grundbedürfnisse Bauen und Bewegen angesprochen. Einerseits geht es darum ein Gefährt mit eingebauter Lenkung zu bauen, andererseits gibt es einen Einblick für den Schüler sich mit einem Objekt zu befassen das in Bewegung gesetzt werden kann. Die funktionalen Zusammenhänge der Lenkung sowie deren Konstruktionsmöglichkeiten und physikalischen Gesetzmässigkeiten stehen dabei im Zentrum der Unterrichtseinheit. Gestartet wird diese Einheit mit verschiedenen kleineren Problemlöseverfahren die die Lenkung betreffen. Während der Unterrichtszeit wird der Schüler mehr und mehr an das wirkliche Unterrichtsziel, der praktischen Arbeit, herangeführt. 1.4 Funktionen und Anforderungen an das Objekt Durch die Lenkeinrichtung lässt sich ein nicht schienengebundenes Fahrzeug in eine gewollte Richtung steuern. Mit den verschiedenen Objekten an denen unterschiedliche Lenkmechanismen gezeigt werden, möchte ich ihnen die verschiedenen Möglichkeiten zur Fahrzeuglenkung aufzeigen. Die Räder nehmen bei jedem Lenkeinschlag eine durch die Fahrwerksgeometrie bestimmte Stellung zueinander ein. Dabei spielt auch schon auf der Modellebene eine wichtige Rolle wie sich die beiden Räder in der Kurve verhalten. Ausser bei der Drehschemellenkung muss das kurveninnere Rad abhängig von Fahrzeuggeometrie und Lenkeinschlag zwischen Null und einige Grad mehr einlenken, man nennt dieses Phänomen Spurdifferenzwinkel. 2 Dies vermindert das Radieren der Reifen. Dieses Problem wird in diesem Unterrichtsprojekt mit den analysiert und diskutiert. Ziel für die einzelnen Vorzeigeobjekte, die ich in diesem Modul hergestellt habe, ist, dass die unterschiedlichen Lenkmechanismen in ihrer Form einwandfrei funktionieren und für die nachvollziehbar gebaut sind. Natürlich sollte das Gefährt gute Roll- und Lenkeigenschaften vorweisen. Folgende Anforderungen werden an die Lenkung gestellt: • Eine präzise und schnelle Umsetzung der Lenkbewegung • Gute Rückstellung in einen stabilen Geradeauslauf • Leichte Bedienbarkeit • Antriebs-, Brems- und Beschleunigungskräfte dürfen keinen Einfluss haben • Keine Starrachsen • Beim Lenkeinschlag kein Anstellen des Rades • Das Lenkrad muss im vorderen Bereich des Fahrzeugs nach oben führen 1.5 Physikalische Grundlagen und technische Voraussetzungen In dieser Unterrichtseinheit Lenkungsgeometrien werden thematisiert. physikalische Zentral sind Prinzipien dabei zwei zu unterschiedlichen Lenkungsarten: die Drehschemellenkung und die Achsschenkellenkung. Diese werden Anhand von praktischen Übungen und Illustrationsmaterialien auf deren unterschiedlichen Wirkungen untersucht. Dabei gibt es verschiedene Typen, auch Lenkgeometrien genannt. Die Voraussetzungen der sind wahrscheinlich sehr unterschiedlich. Einen Vorteil haben sicher diejenigen Schüler, die sich schon mit der Lenkung von LEGOTechnik-Fahrzeugen befasst haben. Darum werden in einer ersten Phase die wichtigsten Lenktypen Gegenstand des Unterrichts sein, um den Wissensstand der untereinander möglichst anzugleichen. 