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Diesen aiMOOC als Battle spielen: Deutsch, Klasse 9-10, M-Niveau

NWT9 - Ein Fahrzeug mit Antrieb entwickeln

Einleitung

In diesem aiMOOC entwickelst Du in der Naturwissenschaft und Technik ein sicheres Modellfahrzeug mit eigenem Antrieb. Du durchläufst dabei einen vollständigen technischen Entwicklungsprozess: Du klärst Anforderungen, untersuchst Teilsysteme, entwickelst mehrere Lösungsideen, fertigst Skizzen und ein CAD-Modell, planst den Antrieb, stellst Bauteile her, montierst einen Prototyp, misst seine Leistung, dokumentierst Probleme und verbesserst das Fahrzeug systematisch.

Das Projekt ist für Klasse 9 ausgelegt. Die Aufgaben sind auf drei Niveaus differenziert: G steht für grundlegende Anforderungen, M für mittlere Anforderungen und E für erweiterte Anforderungen. Alle Lernenden arbeiten am gleichen technischen Produkt, aber Tiefe, Selbstständigkeit, mathematische Modellierung und Umfang der Optimierung unterscheiden sich.

Ein Fahrzeug ist ein technisches System. Energie wird aus einer Quelle bereitgestellt, im Elektromotor in Bewegung umgewandelt, über ein Getriebe oder eine andere Kraftübertragung zu den Rädern geleitet und schließlich als Fortbewegung sichtbar. Auf diesem Weg entstehen Verluste, zum Beispiel durch Reibung, Verformung, elektrische Widerstände und ungünstige Ausrichtung von Wellen oder Rädern.

Die Abbildung zeigt vereinfacht die Energie- und Kraftübertragung eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs. Für Dein Modell gilt dasselbe Grundprinzip, auch wenn Dein Fahrzeug viel kleiner und einfacher aufgebaut ist.

Das NASA-Video zum Engineering Design Process zeigt, dass technische Entwicklung selten geradlinig abläuft. Planen, Bauen, Testen und Verbessern bilden einen Kreislauf. Genau dieser Kreislauf bestimmt auch Dein Fahrzeugprojekt.

Projektauftrag

Dein Team entwickelt ein Modellfahrzeug, das sich mit einem schulisch freigegebenen elektrischen Antrieb selbstständig fortbewegt. Das Fahrzeug soll eine vorgegebene Strecke sicher, zuverlässig und möglichst zielgerichtet bewältigen. Zusätzlich muss der Entwicklungsweg nachvollziehbar dokumentiert werden.

Ein mögliches schulisches Regelwerk kann so aussehen. Die Werte dürfen von der Lehrkraft an Material, Raum und Zeit angepasst werden.

Bereich	Beispiel für ein messbares Kriterium	Nachweis
Fortbewegung	Das Fahrzeug fährt aus eigener Kraft mindestens 4 m.	Zeitmessung und Video
Spurtreue	Das Fahrzeug bleibt auf einer 60 cm breiten Testbahn.	Markierte Fahrbahn und Messprotokoll
Nutzlast	Das Fahrzeug transportiert mindestens 100 g Zusatzmasse.	Waage und Fahrtest
Energieversorgung	Es wird ausschließlich die bereitgestellte schulische Niederspannungsquelle verwendet.	Sichtprüfung und Dokumentation
Sicherheit	Elektrische Verbindungen sind isoliert, scharfe Kanten entfernt und bewegte Teile sicher befestigt.	Sicherheitscheck
Zuverlässigkeit	Mindestens drei von drei Wiederholungen einer Testserie gelingen ohne Ausfall.	Testprotokoll
Dokumentation	Skizze, CAD-Modell, Fertigungsplan, Messwerte, Probleme und Verbesserungen sind dokumentiert.	Digitales Entwicklungsprotokoll

Das Ziel ist nicht, sofort das schnellste Fahrzeug zu bauen. Entscheidend ist, dass Du begründete technische Entscheidungen triffst und nachweisen kannst, warum eine Änderung das Fahrzeug verbessert oder warum eine Idee verworfen wurde.

An einem offenen Modellfahrzeug sind typische Teilsysteme gut zu erkennen: Fahrgestell, Räder, Achsen, Antrieb, Kraftübertragung und elektrische Komponenten. Dein Schulmodell kann deutlich einfacher sein, folgt aber denselben Grundideen eines technischen Systems.

Lernziele

Nach dem aiMOOC kannst Du ein technisches Problem in Teilprobleme zerlegen und aus Anforderungen prüfbare Kriterien ableiten. Du kannst den Energie- und Informationsfluss eines Modellfahrzeugs beschreiben, einen einfachen elektrischen Antrieb auswählen, eine Übersetzung dimensionieren, Räder und Achsen funktionsgerecht anordnen, eine technische Skizze und ein CAD-Modell erstellen, Fertigungsverfahren begründet auswählen, einen sicheren Prototyp herstellen, Messreihen planen und auswerten sowie Verbesserungen anhand von Daten begründen.

Du lernst außerdem, technische Arbeit als Versionen zu denken. V1 ist nicht „schlecht“, nur weil V2 besser fährt. V1 liefert Daten. Diese Daten helfen Dir, die nächste Version gezielt zu verändern.

