Welchen Steppermotor für Kabelzug?

Ich will gar keinen 3D-Drucker bauen, sondern eine Fahrrad-Kettenschaltung elektrifizieren.
Klar, falsches Forum - aber hier sind die Steppermotor-Experten.

Steppermotor dreht LeadScrew, Spindel zieht am Schaltzug (bzw. lässt los), und das Schaltwerk (bzw. dessen Rückstellfeder) bewegt die Kette auf ein anderes Ritzel.

Anforderungen hinten (Schaltwerk für 8-12 Ritzel)
Zugweg: max 40mm (5-6cm LeadScrew)
Speed: >50mm/sec (<0,8sec für 40mm)
Zugkraft: max 15kg (150N)

Vorne kommt als Nachteil hinzu, dass der Umwerfer zwischen Kettenblatt und Ritzel, d.h. im Kettenzug sitzt. Wenn der Fahrer beim Schalten nicht den Druck auf das Pedal verringert steigt die benötigte Kraft. Hinten sitzt das Schaltwerk "hinter" dem Ritzel, also nicht im Kettenzug.

Anforderung vorne (Umwerfer für 2-3 Kettenblätter)
Zugweg: max 20mm (3-4cm LeadScrew)
Speed: >40mm/sec (<0,5sec für 20mm)
Zugkraft: max 30kg (300N) wenn unter Last geschaltet wird


Folgendes habe ich bisher recherchiert (bitte ggf. korrigieren):
- Übliche Stepper machen 200 Full Steps pro Umdrehung (1.8º), und max 600 U/min, also max 10 U/sec.
- Die max. Drehzahl wird größer wenn der Motor weniger Steps hat (z.B. 7.2º), aber die Zugkraft wird kleiner.
- Mit Microsteps (sinusförmige Ansteuerung) kann man zwar höhere Drehzahlen erreichen, aber wieder auf Kosten der Zugkraft.
- Um mit 10U/sec 50mm/sec zu ziehen müsste die LeadScrew für hinten eine Steigung von 5mm pro Umdrehung haben.
- Vorne reichen 4mm/Umdrehung, aber der Zug an der Spindel ist höher. Oder man nimmt den Pedaldruck zurück wenn man vorne schaltet, dann braucht man weniger Zugkraft (ist für die Lebensdauer eh sinnvoll).


Wie berechnet man das nötige Motordrehmoment (aus Zug an der Spindel und Gewindesteigung)?
Pro Umdrehung braucht man hinten 75Ncm (150N, 0,5cm) und vorne 120 (300N, 0,4cm). Das jeweils geteilt durch 200 Steps macht 0,375 Ncm pro Step hinten und 0,6 Ncm vorne. Plus Reibungsverluste in der Spindel. Stimmt das so?


Montiert werden soll das Ding unter der Kettenstrebe, so dass der Schaltzug nur noch 20cm kurz wird. In der Länge hat man viel Platz (>30cm), Breite und Höhe so klein wie möglich. Ich suche also einen NEMA 11 oder noch besser NEMA 8 Motor der stark genug ist um die Spindel LeadScrew so schnell zu drehen dass auf Knopfdruck am Lenker flott geschaltet wird.

Stromversorgung: Zwei 18650 Lithiumzellen. Also Akku voll 8,4V, typisch 7,4V, ziemlich leer 6,0V, spätestens bei 5,8V wird auf ein mittleres Ritzel geschaltet damit man nicht im größten oder kleinsten nach hause fahren muss, und zum Schutz der Akkus alles heruntergefahren. 3 Ampere oder auch mehr sind kein Problem.


Ansteuerung via Arduino Nano 33 BLE.
Motortreiber sollte ein TMC2130 werden, wegen spreadCycle und stallGuard. Und natürlich wegen min Vcc 5.5V. Die meisten Treiber wollen ja mindestens 12V, das habe ich nicht.
Bei Watterott derzeit nur mit eingelöteten Pinleisten für 11,45€, bei Reichelt auch ohne für 15,01€
Ich will den Treiber ja nicht auf ein Motherboard setzen, sondern mit kurzen Kabeln mit dem Arduino Nano 33 verdrahten, da stören die Pinleisten nur.

