E-Mobil

An vielen Orten in Deutschland finden Solarautowettbewerbe statt. Dafür konstruieren die Schüler Fahrzeuge, die mit Ausnutzung von Sonnenlicht sich möglichst schnell fortbewegen. Leider sind diese Fahrzeuge im Alltagsleben unserer Schüler eher exotisch. Die entwickelte Unterrichtseinheit verfolgt die Idee Elektromobile zu entwickeln, wie sie in Wirklichkeit immer mehr auf unseren Straßen fahren werden. Für praktische Versuche muss dafür der Akkumulator als Energiequelle auf Modellgröße gebracht werden. Die Schüler haben somit die Möglichkeit sich mit allen Elementen des Fahrzeugs zu beschäftigen, unter Ausnutzung von naturwissenschaftlichen und technischen Grundlagen. Dabei entwickeln sie nicht nur ein finales Produkt, sondern führen auch selbstständig grundlegende Versuche durch und optimieren ihre Fahrzeuge.

Als Energiespeicher dient ein GoldCapeKondensator, dessen Kennwerte beachtet werden müssen. Experimentell eignen sich die Schüler dessen Lade- und Entladeverhalten an und entwickeln eine Ladeschutzschaltung. Die Elektronik wird auf eine Platine gebracht, die eigenständig bestückt und gelötet werden muss. Zur effektiven Nutzung der gespeicherten Energie erarbeiten sich die Schüler experimentell an Lernstationen den Nutzen und die Auslegung von Getrieben, den Wirkungsgrad und die Kenndaten eines Elektromotors sowie die Verschaltung von Solarmodulen zur alternativen Ladung. Ansonsten wird das E-Mobil mit genormten Mignonzellen geladen, die für gleiche Versuchsbedingungen sorgen und es den Schüler ermöglichen im Vorfeld des Wettbewerbs ihre Fahrzeuge zu optimieren. Bei der Konstruktion der finalen Fahrzeuge  berechnen die Schüler Übersetzungsverhältnisse und Wellenabstände ihrer Getriebe. Drehzahl, Drehmoment und Modul sind für die Schüler neue Inhalte. Schnell begreifen die Schüler nach den Tests einiger Probemodelle, dass das Gewicht eine entscheidende Rolle spielt und suchen nach geeigneten Werkstoffen und Leichtbauweisen. Gleichzeitig bemerken sie, wie wichtig der Achsabstand und Achsparallelität für einen Geradeauslauf sind. Für die Fertigung eines Leichtbauchassis wird die FiloCut-Maschine eingesetzt. Eine übersichtliche Verdrahtung und ein ansprechendes Design rundet das Endprodukt ab.

Lernstationen

Mit Hilfe von Lernstationen erfahren die Schüler experimentell neue Kenntnisse zu Getrieben, Motoren, Kondensatoren, Solarzellen und technischer Standards, die im Einzelnen vorgestellt werden sollen.

Mit der Station „Technische Kenngrößen eines Elektromotors“ erhalten die Schüler Werte aus einen Katalogblatt. Sie haben die Aufgabe diese Werte zu überprüfen und Fehler zu bewerten. Die Ausmaße und der Wellendurchmesser werden mit einen Messschieber bestimmt. Dessen Funktionsweise erarbeiten die Schüler selbstständig mit Hilfe einer Beschreibung. Die Masse wird mit einer Präzisionswaage bestimmt. Die Schüler üben sich im Messen und Werten von Herstellerangaben und lernen neue Messinstrumente kennen. So wird die Drehzahl mit einen Laserdrehzahlmesser bestimmt. Solch ein Messinstrument weckt selbstredend Interesse und Nachfragen zu dessen Funktionsprinzip.

Die Getriebestation besteht aus drei verschiedenen Übersetzungsverhältnissen mit gleichen Elektromotoren. Die Betriebsspannung wird aus 2 Mignonzellen bereitgestellt. Die Schüler beobachten und prüfen mit den Fingern die Drehmomente und Drehzahlen qualitativ. Sie bekommen damit schnell und unkompliziert erste Aussagen. Ein Belastungstest hat stets einen Überraschungseffekt, wenn die Schüler die enormen Unterschiede im Drehmoment feststellen, die sie vorher nicht erahnt haben und die scheinbar schwache Energiequelle im Blick haben. Dabei entwickelt sich eine fantastische Eigendynamik. Die Schüler erinnern sich an den Drehzahlmesser und nutzen ihn eigenständig, obwohl quantitative Ergebnisse nicht vorgeschrieben waren.