Differenzierung G/M/E

Bereich	G – grundlegendes Niveau	M – mittleres Niveau	E – erweitertes Niveau
Anforderungen	Vorgegebene Kriterien verstehen und in einer Checkliste verwenden.	Kriterien selbst messbar formulieren und priorisieren.	Zielkonflikte analysieren und Kriterien gewichten.
Skizze	Bemaßte Handskizze mit Hauptmaßen erstellen.	Mehrere Ansichten mit Funktionsmaßen und Bauteilbezeichnungen erstellen.	Varianten vergleichen und konstruktive Entscheidungen begründen.
CAD	Ein einfaches Bauteil nach Anleitung modellieren.	Mehrere Bauteile parametrisch modellieren und passend zusammenfügen.	Toleranzen, Fertigungsverfahren und Änderbarkeit systematisch berücksichtigen.
Antrieb	Wirkung von Motor, Getriebe und Rädern qualitativ erklären.	Übersetzung und Fahrzeuggeschwindigkeit berechnen.	Mehrere Übersetzungen rechnerisch vergleichen und anhand von Messwerten optimieren.
Fertigung	Nach Fertigungsplan sicher arbeiten.	Arbeitsschritte selbst planen und Qualitätskontrollen durchführen.	Fertigungsalternativen nach Genauigkeit, Aufwand und Materialeinsatz bewerten.
Test	Strecke und Fahrzeit messen.	Wiederholungsmessungen auswerten und Fehlerquellen benennen.	Messunsicherheit, Streuung und Energiebedarf in die Bewertung einbeziehen.
Optimierung	Einen erkannten Fehler gezielt verbessern.	Hypothese formulieren, eine Variable verändern und Wirkung nachweisen.	Mehrere Zielgrößen gegeneinander abwägen und einen Optimierungskompromiss begründen.
Dokumentation	Bilder, Messwerte und kurze Notizen sichern.	Versionen, Entscheidungen und Probleme nachvollziehbar dokumentieren.	Daten visualisieren, Ursachenketten begründen und die technische Entwicklung kritisch reflektieren.

Sicherheit zuerst

Ein funktionierendes Fahrzeug ist nur dann ein gutes technisches Produkt, wenn es sicher entwickelt, gefertigt und getestet wurde. Verwende ausschließlich die von der Schule freigegebenen Spannungsquellen, Motoren, Werkzeuge und Maschinen. Akkus dürfen nicht geöffnet, kurzgeschlossen, gequetscht oder zweckentfremdet werden. Bei ungewöhnlicher Erwärmung, Geruch, Rauch oder beschädigten Leitungen wird die Stromversorgung sofort getrennt und die Lehrkraft informiert.

Beim Bohren, Sägen, Fräsen, Schneiden oder Schleifen gelten die Sicherheitsregeln der Werkstatt. Lange Haare, Schmuck und lose Kleidung müssen von rotierenden Teilen ferngehalten werden. Beim Arbeiten mit Maschinen wird die vorgeschriebene Schutzausrüstung getragen. Werkstücke werden sicher eingespannt und nicht mit der Hand „irgendwie festgehalten“.

Ein Lötkolben ist ein Heißwerkzeug. Löten erfolgt nur nach schulischer Einweisung und unter den dort geltenden Regeln. Beim Testen des fertigen Fahrzeugs stehen keine Personen in der Fahrspur. Das Fahrzeug wird erst aufgesetzt, wenn die Testbahn frei ist.

Vor jedem Test nutzt Du einen kurzen Sicherheitscheck.

Sicherheitsfrage	Ja	Nachbessern
Sind Räder, Achsen, Motor und Getriebe fest montiert?	□	□
Sind Kabel so geführt, dass sie nicht in Räder oder Zahnräder geraten?	□	□
Sind blanke elektrische Verbindungen geschützt?	□	□
Sind scharfe Kanten oder hervorstehende Drahtenden beseitigt?	□	□
Drehen alle Teile frei, ohne am Rahmen zu schleifen?	□	□
Ist die Teststrecke frei von Personen und Hindernissen?	□	□
Ist klar, wie die Stromversorgung schnell getrennt wird?	□	□

Das Fahrzeug als technisches System

Ein technisches System lässt sich in Teilsysteme gliedern. Für ein einfaches Modellfahrzeug sind besonders wichtig: Energiequelle, elektrische Verbindung, Motor, Kraftübertragung, Achsen, Lagerung, Räder, Fahrgestell und gegebenenfalls Karosserie oder Nutzlastaufnahme.

Die Wirkungskette kann so beschrieben werden:

elektrische Energie → Elektromotor → Drehbewegung → Getriebe oder Kupplung → Achse → Rad → Fortbewegung

An jedem Übergang können Verluste oder Störungen auftreten. Ein Motor kann schnell drehen, aber die Räder erhalten zu wenig Drehmoment. Eine Achse kann schief eingebaut sein und zusätzliche Reibung erzeugen. Ein Rad kann auf der Achse rutschen. Ein zu weicher Rahmen kann sich verwinden. Gute Konstruktion bedeutet deshalb, nicht nur Einzelteile zu betrachten, sondern ihr Zusammenwirken.

Der Elektromotor

Ein Elektromotor wandelt elektrische Leistung in mechanische Leistung um. Bei kleinen Schulmodellen werden häufig Gleichstrommotoren verwendet. Legst Du eine geeignete Spannung an, dreht sich die Motorwelle. Wird bei einem einfachen Gleichstrommotor die Polung vertauscht, ändert sich typischerweise die Drehrichtung.

Für die Fahrzeugentwicklung sind zwei Eigenschaften besonders wichtig: Drehzahl und Drehmoment. Eine hohe Leerlaufdrehzahl bedeutet nicht automatisch, dass ein Fahrzeug gut beschleunigt oder eine Last ziehen kann. Unter Last sinkt die Drehzahl. Wird der Motor zu stark gebremst, steigt bei vielen kleinen Gleichstrommotoren der Strom deutlich an. Deshalb muss ein blockierter Antrieb sofort abgeschaltet werden.

G: Beschreibe qualitativ, was der Motor im Fahrzeug bewirkt.

M: Ermittle experimentell, wie sich das Fahrzeug bei unterschiedlichen Übersetzungen verhält.