Kühlung minimal - zwischen zwei mal schalten hat der Treiber ja etliche Sekunden Zeit zum Auskühlen. Der Motor wird dabei eh kaum belastet.
Obwohl - bei 3D-Druckern braucht man ja nur zum Fahren einen Stromfluss, nicht zum Halten (Z-Achse?). Bei mir zieht die Schaltwerk-Rückstellfeder am Schaltzug, d.h. die gezogene Spindel überträgt auch noch eine Rotationskraft zurück auf den stehenden Motor. Wenn die zu groß wird muss der Motor aktiv die Position halten und braucht dazu auch einen Haltestrom.
Kann der Motorcontroller (TMC2130) das automatisch feststellen und dagegenhalten?


Was braucht man noch? Motorhalterung, Gegenlager für die LeadScrew, irgendwas was die Spindel vom Mitdrehen abhält (was nimmt man da? Zwei dünne Führungsstangen durch Bohrungen in der Spindel, oder eine beidseitig abgeplattete Spindel in einer Kunststoff-führung?)…
Fehlt noch was?

Die wichtigste Komponente überhaupt: Welchen Motor brauche ich? Mit Stummelachse oder gleich mit integrierter LeadScrew? Wenn es die nur mit zuviel Länge gibt kann man die Screw ja passend kürzen.

Ich habe hier gelesen dass man lieber einen dünnen, langen Motor nehmen soll als einen kurzen, dicken. Der dünne hat weniger Massenträgheit und beschleunigt schneller. Das kommt mir von meinen Anforderungen sehr entgegen, also lieber NEMA 8 als NEMA 11. Vorausgesetzt ein solcher ist stark und schnell genug.


Wenn ich mit meinen Fragen hier völlig falsch bin, wäre ich dankbar für einen Tip auf ein besser geeignetes Forum (deutsch oder englisch)...
Danke

1-mal bearbeitet. Zuletzt am 28.03.21 16:17.

Hallo Fesh und willkommen bei den Bastlern.

So ungefähr alles, was Du zum Thema Stepper (Drehzahlen, Drehmomente und Kräfte), Treiber und deren Mikroschritten geschrieben hast, ist falsch . Aber macht nix, kann man alles lernen.

Du brauchst bei 75Ncm auch einen Stepper, der diese aufbringen kann, dass teilt sich nicht auf einzelne Steps auf.

Lies Dich mal ganz genau bei den verschiedenen Treibern bei Watterott ein, die TMC 2100 sollten für Deine Anwendung am besten sein. Den Stallguard brauchts Du verm. nicht, da es bei Dir nicht um wiederholbare Präzision im Bereich von 1/100mm geht. Du könntest nach dem Schalten auch einfach den Treiber/Motor ausschalten und diese nur zum Schalten selbst verwenden. Spart übrigens Strom.
Bei Steppern gibt es einen sensiblen Zusammenhang zwischen Spulenstrom, Spulenwiderstand und Spuleninduktivität. Das in Kombi gibt Dir die mögliche Drehzahl bei gefordertem Drehmoment an.
Es gibt für die ReprapFirmware einen passenden EMF-Rechner, der dir die Drehzahlen ausspucken kann. Mit dem kannst Du die Ergebnisse überprüfen, musst dafür nur die Teilung des Riemens und die Zähne/Umdrehung auf jeweils 1 stellen.

Viel Erfolg bei dem Projekt.
Wenn Du mags, darfst Du natürlich gerne weiter hier posten, ich habe Dich in den Offtopic-Bereich geschoben.
Da gibt es einige solcher Themen.

Grüße,
Julien

1-mal bearbeitet. Zuletzt am 28.03.21 16:58.

