Konstruktionsdetails für Modelle  1.Teil (Bulletin 46/2001)

von Bruno Mühlethaler und Peter Hartmann
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Vorbemerkung

Der ausführliche Artikel wurde für die bessere Übersicht im Internet teilweise gekürzt. Der Originaltext kann beim Webmaster angefordert werden.

Es geht um Hinweise zu Konstruktionsdetails für Modelle, deren zuverlässiges Funktionieren über eine längere Betriebsdauer garantiert werden soll. Dies im Hinblick auf die Ausstellung von Modellen, die in Schaufenstern während Wochen oder bei anderen AMS-Anlässen einige Tage lang der nicht zu unterschätzenden Beanspruchung eines Dauerlaufes ausgesetzt sind.

Unmittelbarer Anlass für die Artikelreihe sind unsere während der Suisse Toy-Ausstellung gemachten Beobachtungen und weitere im Laufe unseres Tuns gesammelte Erfahrungen .

 

1: Das triviale Thema der losen oder sich lockernden Verschraubungen

REGEL: Falls Verbindungen hartnäckig zum Lockerwerden neigen, kann getrost auf einen Konstruktionsmangel geschlossen werden.

Man halte sich vor Augen, dass in fast jedem Falle hinsichtlich Betrag und Richtung wech­ selnde Kräfte auf unsere Schraubverbindungen einwirken!

Beim Bau grösserer Modelle bei den einzelnen Baugruppen das nur lockere Anziehen der Schrauben durchaus notwendig sein kann, um genaues Ausrichten jener zu ermöglichen. vergisst man teilweise, anschliessend der Reihe nach alle Schrauben und Muttern festzuziehen. Dazu dient der Gabelschlüssel, der Spanner.

Hilfreich für das bessere Halten der Schraubenverbindungen ist die Verwendung von Plastik­ Unterlegscheibchen.

Eine weitere, vom Modellbauer nur selten gebrauchte und eher ausnahmsweise zu empfehlende Methode ist die Verwendung von Klebern die auf dem Prinzip der Sekunden­Klebern basieren. Als Mittel gegen das Lockern von Schrauben und Muttern sei hingewiesen auf Loctite 243 oder ähnliche Produkte. Bei lose gewordenen eingepressten Naben an Scheiben, Rädern, Kreuzgelenken u.a. eignet sich besonders Loctite 638 oder andere Nut/Welle-Sicherer.

 

   
 

2. Übertragung hoher Drehmomente mittels eines Paares von Kegelrädern

Diese üben bedeutende seitliche Kräfte auf ihre Wellen aus (Abb. 1). Durch die auf die vertikale Welle (Abb. 3) wirkende seitliche Kraft wurde der Kurbelarm (No. 62) einfach weggedrückt, da er nur mit einer (!) Schraube befestigt war. Überdies war die Art und Weise, wie die kurze Kupplung (No. 63d) benutzt wurde, wirkungslos. Abb. 4 zeigt drei Verbesserungen: 1) Bessere Montage des Kurbelarmes mit Winkel No. 12a, 2) Zweckmässigere Verwendung der Kupplung No. 63d und schliesslich 3) Reduktion des durch die Kegelräder zu übertragenden Drehmoments. Doch ist damit das Problem noch nicht optimal gelöst. Wir kommen unter dem Thema "LAGERUNG" darauf zurück. Grundsätzlich sollte man für derartige Anordnungen einen starren Getriebekasten bauen. Eine einfache Lösung zeigt Abb. 2.

Es scheint uns wichtig, darauf hinzuweisen, dass bei Zahnradpaaren immer mit unterschätzten seitlichen Kräften zu rechnen ist. Daher die REGEL: Die Wellenlager sind so zu dimensionieren und anzuordnen, dass diese seitlichen oder radialen Kräfte aufgefangen werden. Insbesondere ist zu berücksichtigen, dass bei Helicoidal-Zahnrädern auch Axialkräfte auftreten, denen gemäss den anschaulichen Abbildungen G.S. 16.11 bis 16.14 entgegengewirkt werden kann.