E: Untersuche zusätzlich den Zusammenhang zwischen Last, Stromaufnahme und Fahrverhalten und diskutiere, welche Betriebsweise sinnvoll ist.

Getriebe und Übersetzung

Ein Getriebe verändert Drehzahl, Drehmoment und gegebenenfalls Drehrichtung. Bei einem einfachen Stirnradpaar gilt näherungsweise:

i = z_Abtrieb / z_Antrieb = n_Antrieb / n_Abtrieb

Dabei ist z die Zähnezahl und n die Drehzahl. Treibt ein kleines Zahnrad mit 10 Zähnen ein größeres Zahnrad mit 30 Zähnen an, ist die Übersetzung i = 3. Der Abtrieb dreht sich idealisiert nur noch mit einem Drittel der Eingangsdrehzahl. Gleichzeitig steigt das nutzbare Drehmoment idealisiert ungefähr um den Faktor drei. Reale Getriebe haben Verluste.

Datei:Getriebemodell 3achsig 3dDruck, TU Wien, BEST25.webm

Ein Zwischenrad kann bei einem einfachen Zahnradzug die Drehrichtung verändern, ohne das Größenverhältnis der Übersetzung zwischen erstem und letztem Zahnrad allein zu bestimmen. Bei mehreren Stufen musst Du die einzelnen Übersetzungen miteinander verknüpfen.

G: Entscheide anhand von Zahnradgrößen, ob der Abtrieb schneller oder langsamer wird.

M: Berechne eine einfache Übersetzung aus Zähnezahlen.

E: Leite aus einer gewünschten Raddrehzahl eine geeignete mehrstufige Übersetzung ab und prüfe sie experimentell.

Räder, Achsen und Reibung

Das Rad überträgt die Drehbewegung auf den Boden. Damit das Fahrzeug gerade fährt, müssen die Achsen möglichst parallel und die Räder möglichst rund, konzentrisch und frei drehbar montiert sein. Sind zwei Räder derselben Achse unterschiedlich groß oder läuft eine Achse schräg, entsteht ein systematischer Richtungsfehler.

Zwischen Rad und Boden ist Reibung notwendig. Ohne ausreichende Haftung dreht ein Rad durch. Zu viel Reibung an Lagern oder am Rahmen bremst das Fahrzeug jedoch. Deshalb unterscheidest Du sinnvoll zwischen erwünschter Haftung an der Fahrbahn und unerwünschter Reibung in Lagerstellen und schleifenden Bauteilen.

Wenn ein Rad den Durchmesser d besitzt und sich mit n Umdrehungen pro Minute dreht, kann die theoretische Geschwindigkeit näherungsweise berechnet werden:

v = π · d · n / 60

Dabei wird d in Metern eingesetzt und v ergibt sich in Metern pro Sekunde.

Beispiel: Ein Rad mit 0,06 m Durchmesser dreht sich mit 200 Umdrehungen pro Minute.

v ≈ 3,14 · 0,06 m · 200 / 60 s ≈ 0,63 m/s

In der Praxis ist die gemessene Geschwindigkeit oft kleiner, weil Last, Schlupf, Reibung und Verluste auftreten.

Fahrgestell und Schwerpunkt

Das Fahrgestell trägt alle Komponenten. Es soll leicht genug sein, damit der Motor nicht unnötig belastet wird, aber steif genug, damit Achsen und Getriebe ihre Ausrichtung behalten. Eine leichte Konstruktion ist nicht automatisch besser: Wenn sich der Rahmen verwindet, können Zahnräder aus dem Eingriff geraten oder Räder schräg stehen.

Der Schwerpunkt beeinflusst die Fahrstabilität. Eine schwere Batterie weit oben kann ein schmales Fahrzeug kippliger machen. Eine schwere Komponente weit vorne oder hinten verändert außerdem die Belastung der Räder. Bei angetriebenen Rädern muss genügend Normalkraft vorhanden sein, damit sie nicht leicht durchdrehen.

Vom Problem zur Anforderung

Eine technische Entwicklung beginnt nicht mit dem Bohren des ersten Lochs, sondern mit einer guten Beschreibung des Problems. Aus einer ungenauen Aussage wie „Das Auto soll gut fahren“ entstehen keine prüfbaren Entscheidungen. Eine Anforderung muss möglichst messbar sein.

Unklare Aussage	Bessere technische Anforderung
Das Auto soll schnell sein.	Das Fahrzeug soll 4 m in höchstens 12 s zurücklegen.
Das Auto soll gerade fahren.	Das Fahrzeug bleibt über 4 m innerhalb einer 60 cm breiten Spur.
Das Auto soll stabil sein.	Nach drei Testfahrten sind keine Bauteile locker oder sichtbar beschädigt.
Das Auto soll etwas tragen.	Das Fahrzeug transportiert 100 g Zusatzmasse über die gesamte Teststrecke.
Das Auto soll sicher sein.	Kabel, Antrieb und Befestigungen bestehen den Sicherheitscheck vor jeder Fahrt.

Nutze eine Muss-Soll-Kann-Struktur. Muss-Anforderungen dürfen nicht verletzt werden. Soll-Anforderungen verbessern das Produkt deutlich. Kann-Anforderungen sind Erweiterungen, wenn Zeit und Material ausreichen.

Anforderungsliste als Arbeitsdokument

ID	Anforderung	Muss/Soll/Kann	Messmethode	Zielwert
A1	Strecke bewältigen	Muss	Maßband und Stoppuhr	nach Vorgabe
A2	Spur halten	Muss	Markierte Testbahn	nach Vorgabe
A3	Nutzlast transportieren	Soll	Waage und Fahrtest	nach Vorgabe
A4	Energie sparsam nutzen	Soll	Spannung, Strom und Fahrzeit	Vergleichswert
A5	Wartungsfreundlicher Aufbau	Kann	Demontageprüfung	Motor und Batterie erreichbar

G: Übernimm vorgegebene Anforderungen und markiere, wie sie geprüft werden.