Die Station Solarzellen erfordert die Vermessung eines realen PKWs, um die zur Verfügung stehende Dachfläche zu bestimmen. Die Berechnung mittels der Solarkonstante und reellen Wirkungsgrad führt zur Erkenntnis, dass sich Solarzellen als Antrieb eines Fahrzeugs nicht eignen. Vielmehr muss deren Energie akkumuliert werden.

Erste Versuche mit dem GoldCapKondensator zeigen dessen schon gut nutzbare Kapazität und sein günstiges Ladeverhalten. Bei Belastungstest werden aber auch die Grenzen bestimmt.

Alle Lernstationen werden in Kleingruppen bearbeitet. Ein vernünftiger Austausch im Team ist die Vorstufe für die spätere erfolgreiche Konstruktion. Die Arbeitsanweisungen sind selbst erklärend und offen gehalten. Fotos, Zeichnungen und Berechnungsgrundlagen helfen den Lösungsweg zu finden. Die Aufgaben sind absichtlich sehr offen und wenig kleinschrittig, um eine kreative Auseinandersetzung und Absprachen im Team zu fördern. Die Versuchsstationen wurden in ein professionelles zur Nutzung anregendes Design gebaut. Besonders die spielerische Annährung an das Thema führt zu einer dauerhaften Motivation. Dazu benötigen die Schüler die Freiräume und genügend Zeit. Die Wechselabstände und Reihenfolge waren nicht vorgeschrieben, um eine Absprache unter den Gruppen zu provozieren.

Lehrgänge und Tests

Ein anschließender Lehrgang zu Modul und Wellenabstand legt die Grundlage für die Konstruktion der Fahrzeuge. Weil die Schüler die Notwendigkeit der Leichtbauweise erkannt haben, schließt sich die Konstruktion und Produktion mit Hilfe des CAD-CAM-Systems FiloCut an. Je nach Vorwissen müssen die Bedienung und Programmierung unterschiedlich stark vermittelt werden. Aber auch ohne Vorwissen sind die Schüler nach einer Stunde in der Lage das Programm FiloScript grundsätzlich zu benutzen. Die Frontale Vorgehensweise ist nur kurzfristig notwendig. Schnell entwickelt sich eine Eigendynamik und gegenseitige Hilfestellung. Präzision ist bei den Wellenabständen sehr wichtig, wie die Schüler bei ersten Funktionsproben feststellen. Die anderen geometrischen Ausprägungen können frei gestaltet werden und lassen eine offene Kreativität zu.

Die Platine der Ladeelektronik muss in einer vernünftigen Reihenfolge bestückt werden. Dabei üben die Schüler das Lesen von Schaltplänen und müssen sich mit den Bauelementen auskennen. Der Anforderungsgrat ist nicht übertrieben, um die Motivation aufrecht zu erhalten. Die Schüler haben großen Kontakt mit elektronischen Geräten, sei es Smartphones, Computer oder moderne Haushaltsgeräte und damit ein natürliches Interesse.

Die Schüler haben Schwierigkeiten bei der Montage aller Baugruppen zu einen komplexen Produkt. Hier bewahrheiten sich gute Planung, Konzentration und Frusttoleranz. Kleine Korrekturen sind dennoch möglich, machen oft enormen Mehraufwand und führen zu der Einsicht seine Produkte gründlicher zu planen. Bald erkennen sie die Wirkung von physikalischen Gesetzmäßigkeiten, wie Reibung, Rollwiderstand, Drehmoment und die goldene Regel der Mechanik an einen eigenen Kontext.

Zwischen den einzelnen Teams finden erste Vergleichsrennen statt. Die Schüler überlegen sich Optimierungen ihrer Modelle und testen ihre Ideen. Dabei stellen sie fest, dass nicht alle Anforderungen vorher kalkulierbar sind und Tests ein notwendiges technisches Verfahren ist.

Den Höhepunkt der Sequenz ist die Teilnahme an einen offiziellen Wettbewerb. Die Schüler lernen andere Team kennen, sehen andere Lösungen und messen sich mit ihnen.

Arbeitsaufträge