---

Wer rasiert mit mir KingKong? Der wichtigste Guide - Triffid Hunter's Calibration Guide

---

---

Drucker:
CoreXY in 250²x300 - geschlossen & beheizt für ABS - Duet2WiFi - Eigenbau Wasserkühlung
Eigenbau I3 - V6-Clon- Profilrahmen - Ramps 1.4 24V - TMC2208 - Simplify3D - Octoprint - Marlin 1.1.8

Quote
ZipZap
Hallo Fesh und willkommen bei den Bastlern.

So ungefähr alles, was Du zum Thema Stepper (Drehzahlen, Drehmomente und Kräfte), Treiber und deren Mikroschritten geschrieben hast, ist falsch . Aber macht nix, kann man alles lernen.

Genau das ist das Problem. Ich habe ein paar Stunden im Netz recherchiert - und wenn man selber neu in einem Thema ist erkennt man ja nicht was wahr und was falsch ist.
Da ich selber in anderen Themen gut Bescheid weiß und in diesbezüglichen Foren erlebe dass Anfänger gerne Halbwissen durcheinanderwerfen, habe ich absichtlich meinen Wissensstand in meinem Posting niedergeschrieben. Ich wäre also sehr dankbar für konkrete Korrekturen. "So ungefähr alles falsch" hilft mir nicht wirklich...

Quote

Lies Dich mal ganz genau bei den verschiedenen Treibern bei Watterott ein, die TMC 2100 sollten für Deine Anwendung am besten sein. Den Stallguard brauchts Du verm. nicht, da es bei Dir nicht um wiederholbare Präzision im Bereich von 1/100mm geht.

Zwischen zwei Gängen sind (je nach Schaltwerk) z.b. 1,8mm Kabelzug. Wenn sich nach ein paar Tagen (oder Wochen) das um 0,2mm verschiebt dann leidet die Schaltgenauigkeit. Also ja, ich brauche keine Hundertstel, aber Zehntel schon.
Stallguard brauche ich als Fehlerkondition. Wahrscheinlich ist es bei 3D-Druckern unüblich dass ein Fremdkörper den Weg blockiert - beim Fahrrad passiert es aber durchaus wenn man im Gelände fährt dass ein Ast im Schaltwerk landet. Bei mechanischen Schalthebeln merkt der Fahrer am ungewohnten Gegendruck dass da was nicht stimmt, aber ein Drucktaster am Lenker gibt keine Rückmeldung...
Damit der Arduino eine LED blinken lassen kann, braucht er selber die Info vom Treiber dass was nicht stimmt.

Ich würde gerne das größte Ritzel als Nullpunkt nehmen, also Spindel maximal nahe an den Motor herangefahren (maximaler Zug). D.h. jedesmal wenn man in den kleinsten Gang (größtes Ritzel) schaltet wird das System kalibriert (Nullpunkterkennung).

Quote

Du könntest nach dem Schalten auch einfach den Treiber/Motor ausschalten und diese nur zum Schalten selbst verwenden. Spart übrigens Strom.

Hält der Motor dann noch gegen die Rückstellfeder? Auch bei starken Erschütterungen (Holperstrecke, Sprünge)? Wenn ja, prima. Wenn nein hätte ich eh ein Problem, dann verstellt sich die Schaltung bei Nichtgebrauch. Ich müsste also eh die Gewindesteigung so niedrig wählen dass die Rückstellfeder es eben nicht schafft den stromlosen Motor zu drehen - aber zumindest gibt es im Fahrradkeller keine Erschütterungen. Also gut, Treiber & Motor nur zum Schalten bestromen, und ansonsten aus lassen. Brauche ich da einen Power-Mosfet in der Vcc-Leitung für den Treiber oder hat der selber einen Enable-Eingang?
Ich würde erwarten dass es ausreicht nur die Motorwicklungen auszuschalten und den Treiber aktiv zu lassen. Genau deswegen habe ich ja gefragt, ob der Treiber es erkennt dass der (stromlose) Motor von außen gedreht wird und dann selber Strom auf die Spulen gibt um das zu verhindern bzw. die Drehung wieder rückgängig zu machen.