M: Formuliere mindestens zwei Anforderungen selbst messbar.

E: Gewichte die Kriterien und begründe Zielkonflikte, zum Beispiel Geschwindigkeit gegen Zugkraft oder geringes Gewicht gegen Steifigkeit.

Konstruktionsphase

Ideen entwickeln und vergleichen

Entwickle nicht sofort nur eine Lösung. Erstelle mindestens drei grobe Konzeptideen. Du kannst beispielsweise unterscheiden, ob eine Vorder- oder Hinterachse angetrieben wird, ob der Motor längs oder quer eingebaut ist, ob der Antrieb direkt, über Zahnrad, Riemen oder Reibrad erfolgt und wie die Achsen gelagert werden.

Eine einfache morphologische Übersicht unterstützt Dich.

Teilfunktion	Variante A	Variante B	Variante C
Motorposition	mittig	hinten	seitlich
Kraftübertragung	Zahnrad	Riemen	Reibrad
Achslagerung	Bohrung im Rahmen	Röhrchen als Gleitlager	separates Lagerteil
Radbefestigung	Presssitz	Klemmung	Formschluss
Rahmen	Plattenbauweise	Profilbauweise	3D-gedruckte Struktur

Bewerte Varianten nicht nur nach Aussehen. Nutze Kriterien wie Funktion, Herstellbarkeit, Genauigkeit, Materialbedarf, Reparierbarkeit und Sicherheit.

Technische Skizze

Eine technische Skizze macht eine Idee prüfbar. Zeichne mindestens Draufsicht und Seitenansicht. Trage Hauptmaße, Achsabstände, Raddurchmesser, Motorposition und Befestigungspunkte ein. Funktionsmaße sind wichtiger als dekorative Details.

Eine gute Skizze beantwortet Fragen, bevor Material bearbeitet wird: Passt das Zahnrad an die Achse? Ist genug Abstand zum Boden? Kann der Motor befestigt werden? Liegen Kabel im Bereich eines Rades? Ist die Batterie zugänglich? Bleibt der Schwerpunkt günstig?

G: Erstelle eine bemaßte Skizze nach einem vorgegebenen Grundaufbau.

M: Entwickle zwei Skizzenvarianten und entscheide anhand von Kriterien.

E: Ergänze Toleranzüberlegungen, Montagefolge und mögliche Anpassungsstellen.

CAD-Modell

Mit CAD kannst Du Bauteile digital modellieren, Maße systematisch ändern und Modelle für 3D-Druck oder andere Fertigungsverfahren vorbereiten. Besonders sinnvoll ist ein parametrischer Aufbau: Maße wie Achsdurchmesser, Bohrungsabstand oder Raddurchmesser werden so angelegt, dass Änderungen nicht das gesamte Modell zerstören.

Für eine vertiefte Arbeit mit einem freien CAD-System kann auch FreeCAD genutzt werden.

Ein sinnvolles CAD-Arbeitsprodukt ist nicht nur ein schönes Bildschirmbild. Sichere mindestens folgende Nachweise: Screenshot des Modells, wichtige Maße, Versionsnummer, Exportdatei für die Fertigung und eine kurze Begründung, warum das Bauteil so gestaltet wurde.

G: Modelliere ein einfaches Rad, einen Motorhalter oder einen Lagerbock nach Maßvorgaben.

M: Passe Maße an reale Komponenten an und dokumentiere die Änderung.

E: Konstruiere Bauteile mit bewusst gewählten Toleranzen und prüfe Montagefreiheit digital.

Antrieb auslegen

Für die Auslegung musst Du Motor, Übersetzung und Raddurchmesser gemeinsam betrachten. Große Räder erhöhen bei gleicher Raddrehzahl die theoretische Geschwindigkeit, verlangen aber mehr Drehmoment an der Achse. Eine starke Untersetzung senkt die Raddrehzahl, erhöht aber idealisiert das verfügbare Drehmoment.

Rechenweg für M und E

Ein mögliches Vorgehen ist:

Ermittle oder schätze die Motordrehzahl unter Last.
Lege eine gewünschte Raddrehzahl fest.
Berechne die erforderliche Übersetzung.
Wähle passende Zahnzahlen oder Riemenscheiben.
Berechne mit dem Raddurchmesser eine theoretische Fahrzeuggeschwindigkeit.
Baue die Variante auf und miss die reale Geschwindigkeit.
Vergleiche Theorie und Messung und erkläre Abweichungen.

Beispiel: Ein Motor dreht unter Last näherungsweise mit 600 Umdrehungen pro Minute. Du verwendest ein Ritzel mit 10 Zähnen und ein Abtriebsrad mit 30 Zähnen. Die Übersetzung beträgt 3. Die Achse dreht sich idealisiert mit ungefähr 200 Umdrehungen pro Minute. Bei 60 mm Raddurchmesser ergibt sich theoretisch ungefähr 0,63 m/s.

Wichtig: Ein Rechenwert ist keine Garantie. Erst der Test zeigt, ob Reibung, Last, Haftung und reale Motoreigenschaften zur Konstruktion passen.

Fertigungsplanung

Eine gute Konstruktion kann an schlechter Fertigung scheitern. Plane deshalb Material, Werkzeuge, Reihenfolge und Qualitätskontrollen vor der Herstellung.