 

 

LAGERUNG

Hierzu empfehlen wir, das im Bulletin 31/93 enthaltene Kapitel LAGER (G.S. 12), Para­ graph 12.1 bis 12.8 zu konsultieren, und auch konsequent beim Bauen zu beherzigen . Ohne Wasser in den Wein schütten zu wollen, sei es erlaubt, aus eigener Erfahrung beizutragen :

Bild 1   Antrieb: Durch die beiden Kräfte werden die Wellen seitlich weggedrückt  Bei unsorgfältiger Lagerung derselben ist ein sicherer Eingriff der beiden Kegelräder nicht  mehr gewährleistet

 

Bild 2   Beispiel einer zweckmäßigen  Lagerung

 

Bild 3   Durch die oben erwähnte Kraft 21 wurde der ungenügend befestigte Kurbelarm 62 seitlich weggeschoben!

 

Bild 4   Verbesserungen:
1)
Bessere Befestigung von Kurbelarm  62 Durch die oben erwähnte Kraft 21 wurde der ungenügend befestigte Kurbelarm 62 seitlich weggeschoben!
2) Kurzkupplung 63d zweck­ mäßiger verwendet.
3)
Übersetzung  2: 1 statt  1: 1 (siehe  Text)

3: "Lagerdruck"
(G.S
. 12.3, besonders 12.4 "Lagerdruck")
Nach
der Demontage einer zweizylindrigen Dampfmaschine - dem ersten nach Beitritt zu den AMS gebauten Modell -hat der Schreibende folgendes erlebt: Die im nur 0.8 mm dicken Blech der Lagerplatte sich mit einer Drehzahl von ca. 1500/min drehende Zwi­ schenwelle hatte infolge der Zugkraft des Gummiriemens (Abb. 5) einen Lagerdruck ausgeübt, der trotz Schmierung zu einer Verformung führte, wie sie unten im Bild gezeichnet ist. Für so hohe Belastungen kommen nur verstärkte Lager in Frage (Abb. 7). Dafür bieten sich die Kunststoffstreifen K 42 und K 43 von Stokys oder die Messinglagerstreifen von Urs Flammer an. Ebenso geeignet ist das neue Meccanoteil 260c, das in Kästen der Serie "Motion System" enthalten ist. Man kann der Lagerplatte auch eine Nabe verpassen, wie man sie aus verbogenen Schnurlaufrädern gewinnt. Eine weitere brauchbare Einrichtung besteht im Zusammenschrauben von mehreren Flachbändern oder Lochscheiben (No. 24a) zu einem Paket. Wegen der Schwierigkeit genauen Justierens müssen  diese  Teile  nach Durchstecken der Welle gleichmässig an diese · angedrückt werden, wobei die Welle gleichzeitig in die Richtung gedrückt wird, in der die Belastung  zu erwarten ist. Alsdann sind die Befestigungsschrauben anzuziehen. Übrigens eignet sich ein solches Lager gut als "Schmierittelreservoir".

 

Bild 5    Verformung der Lagerung nach 50 Betriebsstunden durch den Lagerdruck

Bild 7   62 bzw. 260c  so montieren,dass Welle nur auf dem Messing bzw. Kunststoff aufliegt! (G.S. 12.4)