2. Beschrieb 2.1 Konstruktion Die sollten die Beziehung zwischen der Form, der Funktion und der Konstruktion erkennen können. In dieser Unterrichtseinheit spielt die Form eine untergeordnete Rolle. Es geht in erster Linie um eine brauchbare Lenkung, die für das Gefährt eine gute Lösung darstellt. Dabei spielt die Konstruktion dieser Lenkung 3 eine entscheidende Rolle. Die unterschiedlichen Konstruktionen, die bei der Lenkung in Frage kommen, werden in den ersten drei Lektionen thematisiert. Später können die auch während der praktischen Arbeit immer wieder Anhand von Illustriertem Material, wie den Kartonmodellen, Holz- ihre und Lenkungs- konstruktion überdenken und wenn nötig verbessern. Die Konstruktion des Fahrzeugs an sich, bereitet den im Vergleich zur Lenkung wahrscheinlich weniger Probleme. Vorgeschrieben ist ein Brett, das den Fahrzeugboden darstellt, damit das Gefährt am Schluss auch die nötige Stabilität aufweist. 2.2 Materialien Illustrationen: Vorgefertigte Fahrzeuge: ein LEGO – Fahrzeug vier Holzmodelle mit unterschiedlichen Lenkungen zwei fertige Holzfahrzeuge mit Lenkung Bilder von weiteren Lenkungsarten. (Siehe Literaturliste Unterrichtsmaterial) Werkstattmaterial: Kartonbögen (A4), Scheren, Lochzangen, Stecknadeln, Leim, Lineale, Bleistifte, Aale, etc Planungsunterlagen: Bleistifte, Massstäbe, Rechner, Karton, Leim, Schere, etc. Fahrzeugbau: Holz: Hartholz für Lenkung Nadel- Sperrholz für den Fahrzeugaufbau vorgefertigte Räder (inkl. Steuerräder) Metallteile, Blech und Draht. Schrauben, Nägel, Gewindestangen, Muttern, Unterlagsscheiben, Bleistifte, Massstäbe, Leim, etc. 4 2.3 Verfahren Der anspruchvollste Teil beim Produzieren eines Gefährts ist für die Schüler sicher die Lenkung des Fahrzeugs. Um diese Problematik zu thematisieren, wird gleich zu Beginn der Unterrichtseinheit in den ersten drei Lektionen die Thematik angesprochen und behandelt. Wenn die erkennen, wie die unterschiedlichen Lenkungen aufgebaut sind und wie sie funktionieren, können sie mit mehr Erfahrung und Motivation die verschiedenen Probleme, die bei der Lenkung an ihrer praktischen Arbeit auftreten, angehen. Durch die vorgezogenen Arbeiten mit dem Karton werden die verschiedenen Verfahren zur Herstellung einer Lenkung thematisiert, die werden mit unterschiedlichen Lösungsansätzen konfrontiert, die die Probleme, die beider Lenkung auftreten, lösen können. 2.4 Beurteilung und Auswertung Am besten führe ich diese Unterrichtseinheit wie geplant einmal aus und achte mich ausserordentlich auf das Verhalten der in den verschiedenen Sozialformen. Ich habe mich bei der Planung explizit darauf geachtet, den Auftrag für die nicht zu stark einzugrenzen um die Differenzierung zu ermöglichen, also den die Möglichkeit zu geben, nach ihren Voraussetzungen konstruktiv zu arbeiten und sich entwickeln zu können. Ich konnte eine ähnliche Unterrichtseinheit während meiner Schulzeit auf der Sekundarstufe schon miterleben und weiss daher, was mich ungefähr erwartet. Wenn Probleme im Unterricht auftauchen, kann man als Lehrkraft auf viele verschiedene Arten reagieren und so die Unterrichtseinheit an verschiedene Bedingungen anpassen. Die Arbeiten der können nach folgenden Kriterien beurteilt werden: Anschlag der Lenkung. (Sind enge Kurven möglich?) Bedienbarkeit der Lenkung Schwierigkeitsgrade Form, Ästhetik, Stabilität des Fahrzeugs Materialwahl (je nach Problem) Planung – Umsetzung Problemlösung 5 2.5 Literaturliste Literatur: Der Landauer, ein europäischer Reisewagen, von Paul Jäger, Rudolf Wackernagel und Albert Fritz, Graz 1985 Die Werkstunde 99, Lenkung von Fahrzeugen, Achsschenkellenkung Rollen, Fahren, Transportieren (Band 3) Allgemeiner Ratgeber für Seifenkisten Technisches werken 1.