Bauteil	Material	Fertigungsverfahren	Werkzeug oder Maschine	Kritisches Maß	Qualitätsprüfung
Fahrgestell	nach Vorgabe	Sägen, Schneiden oder Fräsen	schulisch freigegeben	Achsabstand	Maßkontrolle und Ebenheit
Motorhalter	nach Vorgabe	Bohren oder 3D-Druck	schulisch freigegeben	Motoraufnahme	Sitz ohne Verkanten
Rad	nach Vorgabe	3D-Druck oder vorhandenes Bauteil	3D-Drucker	Bohrung und Rundlauf	Dreht konzentrisch
Achslager	nach Vorgabe	Bohren, Einpassen oder 3D-Druck	schulisch freigegeben	Fluchtung	Achse dreht frei
elektrische Verbindung	Leitung und Schalter	Verbinden nach Einweisung	schulisch freigegeben	Zugentlastung	Sicht- und Funktionsprüfung

Beim 3D-Druck sind Konstruktion und Fertigung eng verbunden. Wandstärke, Bohrungsdurchmesser, Druckrichtung und notwendiges Spiel beeinflussen, ob ein Bauteil später wirklich passt. Ein CAD-Loch mit exakt dem gleichen Nennmaß wie eine reale Achse kann in der Praxis zu eng sein. Deshalb werden Toleranzen getestet und dokumentiert.

Messen und prüfen

Messungen machen aus Eindrücken technische Aussagen. „V2 fährt besser“ ist schwach. „V2 benötigt im Mittel 7,8 s statt 10,6 s für 4 m und bleibt in allen drei Fahrten in der Spur“ ist überprüfbar.

Längen messen

Für Rad- und Achsmaße ist ein Messschieber genauer als ein Lineal. Miss nicht nur einmal. Prüfe beispielsweise den Raddurchmesser an mehreren Stellen, wenn Du einen schlechten Rundlauf vermutest.

Elektrische Größen messen

Mit einem Multimeter kannst Du je nach Messaufgabe Spannung und Strom bestimmen. Spannung wird an einem Bauteil parallel gemessen. Strom wird in Reihe zum Stromkreis gemessen. Ein Strommessgerät darf nicht einfach direkt an die Spannungsquelle gehalten werden, weil dadurch ein sehr großer Strom entstehen kann.

Für E-Aufgaben kann die elektrische Eingangsleistung näherungsweise mit

P_el = U · I

bestimmt werden. Wird über eine Zeit t gefahren, kann die zugeführte elektrische Energie näherungsweise mit

E_el = U · I · t

verglichen werden. Für kurze Schulversuche genügt häufig der relative Vergleich zwischen zwei Versionen, solange Messmethode und Bedingungen gleich bleiben.

Testplan

Ein fairer Test verändert möglichst nur eine wesentliche Größe gleichzeitig. Sonst weißt Du nicht, welche Änderung die Wirkung verursacht hat. Gleiche Teststrecke, gleiche Nutzlast, gleiche Energiequelle und gleiche Startmethode verbessern die Vergleichbarkeit.

Test	Messgröße	Bedingungen	Wiederholungen	Ziel
Geradeausfahrt	seitliche Abweichung	gleiche Startposition	mindestens 3	Spurtreue
Geschwindigkeit	Strecke und Zeit	gleiche Strecke	mindestens 3	kurze Fahrzeit
Lasttest	maximal sicher transportierte Nutzlast	gleiche Übersetzung	mindestens 3	ausreichende Zugkraft
Zuverlässigkeit	erfolgreiche Fahrten	identischer Aufbau	mindestens 5	kein mechanischer Ausfall
Energievergleich	Spannung, Strom und Zeit	gleiche Strecke und Nutzlast	mindestens 3	geringe elektrische Energie pro Aufgabe

Messprotokoll Geschwindigkeit

Version	Übersetzung	Raddurchmesser	Nutzlast	Strecke	Zeit 1	Zeit 2	Zeit 3	Mittelwert	Bemerkung
V1
V2
V3

Berechne für jede Fahrt v = s / t. Für M und E bestimmst Du zusätzlich einen Mittelwert. Auf E-Niveau beschreibst Du außerdem die Streuung und diskutierst mögliche Messunsicherheiten.

Digitale Entwicklungsdokumentation

Ein digitales Entwicklungsprotokoll verbindet Text, Bilder, Messdaten, CAD-Dateien und Entscheidungen. Es darf nicht erst am Ende „aus dem Gedächtnis“ geschrieben werden. Dokumentiere direkt nach wichtigen Arbeitsschritten.

Datum	Version	Ziel des Arbeitsschritts	Änderung	Messwerte oder Beobachtung	Problem	Vermutete Ursache	Entscheidung für nächsten Schritt	Mediennachweis
	V1							Foto oder Screenshot
	V2							Messdiagramm
	V3							CAD-Screenshot oder Video

Ein gutes digitales Protokoll enthält verschiedene Produktionsformen: bemaßte Skizzen, kommentierte Fotos, CAD-Screenshots, kurze Bildschirmaufnahmen, Messwerttabellen, Diagramme, Zeitlupenvideos kritischer Bewegungen, Vorher-Nachher-Vergleiche und kurze Reflexionstexte.

Die Dateinamen sollten eindeutig sein, zum Beispiel Fahrzeug_V2_Motorhalter_CAD, Test_V2_4m_01 oder Messwerte_V3_Lasttest. So entsteht eine nachvollziehbare Versionsgeschichte.

Probleme systematisch diagnostizieren

Technische Probleme sind Lerngelegenheiten. Verändere nicht sofort mehrere Dinge gleichzeitig. Beobachte, formuliere eine Ursache, plane einen Test und entscheide anhand der Daten.