4: Schneckenlagerung

Anhand dieses Falles (Abb. 9) kann ein häufig zu sehender Mangel veranschaulicht werden: Mit einem Schneckenge­triebe musste ein relativ grosses Drehmoment übertragen werden. Da der Motor nur durch nachgiebige Federn an der Grundplatte "befestigt" war, entstand durch die in Abb. 8 erläuterte Radialkraft eine Auf- und Abwärtsbewegung der Schnecke, die sowohl an ihr wie auch an den Flanken der Zähne des Ritzels einseitig zu Materialabrieb führte. Der am Gestell an­ gehäufte Messingstaub bewies den Sachverhalt; Schmieren erwies sich als wirkungslos. Die meisten der Industriemotoren - nur solche kommen für unsere Zwecke in Frage - weisen zu kurze Wellenstümpfe auf, so dass ein beidseitiges Lagern der Schnecke nicht möglich ist. Eine gute Lösung lautet: Schnecke - wenn überhaupt - erst in zweiter Stufe anordnen (Abb. 12 und 13). Eine Schnecke, die direkt auf der Motorachse montiert ist, kann nur bei der Übertragung kleiner Drehmomente emp­ fohlen werden. Ein weiteres mangelhaftes Beispiel und eine mögliche Korrektur zeigt Abb. 11.  Soll  die Schnecke  aus  irgendwelchen Gründen dennoch in der ersten Stufe angeordnet werden, so ist die beste Lösung ein separates, kompaktes Schneckengetriebe (z.B. mit dem Schneckengehäuse von Märklin Nr. 117200), das mit einem gelenkigen oder elastischen Glied mit der Motorachse verbunden ist (Abb. 14 und 15, vgl. auch G.S. 12.2). Bezüglich Schnecken sei auf das Kapitel G.S. 16.5, 16.15 und 16. 16) verwiesen .

 

5. Die unrunden oder exzentrischen Zahnräder !

Am zweitletzten Tag der Suisse Toy Ausstellung bemerkte der Schreibende, dass das Förderrad seiner Lottomaschine anfing, sich unruhig, dann nach einer halben Stunde ruckweise, verbunden mit lautem Knacken, zu drehen. Folgendes war geschehen : Der bewährte Airpax-Motor trieb mit 60T/min über eine etwas fest angezogene Rutschkupplung ein Helicoidalritzel mit 12 Zähnen an. Ein gleiches Ritzel war auf der senkrecht zur Antriebswelle stehenden, sorgfältig gelagerten Abtriebswelle montiert.

Unterhalb dieser Anordnung hatte sich ein beträchtliches Häufchen Messingstaub abgelagert. Die Zahnflanken des Abtriebsritzels waren auf einer Seite nach aussen zunehmend stark abgenutzt und in der Höhe um ein Drittel bis zur Hälfte abgetragen. Das Ritzel auf der Antriebsseite war viel weniger verformt. Als Notbehelf wurden beide entfernt, der Motor um 90 Grad gedreht und über ein Kreuzgelenk direkt an die Abtriebswelle angeschlossen. Das wurde dann allerdings in verbesserter Form so belassen.

Der Grund für diese starke einseitige Abnützung wurde schliesslich in einer vor dem Einbau nicht beachteten Exzentrizität der Bohrung des Abtriebsritzels von etwas über 0.2 mm bezüglich des Lochzentrums gefunden. So ergab sich im Dauerbetrieb bei jeder Umdrehung eine gegenseitige Verschiebung der Zahnflanken im Bereiche von bis zu ca. 0.4 mm! Da diese ständig richtungswechselnde gegenseitige Reibung der Zahnflanken unter Last erfolgte, resultierte ein Materialabtrag, der in der letzten Phase zum Überspringen der Zähne an der am stärksten abgetragenen Stelle in der Nabe unserer Sortimentsteile gegebene normale "diametrale Exzentrizität" zu berücksichtigen. Sie beträgt bei Meccano in der Regel 0.22 mm. Die resultierende Exzentrizität beträgt nach Festziehen der Welle somit 0.11 mm, bei Märklin und Stokys noch mehr (G.S.19.8, Bull. 44/00). Man kann diesem Mangel durch Einlegen von 0,05 mm Blechstreifehen in die Nabe an der der Stellschraube gegenüberliegenden Seite begegnen.