-6. Schuljahr Werken ein Fach, März 1988 Werkspuren, Auto Internet Links: www.wikipedia.ch 3. Didaktische Aufbereitung 3.1 Unterrichtsprojekt Es ist sinnvoll, die Schüler zunächst mit Hilfe der Kartonstreiffenmechanik den Lenkmechanismus erarbeiten und die gewonnenen Erkenntnisse in das Fahrzeugmodell umsetzen zu lassen. Dieses Vorgehen hat hauptsächlich zwei Vorteile: Einmal haben die Gelegenheit zu experimentieren, zu vergleichen, zu verbessern und die Vor- und Nachteile der verschiedenen Lenksysteme zu erkennen. Zum anderen können die die gewonnenen Erkenntnisse in den Bau ihrer Fahrzeuge einfliessen lassen. Ausgehend von der Aufgabenstellung erhalten die in einer ersten Phase der Unterrichtseinheit den Auftrag, zu Zweit in einer Werkstatt vier verschiedene funktionstüchtige Lenkungsmodelle aus Kartonstreifen herzustellen. Dadurch sehen die den Zusammenhang dieser Aufgabe mit dem eigentlichen Fahrzeug und haben die Möglichkeit, sich experimentell mit den wesentlichen Teilproblemen der Fahrzeuglenkung auseinanderzusetzen. Jede Zweiergruppe bekommt vier A4 Grundplatten aus Karton, daraus werden die Fahrzeugböden dargestellt und mit dem restlichen Material (Kartonstreifen) werden die unterschiedlichen Lenkungstypen angefertigt. Pro Lenkungstyp muss also ein Kartonbogen reichen. So lernen die das für die Lenkung benötigte Material abzuschätzen und den Bogen dem entsprechend einzuteilen. An jedem Posten steht zusätzliches Material wie: Scheren, Lochzange, Stecknadeln, Leim, Lineale, Bleistifte, Aal, etc zur Verfügung. Damit die auf eine Hebelübertragung hinarbeiten, wird noch die Bedingung gestellt, dass die gelenkte Achse von der Mitte der Grundplatte aus bedient werden soll. 6 Im Anschluss (ungefähr nach drei Lektionen) wird im Plenum jede der vier Lenkungstypen einzeln diskutiert und analysiert. Dazu kommen die 4 vorgefertigten Lenkmodelle aus Holz, die zwei Projekte aus meiner Schulzeit, sowie das LEGO – Modell. Die verschaffen sich einen Überblick und listen an der Wandtafel (wenn vorhanden) die Vor– und Nachteile auf. Zudem gibt die Lehrperson weitere Denkanstösse die für die Planung des Holzfahrzeugs wichtig sind, siehe Denkanstösse im Anhang des Berichts. Wenn sich die für einen Lenktypen entschieden haben, sollten sie sich über die möglichen Fehler, die bei der Umsetzung eines Lenkmechanismus entstehen können, im Klaren sein. Jetzt kann der eigentliche Bau der Fahrzeuge beginnen. Nachdem sich die entschieden haben, welche Lenkung sie verwirklichen wollen, legen sie die Abmessungen des Fahrzeugs auf einem groben Plan fest und stellen Überlegungen an, welches Material sie wo am Vorteilhaftesten einsetzen können. Hier hilft der Lehrer in Einzel- und Gruppenberatung, damit die ohne grosse Zeiteinbussen vorankommen. Ich hoffe, dass im grossen und ganzen die praktische Bauphase für die ohne grosse Schwierigkeiten bewältigt werden kann, weil das Grundwissen über den Lenkmechanismus vorhanden ist. Allerdings brauchen sie einige Hilfen im Bezug auf die Verfahrenstechniken mit dem Material. Die sollten zum Beispiel eine Gewisse Vorahnung haben von: Winkelgerechtes Ablängen, zentriertes Bohren, reibungsarme Lagerung durch die Verwendung von Unterlagsscheiben, usw. 7 Auch bei der Übertragung der Drehbewegung des Lenkrades auf die gelenkte Achse (Spurachse) beziehungsweise die Achsschenkel muss der Lehrer vielleicht eingreifen, weil dieses Problem bei den Kartonmodellen nicht auftrat. Im