Quote

Bei Steppern gibt es einen sensiblen Zusammenhang zwischen Spulenstrom, Spulenwiderstand und Spuleninduktivität. Das in Kombi gibt Dir die mögliche Drehzahl bei gefordertem Drehmoment an.
Es gibt für die ReprapFirmware einen passenden EMF-Rechner, der dir die Drehzahlen ausspucken kann. Mit dem kannst Du die Ergebnisse überprüfen, musst dafür nur die Teilung des Riemens und die Zähne/Umdrehung auf jeweils 1 stellen.

Danke, das hilft schonmal.

Quote

Viel Erfolg bei dem Projekt.
Wenn Du mags, darfst Du natürlich gerne weiter hier posten, ich habe Dich in den Offtopic-Bereich geschoben.
Da gibt es einige solcher Themen.

Ok.
Macht es Sinn dass ich meinen Ursprungstext - ohne meine (falschen) Annahmen zum Thema Drehmoment, Drehzahlen, Kräfte; sondern nur meine Anforderungen - nochmal auf englisch im Unterforum "Stepper Motors, Servo Motors, DC Motors" einstelle?

2-mal bearbeitet. Zuletzt am 28.03.21 17:48.

Das mechanische Problem ist ja schon gelöst. In Harburg baut eine Firma sowas für 29" Fahrräder. Wie willst Du das logisch steuern. Per Tastendruck? Eine Gripshift ist da sicherlich schneller als so weine Motorsache. Man muss ja auch immer die Position abgespeichert haben.

---

Liebe Grüße aus Kaltenkirchen.
Frithjof
Meine Seite
[www.facebook.com]

Weshalb brauchst du sowas, geht es nur ums bauen oder soll das auch im harten Einsatz funktionieren? Ich habe mir vor einigen Wochen die Sram X01 Eagle AXS gegönnt. Die 12fach Kassette ist super aber die elektronische Schaltung ist doch eher nice to have. Man hat einen zusätzlichen Akku zum laden ohne dass es einen wirklichen Vorteil zur Kabelzuglösung gibt. Ich bin mir nicht sicher ob ich sie wieder kaufen würde.
Jedenfalls kann man den Wechsler in 0.1mm Schritten einstellen, das wäre demnach sicher für dich auch eine gute Grössenordnung. Du musst das halt irgendwie auf Kabelzuglänge umrechnen.

Aber der Sinn hinter deinem Projekt würde mich schon noch interessieren.

---

Gruass us dr Schwiiz
Hansjürg

Quote
Fridi
Das mechanische Problem ist ja schon gelöst. In Harburg baut eine Firma sowas für 29" Fahrräder.

Welche?

Quote

Wie willst Du das logisch steuern. Per Tastendruck?

Genau, zwei Taster am Lenker statt des Schalthebels.

Quote

Eine Gripshift ist da sicherlich schneller als so weine Motorsache. Man muss ja auch immer die Position abgespeichert haben.

Da soll irgendwann eine Automatik draus werden, die aus Kadenz, Pedaldruck und Geländesteigung den optimalen Gang errechnet und selber schaltet.

Quote
hafo
Weshalb brauchst du sowas, geht es nur ums bauen oder soll das auch im harten Einsatz funktionieren? Ich habe mir vor einigen Wochen die Sram X01 Eagle AXS gegönnt. Die 12fach Kassette ist super aber die elektronische Schaltung ist doch eher nice to have. Man hat einen zusätzlichen Akku zum laden ohne dass es einen wirklichen Vorteil zur Kabelzuglösung gibt. Ich bin mir nicht sicher ob ich sie wieder kaufen würde.
Jedenfalls kann man den Wechsler in 0.1mm Schritten einstellen, das wäre demnach sicher für dich auch eine gute Grössenordnung. Du musst das halt irgendwie auf Kabelzuglänge umrechnen.