Beobachtung	Mögliche Ursache	Prüfmethode	Mögliche Verbesserung
Fahrzeug zieht nach links	Achsen nicht parallel	Abstände links und rechts messen	Lagerposition korrigieren
Fahrzeug zieht nach links	Raddurchmesser unterschiedlich	Räder mit Messschieber prüfen	Räder nacharbeiten oder tauschen
Motor dreht, Fahrzeug fährt kaum	Übersetzung zu schnell	kleinere und größere Zahnradkombination vergleichen	stärkere Untersetzung
Räder drehen durch	zu geringe Haftung	Oberflächenvergleich	geeignete Lauffläche oder bessere Gewichtsverteilung
Getriebe ist laut oder klemmt	Achsabstand oder Ausrichtung falsch	Zahneingriff langsam von Hand prüfen	Lagerung und Abstand korrigieren
Rad eiert	Bohrung nicht konzentrisch	Rad drehen und seitlichen Schlag beobachten	Rad neu fertigen oder Aufnahme verbessern
Motor wird ungewöhnlich warm	Antrieb schwergängig oder überlastet	sofort abschalten und Mechanik von Hand prüfen	Reibung reduzieren oder Übersetzung anpassen

Optimieren mit Daten

Optimierung bedeutet, eine Zielgröße zu verbessern, ohne wichtige andere Anforderungen zu verletzen. Ein schnelleres Fahrzeug ist keine Verbesserung, wenn es danach die Spur verlässt oder der Motor überlastet wird.

Nutze einen Optimierungszyklus:

Ausgangszustand V1 messen.
Ein Problem auswählen.
Eine Ursache als Hypothese formulieren.
Genau eine Hauptvariable verändern.
Version V2 bauen.
Unter gleichen Bedingungen erneut messen.
Daten vergleichen.
Änderung beibehalten, anpassen oder zurücknehmen.
Entscheidung im Entwicklungsprotokoll begründen.

Ein Beispiel: V1 braucht 11,2 s für 4 m und schafft die Nutzlast sicher. Du vermutest, dass die Übersetzung stärker als nötig untersetzt ist. Für V2 wählst Du eine etwas schnellere Übersetzung. V2 benötigt 8,9 s, schafft aber die Nutzlast nur noch unzuverlässig. Daraus folgt nicht automatisch, dass V2 besser ist. Die Entscheidung hängt von den gewichteten Anforderungen ab.

Vorher-Nachher-Tabelle

Kriterium	V1	Änderung	V2	Verbesserung?	Begründung
Fahrzeit
Spurabweichung
Nutzlast
Zuverlässigkeit
Energiebedarf

G: Belege eine Verbesserung mit mindestens einem Messwert.

M: Vergleiche mehrere Messgrößen und erkläre einen Zielkonflikt.

E: Entwickle eine begründete Gewichtung der Kriterien und bestimme, welche Version insgesamt der beste technische Kompromiss ist.

Medienproduktion im Projekt

Technische Entwicklung wird überzeugender, wenn Du sie nicht nur beschreibst, sondern sichtbar machst. Die folgenden Produkte können kombiniert werden.

Produktionsform	Inhalt	Technischer Nutzen
Handskizze	Aufbau, Maße, Funktionsideen	frühe Fehler erkennen
CAD-Modell	Rad, Motorhalter, Lagerbock oder Rahmen	Maße ändern und Fertigung vorbereiten
Explosionsdarstellung	Reihenfolge und Lage von Bauteilen	Montage verstehen
Fotodokumentation	Fertigungsschritte und Versionen	Entwicklungsweg nachweisen
Zeitlupenvideo	Radlauf, Zahnradkontakt oder Anfahrvorgang	Bewegungsfehler analysieren
Messwerttabelle	Zeit, Strecke, Spannung, Strom, Abweichung	Versionen vergleichen
Diagramm	Messwerte visualisieren	Trends erkennen
Bildschirmaufnahme	CAD-Änderung erläutern	konstruktive Entscheidung dokumentieren
Kurzvideo	Test und technische Erklärung	Funktion und Optimierung präsentieren
Digitales Entwicklungsprotokoll	Entscheidungen, Probleme, Ursachen und Verbesserungen	Prozess nachvollziehbar machen

Projektorganisation

In einem Team sollten Aufgaben verteilt, aber Wissen nicht getrennt werden. Jede Person muss erklären können, wie das Fahrzeug funktioniert. Sinnvolle Rollen sind Konstruktion, Fertigung, Messung und Dokumentation. Rollen können nach jeder Phase wechseln.

Ein kurzer täglicher Projektstand hilft:

Was war heute unser Ziel?
Was haben wir tatsächlich erreicht?
Welche Abweichung ist entstanden?
Welches Problem blockiert uns?
Welcher nächste Schritt liefert die wichtigste Information?

Qualitätsraster G/M/E

Kriterium	G	M	E
Anforderungsliste	vorgegebene Kriterien korrekt geprüft	eigene messbare Kriterien ergänzt	Kriterien gewichtet und Zielkonflikte begründet
Konstruktion	funktionsfähige Skizze und einfacher Aufbau	Variantenvergleich und begründete Auswahl	systematische Dimensionierung mit Toleranzen
CAD	einfaches Bauteil korrekt modelliert	reale Maße und Montage berücksichtigt	parametrische, fertigungsgerechte Konstruktion
Antrieb	Motor und Kraftübertragung erklärt	Übersetzung berechnet und getestet	Übersetzung rechnerisch und experimentell optimiert
Fertigung	sicher und maßhaltig nach Plan gearbeitet	Fertigungsfolge selbstständig geplant	Qualität, Aufwand und Verfahren reflektiert
Messung	korrekte Einzelmessungen	Wiederholungsmessungen und Mittelwerte	Streuung, Unsicherheit und Energievergleich
Optimierung	eine Verbesserung nachgewiesen	Hypothese und kontrollierter Vergleich	Mehrzieloptimierung mit begründetem Kompromiss
Dokumentation	Arbeitsweg nachvollziehbar	Versionen und Entscheidungen gut belegt	Daten, Medien und Reflexion professionell verknüpft