Übrigen sollten die aber so frei wie nur möglich arbeiten können. Nur so finden sie eigene, ganz persönliche originelle Lösungen, wie auch ich in meiner Schulzeit erleben durfte. Projekte aus meiner Schulzeit 8 Grobplanung Klasse Oberstufe Datum, Zeit Thema Die Lenkung eines Fahrzeugs und Produktion eines Fahrzeugs SFSozialform GAGruppenarbeit PPlenum Lektion Lektionsablauf 12 Werkstatt: 4 Posten Zweiergruppen bilden Jeder Posten thematisiert eine andere Lenkung. Jede Lenkung wird mit Karton nachgebaut. Nach jedem Posten wird die Arbeit am persönlichen Arbeitsplatz abgelegt. 34 Medien Erfolgs- und SF Lernkontrolle Material Bemerkungen Plenum Die entstandenen Produkte geben ein Bild darüber, ob der/die alles GA verstanden hat. Kartonbögen, Scheren, Lochzangen, Stecknadeln, Leim, Lineale, Bleistifte, Aale, etc Wichtige Lenkmechanismen kennen lernen und deren Vorund Nachteile beschreiben können. GA Illustrationsmaterial Die können zwischen einer Drehschemellenkung und einer Achsschenkellenkung klar unterscheiden. Plenum Thema Lernziele 4 verschiedene Lenkungen: lernen experimentell funktionstüchtige Lenkungsmodelle aus Kartonstreifen herzustellen 2 Drehschemel – Lenkungen (Normal und Allradlenkung) 2 Achsschenkel – Lenkungen mit unterschiedlicher Lenkgeometrie (Lenktrapez, Lenkparallelogramm) Die Werkstatt wir im Verlaufe der 3. Lektion beendet. Verschiedene Lenktypen und Lenkgeometrien. Diskussion Pro und Contra der verschiedenen Lenkmechanismen. Weitere Lenktypen Lenkgeometrien werden illustriert. Weitere Denkanstösse für den bevorstehenden Auftrag: Das Herstellen eines Fahrzeugs mit Lenkung aus Holz Metall beides kombiniert. Planung Materialien Wichtige Lenkmechanismen kennen lernen Teamarbeit wird gefördert Experimentieren, Reflektieren Argumentation zur gewählten Lenkgeometrie. Die vorgefertigten Holzmodelle Planungsutensilien Lektion Lektionsablauf 56 Auftrag an die S: Herstellung eines Fahrzeugs mit Lenkung aus Holz Metall beides kombiniert. 1. Phase: Planung 2. Phase: Ausführung Thema Lernziele Planung des eigenen Fahrzeugs. Die gewonnenen Erkenntnisse aus der Werkstatt werden in das Fahrzeugmodell umgesetzt Auseinandersetzung mit verschiedenen Problemen wie Materialwahl, Lenkung, Form des Gefährts, etc (ev. werden noch einmal die Maschinen und deren Gefahren thematisiert). 7- Ausführung des Auftrags: Baue dein eigenes Fahrzeug mit Lenkung. Weiterführende Themen: Federung, Anhänger, Schaufel, Seifenkisten, Kutschen, etc Medien Erfolgs- und SF Lernkontrolle Material Bemerkungen Plenum Plan Papier A3, Massstäbe, viel Kleinholz, Leim, Schrauben, vorgefertigte Räder EA Argumentation zur gewählten Lenkgeometrie und Begründung. EA Allgemeines Verhalten Die Planung dient in erster Linie dazu, dass sich die nicht unüberlegt auf das (begrenzte) Material stürzen und es danach trotzdem nicht gebrauchen. (Hamstern!) Planen – Umsetzen Experimentieren, Reflektieren Das Produkt Kreatives Handeln und Denken fördern. Umsetzung der Ideen Oekologischer Umgang mit dem Material lernen Ordnung am Arbeitsplatz Dito oben. Diese Unterrichtseinheit kann bis zu einem Semester lang werden. Institut für Lehrerinnen und Lehrerbildung Sekundarstufe 1 Technisches Gestalten LLB/PH Transport und Verkehr III Frühlingssemester 2008 Schriftliche Arbeit Unterrichtseinheit Die Lenkung Reto Huber Bergmatt 2 3043 Uettligen Tel. 031-901-17-21 Matrikel Nr. 04-114-963