Aber der Sinn hinter deinem Projekt würde mich schon noch interessieren.

Da soll irgendwann eine Automatik draus werden, die aus Kadenz, Pedaldruck und Geländesteigung den optimalen Gang errechnet und selber schaltet.

Du schießt mit Raketen? Cool!
Ich kenne beim Rad nur die Trittfrequenz

Meint der Fridi vielleicht die TRENGA DE Manufaktur?
Ansonsten hört sich das nach einem schönen Projekt an.

1-mal bearbeitet. Zuletzt am 01.04.21 16:36.

---

Wer rasiert mit mir KingKong? Der wichtigste Guide - Triffid Hunter's Calibration Guide

---

---

Drucker:
CoreXY in 250²x300 - geschlossen & beheizt für ABS - Duet2WiFi - Eigenbau Wasserkühlung
Eigenbau I3 - V6-Clon- Profilrahmen - Ramps 1.4 24V - TMC2208 - Simplify3D - Octoprint - Marlin 1.1.8

Ich muss da mal meinen Nachbarn fragen. Der hat so ein Rad geleast über die Firma.

---

Liebe Grüße aus Kaltenkirchen.
Frithjof
Meine Seite
[www.facebook.com]

Quote
ZipZap
Du schießt mit Raketen? Cool!
Ich kenne beim Rad nur die Trittfrequenz

Frequenz ist in Hz (also U/sec), Kadenz in U/min - dasselbe in Grün.

Quote

Meint der Fridi vielleicht die TRENGA DE Manufaktur?

Auf deren Seiten finde ich nirgends was von elektronischer Schaltung.

Quote

Ansonsten hört sich das nach einem schönen Projekt an.

Jupp.
Wobei ich gerade wieder von einem Steppermotor abkomme. Ein BLDC mit Schnecke wo der Schaltzug auf ein Rädchen aufgewickelt wird kann genauso den Zug der Rückstellfeder im stromlosen Zustand halten, und mit einem Motorphasen-Ausgang am Arduino-Eingang kann man die Phasen mitzählen, weiß also auch immer wo der Motor (und somit der Zug) gerade ist...

Was hältst Du davon (Stichwort Exup-Servo), wasserdicht, genug Kraft und relativ klein:
[www.ebay.de]
[www.ebay.de]

Herzl. Grüße

Quote
AlterBastler
Was hältst Du davon (Stichwort Exup-Servo), wasserdicht, genug Kraft und relativ klein:
[www.ebay.de]
[www.ebay.de]

Naja, ich will nicht irgendwelche gebrauchte Teile nehmen, sondern das Projekt sollte nachbaubar sein.
Die Motorrad-Auspuffklappen-Stellmotore sind auch viel zu groß und schwer - und fahren nur von Endposition zu Endposition. Klappe auf - Klappe zu.

Aber ich habe bei AliExpress was gefunden: DC Motor 6V 12V Turbo Worm With Encoder.
Wirings:
Red Wire - positive power supply of motor(+)
Black Wire - negative power supply of motor(-)
Green Wire - negative power supply of encoder(-) (positive and negative power supply of encoder do not allow connect wrong;
Blue Wire - positive power supply of encoder(+) (positive and negative power supply of encoder do not allow connect wrong,(5-12v)
Yellow Wire - signal feedback (11 signals per motor turns a circle)
White Wire - signal feedback (11 signals per motor turns a circle)

30rpm heißt eine halbe Umdrehung pro Sekunde, das wäre genau richtig für den Schaltzug.
Das ist zwar kein BLDC, aber er gibt Feedback wieviel Umdrehungen der Motor macht. Bleibt die Frage ob das für die Motorachse oder die Ausgangsachse ist.
Da die Elektronik in der runden schwarzen Kappe auf dem Motor sitzt, und keine Kabel in die eckige Getriebebox führen ist aber wohl die Motorachse gemeint.
Prima.