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was ist eine gute technische Anforderung? (Sie ist messbar und prüfbar) (!Sie beschreibt nur eine persönliche Meinung) (!Sie wird erst nach dem Bau festgelegt) (!Sie enthält möglichst keine Zielwerte)

Welche Aufgabe hat ein Getriebe im Modellfahrzeug? (Es kann Drehzahl und Drehmoment anpassen) (!Es erzeugt elektrische Energie aus dem Nichts) (!Es ersetzt immer die Räder) (!Es verhindert jede Form von Reibung)

Was geschieht bei einer stärkeren Untersetzung typischerweise? (Die Abtriebsdrehzahl sinkt und das verfügbare Drehmoment steigt) (!Die Abtriebsdrehzahl steigt immer stark an) (!Der Motor benötigt grundsätzlich keinen Strom mehr) (!Die Fahrtrichtung wird immer unverändert bleiben)

Woraus wird die mittlere Geschwindigkeit bestimmt? (Aus Strecke und benötigter Zeit) (!Aus Raddurchmesser und Fahrzeugfarbe) (!Aus Spannung und Masse allein) (!Aus Zahnzahl und Kabellänge)

Warum werden Testfahrten wiederholt? (Um die Zuverlässigkeit der Messwerte besser beurteilen zu können) (!Damit Messwerte absichtlich möglichst verschieden werden) (!Damit keine Dokumentation mehr nötig ist) (!Damit nur die schnellste Fahrt gewertet wird)

Welche Maßnahme unterstützt einen guten Geradeauslauf? (Achsen möglichst parallel ausrichten) (!Ein Rad deutlich größer bauen) (!Den Rahmen absichtlich verwinden) (!Kabel an einem Rad schleifen lassen)

Wie sollte bei einer systematischen Optimierung vorgegangen werden? (Möglichst nur eine Hauptvariable pro Vergleich gezielt verändern) (!Alle Bauteile gleichzeitig verändern) (!Messwerte nur aus dem Gedächtnis notieren) (!Nur die optische Wirkung vergleichen)

Was gehört in ein digitales Entwicklungsprotokoll? (Änderungen, Messwerte, Probleme und Entscheidungen) (!Nur ein Foto des fertigen Fahrzeugs) (!Nur die Namen der Teammitglieder) (!Nur die ursprüngliche Idee ohne spätere Änderungen)

Wann muss ein ungewöhnlich warmer oder blockierter Antrieb abgeschaltet werden? (Sofort) (!Erst nach mehreren weiteren Testfahrten) (!Nur wenn das Fahrzeug besonders langsam ist) (!Erst nach Ende der Unterrichtsstunde)

Was ist ein sinnvoller Beleg für eine Verbesserung? (Vergleichbare Messdaten von zwei Versionen) (!Eine Vermutung ohne Test) (!Eine neue Farbe des Fahrgestells) (!Ein einzelner nicht dokumentierter Eindruck)

Memory

Elektromotor	wandelt elektrische in mechanische Energie
Getriebe	passt Drehzahl und Drehmoment an
Messschieber	misst kleine Längen und Durchmesser genauer
Prototyp	frühe funktionsfähige Produktversion
CAD	digitales Konstruieren von Bauteilen
Spurtreue	Fähigkeit gerade innerhalb der Fahrbahn zu bleiben
Übersetzung	Verhältnis von Eingangs- zu Ausgangsdrehzahl
Entwicklungsprotokoll	dokumentiert Versionen Entscheidungen und Messwerte

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Elektromotor	Energieumwandlung
Zahnradgetriebe	Kraftübertragung
Messschieber	Maßkontrolle
CAD-Modell	digitale Konstruktion
Testprotokoll	Messdokumentation
Optimierung	gezielte Verbesserung

Kreuzworträtsel

Elektromotor	Welches Bauteil wandelt elektrische Energie in eine Drehbewegung um?
Getriebe	Welches Bauteil passt Drehzahl und Drehmoment an?
Drehmoment	Welche physikalische Größe beschreibt die Drehwirkung einer Kraft?
Reibung	Welche Wirkung bremst in Lagern oft unerwünscht und ermöglicht am Rad zugleich Haftung?
Prototyp	Wie heißt eine frühe funktionsfähige Version eines technischen Produkts?
Messschieber	Welches Werkzeug eignet sich zum genauen Messen eines Achsdurchmessers?

LearningApps

Lückentext

Eine technische Anforderung soll möglichst

formuliert sein.

Der

wandelt elektrische Energie in mechanische Bewegung um.

Ein

kann Drehzahl und Drehmoment verändern.

Für einen guten Geradeauslauf sollten die

möglichst parallel angeordnet sein.

Mit einem

lassen sich Rad- und Achsdurchmesser genauer als mit einem Lineal bestimmen.

Die mittlere Geschwindigkeit ergibt sich aus Strecke geteilt durch

.

Ein fairer Vergleich benötigt möglichst gleiche

.

Im Entwicklungsprotokoll werden Änderungen als neue

festgehalten.

Eine technische Verbesserung soll durch

belegt werden.

Bei einer systematischen Optimierung wird möglichst nur eine wesentliche

gleichzeitig verändert.

Ein CAD-Modell kann die spätere

eines Bauteils vorbereiten.

Wenn ein Antrieb blockiert oder ungewöhnlich warm wird, muss die Stromversorgung

werden.

Offene Aufgaben

Leicht

Anforderungsliste: Formuliere aus drei alltagssprachlichen Wünschen für ein Modellfahrzeug jeweils eine messbare technische Anforderung.
Technische Skizze: Zeichne ein mögliches Fahrzeug in Drauf- und Seitenansicht und markiere Motor, Achsen, Räder, Energiequelle und Kraftübertragung.
Fotodokumentation: Erstelle eine kommentierte Bildfolge mit mindestens vier Entwicklungsschritten und ergänze zu jedem Bild eine technische Beobachtung.
Fahrtest: Filme eine Testfahrt von der Seite und markiere im Video Start, Ziel, Fahrzeit und ein beobachtetes Problem.