Quote
Fesh
Da soll irgendwann eine Automatik draus werden, die aus Kadenz, Pedaldruck und Geländesteigung den optimalen Gang errechnet und selber schaltet.

Ok, das wäre für manche sicher keine schlechte Sache, allerdings setzt das eine Stufenlose schaltung voraus da der Pedaldruck bei einer herkömlichen Schaltung während dem Schaltvorgang unterbrochen werden sollte. Zudem müsste das ganze auch den Weg kennen um vor einer Steigung herunterschalten zu können. Kennst du dieses System schon? Da wird die automotatische Schaltung ganz gut umgesetzt.

---

Gruass us dr Schwiiz
Hansjürg

Quote
hafo

Quote
Fesh
Da soll irgendwann eine Automatik draus werden, die aus Kadenz, Pedaldruck und Geländesteigung den optimalen Gang errechnet und selber schaltet.

Ok, das wäre für manche sicher keine schlechte Sache, allerdings setzt das eine Stufenlose schaltung voraus da der Pedaldruck bei einer herkömlichen Schaltung während dem Schaltvorgang unterbrochen werden sollte.

Es gibt bereits ein Automatikschaltungs-Projekt namens Shift4me:
Automatische Fahrradschaltung mit Arduino
shift4me

das verwendet einen Buzzer um dem Fahrer zu signalisieren dass jetzt geschaltet wird und der Pedaldruck reduziert werden sollte. Was mich daran stört ist das Servo, das den Kabelzug ständig aktiv halten muss. Deswegen Motor mit Schnecke, selbsthaltend.

Quote

Zudem müsste das ganze auch den Weg kennen um vor einer Steigung herunterschalten zu können.

Wenn es wirklich um extreme Steigungsänderungen geht, würde ich mit den "+" und "-" Tasten ggf in den manuellen Modus schalten, und dann mit "A" wieder in die Automatik. Aber leichte Änderungen sollte die Automatik bewältigen.

Quote

Kennst du dieses System schon? Da wird die automotatische Schaltung ganz gut umgesetzt.

Klar, die Nuvinci ist prima, aber mir geht es darum eine existierende Kettenschaltung aufzuwerten.

1-mal bearbeitet. Zuletzt am 02.04.21 04:44.

Quote

Die Motorrad-Auspuffklappen-Stellmotore sind auch viel zu groß und schwer - und fahren nur von Endposition zu Endposition. Klappe auf - Klappe zu.

Naja, beides stimmt nicht. Servo mit Positions-Rückmeldung.

Herzl. Grüße

Quote
AlterBastler

Quote

Die Motorrad-Auspuffklappen-Stellmotore sind auch viel zu groß und schwer - und fahren nur von Endposition zu Endposition. Klappe auf - Klappe zu.

Naja, beides stimmt nicht. Servo mit Positions-Rückmeldung.

Ich habe hier einen von meiner Buell XB12S rumliegen (da Remus-Topf ohne Klappe verbaut). Der wiegt samt Plastikgehäuse ca. 600g. Und der Zug zur Klappe ist 3mm dick.
Ein Schaltzug vom Fahrrad ist 1,2mm dick, ein Bremszug 1,5mm.

Egal - nach Ansicht dieses Videos habe ich eh meine Entscheidung gefällt: Es wird ein DC-Motor mit Encoder. Mehr Power und Speed als ein Schrittmotor, und 11 Positionen pro Motorumdrehung mal 1:50 Untersetzung ergibt bei einem Gesamtweg von einer halben Umdrehung der Abtriebswelle 550/2 = 275 anfahrbare Positionen. Bei max. 40mm Kabelzug sind das knapp 7 Positionen pro mm, plus Spiel. Aber das wirkt immer nur einseitig, weil die Rückstellfeder den Schaltzug ja immer unter Zug hält. Genauigkeit also ca. 1/5mm. Reicht dicke für eine Kettenschaltung.