Standard

CAD: Modelliere ein eigenes Rad, einen Motorhalter oder einen Lagerbock und dokumentiere die wichtigsten Maße sowie eine spätere Änderung.
Getriebe: Entwickle zwei unterschiedliche Übersetzungen, berechne ihre theoretische Wirkung und vergleiche sie in einer Messreihe.
Messwerterfassung: Erfasse mindestens drei Fahrzeiten je Version, berechne Mittelwerte und stelle die Ergebnisse in einem Diagramm dar.
Fehleranalyse: Wähle ein reales Problem Deines Fahrzeugs, formuliere mindestens zwei mögliche Ursachen und plane einen Test, der zwischen ihnen unterscheidet.

Schwer

Energieeffizienz: Vergleiche zwei Fahrzeugversionen über Spannung, Strom, Fahrzeit und erfüllte Transportaufgabe und entwickle ein begründetes Effizienzkriterium.
Mehrzieloptimierung: Gewichte Geschwindigkeit, Spurtreue, Nutzlast, Zuverlässigkeit und Energiebedarf und bestimme datenbasiert die beste Gesamtversion.
Konstruktionsreview: Lass ein anderes Team Deine CAD-Konstruktion prüfen, protokolliere mindestens drei Rückmeldungen und entscheide begründet, welche Änderungen Du übernimmst.
Erklärvideo: Produziere ein zwei- bis dreiminütiges Technikvideo, in dem Du Energiefluss, Übersetzung, einen dokumentierten Fehler und die wichtigste Optimierung mit Messdaten erklärst.

Lernkontrolle

Anforderungen und Zielkonflikte: Ein Fahrzeug ist nach einer Änderung schneller, kann aber die vorgeschriebene Nutzlast nicht mehr zuverlässig transportieren. Bewerte die Änderung anhand einer selbst gewählten Gewichtung von mindestens drei Kriterien.
Getriebeauslegung: Ein Motor dreht unter Last deutlich schneller als die Räder benötigt werden. Entwickle eine begründete Zahnradkombination und erkläre, welche Folgen sie für Drehzahl und Drehmoment hat.
Fehlerdiagnose: Ein Fahrzeug zieht bei jeder Fahrt nach rechts. Entwickle eine Prüfstrategie, mit der Du mindestens drei mögliche mechanische Ursachen nacheinander untersuchst.
Messqualität: Zwei Teams messen für dasselbe Fahrzeug deutlich unterschiedliche Fahrzeiten. Erkläre, welche Testbedingungen vereinheitlicht werden müssen und wie eine belastbarere Messreihe aufgebaut wird.
Optimierungsnachweis: Plane einen vollständigen Vorher-Nachher-Vergleich für eine technische Änderung. Lege Hypothese, veränderte Variable, konstante Bedingungen, Messgrößen und Entscheidungskriterium fest.
Transfer auf reale Technik: Übertrage die Erkenntnisse aus Deinem Modellfahrzeug auf ein reales Elektrofahrzeug. Zeige an mindestens drei Stellen, welche Prinzipien gleich sind und wo das Modell die Wirklichkeit stark vereinfacht.

Lernnachweis

Für einen erfolgreichen Lernnachweis ist nicht nur ein fahrendes Modell wichtig. Entscheidend ist die nachvollziehbare Verbindung von Planung, Konstruktion, Fertigung, Messung und Optimierung.

Anforderungsliste: Messbare Muss-, Soll- und Kann-Kriterien sind dokumentiert.
Konstruktionsskizze: Hauptmaße, Positionen und Funktionszusammenhänge sind erkennbar.
CAD-Modell: Mindestens ein eigenes funktionales Bauteil ist digital konstruiert und versioniert.
Antriebsauslegung: Motor, Kraftübertragung und Raddimensionen sind technisch begründet.
Fertigungsplanung: Material, Verfahren, Werkzeuge und Qualitätskontrollen sind dokumentiert.
Sicherheitsnachweis: Der Sicherheitscheck wurde vor Testfahrten durchgeführt.
Messreihe: Vergleichbare Messwerte aus mehreren Wiederholungen liegen vor.
Problemdokumentation: Mindestens ein technisches Problem wurde mit Ursache, Prüfmethode und Entscheidung beschrieben.
Optimierung: Eine Veränderung wurde anhand eines Vorher-Nachher-Vergleichs bewertet.
Digitale Dokumentation: Skizzen, Fotos, CAD, Messwerte und Reflexion sind geordnet und nachvollziehbar.
Fachgespräch: Du kannst Energiefluss, Getriebe, Reibung, Messmethode und wichtigste Konstruktionsentscheidung mündlich erklären.

OERs zum Thema

Der Wikipedia-Artikel zum Modellautomobil bietet einen Einstieg in Modellfahrzeuge und unterschiedliche Antriebsformen.

Weitere sinnvolle Vertiefungen sind die Artikel Elektromotor, Getriebe, Drehmoment, Reibung, Technische Zeichnung, CAD, 3D-Druck und Multimeter.

Der Bildungsplan Baden-Württemberg ordnet die Aufgabe in den Bereich Bewegung und Fortbewegung ein und nennt für die Klassen 8/9/10 ausdrücklich das Dimensionieren von Übersetzungen sowie das Entwickeln, Konstruieren, Fertigen und Optimieren eines Objekts mit Antrieb: Bildungsplan NwT – Bewegung und Fortbewegung

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Verknüpfte Lernbereiche

NWT9 - Ein Fahrzeug mit Antrieb entwickeln

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