Noch eine Bemerkung zu diesen unrunden Zahnrädern: der Schreibende pflegt jeweils einen "Rettungsversuch", indem er die Räder, ohne die Zähne zu beschädigen , einspannt und dann versucht, die Nabe so zu drehen, dass die Stellschraube auf die Seite der kleineren Exzentrizität zu liegen kommt. Wenn dann die Stellschraube festgezogen wird, verringert sich die Abweichung, um im besten Fall fast ganz kompensiert zu werden. Allerdings muss danach die so gelockerte Nabe entweder unter der Dompresse wieder festgestemmt, oder mittels Loctite oder durch Löten gesichert werden.

Hilft alles nichts, so empfehlen wir nach der Methode Urban Zimmerli (AMS 69) vorzugehen (Bulletin 44/00, Seite 33).

Bild 8   Diese Kraft bewirkt :
1. Die
axiale Belastung der Motor­ achse, für welche die Motoren
in
der Regel nicht konstruiert sind.
2. Radiale
Belastung der Motor­ achse. Schnecke  samt Motor kann angehoben werden.

Bild 9 Durch die schräg nach oben gerichtete Kraft wurde die Schnecke samt Motor angehoben. Die Folge: Lautes Rattern, Modell blieb stehen, starker Materialabrieb, unzulässige Belastung der Motorachse in axialer Richtung.

Bild 10   Ersetzt man das Ritzel (26) durch Zahnrad (27a), so wird (bei gleichbleibendem Abtriebs-Drehmoment) die auf die Schnecke wirkende Kraft dreimal kleiner!

Bildf 11   Ritzel wurde durch die Schnecke  in Richtung der Kraft (Schnecke -7 Ritzel)  weggedrückt (Welle ist elastisch!). Gleiche unliebsame Folgen wie oben!  Falls aus irgendwelchen Gründen der Motor nicht nach außen versetzt werden kann:  Abhilfe durch zusätzliche Lagerung (L).

Bild 12   Verbesserung durch zusätzliche Untersetzung

Bild 13   Bessere Lagerung: So werden schädliche
axiale Kräfte von der Motorwelle ferngehalten.

Bild 14   Beispiel von kompakten Schneckengetrieben.

Bild 15   Beispiel von kompakten Schneckengetrieben.

6: Dampfmaschinen

Ein beliebtes Motiv für Metallbau­ kasten-Modelle sind jegli­ cher Art. Es ist den beiden Verfassern aufgefallen, dass man an Ausstellungen oder auch in der Literatur oft Modellen begegnet, die keine Kreuzkopfführung aufweisen. Nun baut man ja keine Modelle von Spielzeugdampfmaschinen, sondern solche von "richtigen", grossen Ma­ schinen, die alle ausnahmslos mit einer Kreuzkopfführung versehen sind, wie die Ab­ bildungen 17 - 19 zeigen. Die Abbildung 16 zeigt, dass auf den Kreuzkopf eine erhebliche seitliche Kraft wirkt, die unbedingt von einer Gleitbahn  oder  einem  Gestänge  (Wattsche Geradführung) kompensier werden muss (G.S. 13.2 und 13.3). Ohne eine solche Führung wäre die Stopfbüchse in kürzester Zeit zerstört und allenfalls die Kolbenstange ver­ bogen. Ein mit einer Kreuzkopfführung ausgetattetes  Modell sieht nicht nur besser aus, es läuft auch ruhiger, weil es nicht zum häufig beobachteten Klemmen der Kolbenstange  in der Stopfbüchse kommt. Auf Seite 25 findet man einige Vorschläge von Kreuzkopfführungen.

Abb. 17, 18:Dr.-Ing. Ewald Sachsenberg, Kleinschifibau, Springer-Verlag, Berlin 1920
Abb. 19:Ulrich Matter, Dampfmaschinen, Beton-Verlag, Düsseldorf 1994

Bild 16    Kraftübertragung

Bild 17   Stehende Verbundmaschine mit einfeitiger Kreuzkopfführung (senkrechter Schnitt durch den Hochdruckzylinder)

Bild 20 schemaische Darstellung der Pleuelfunktion

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Bild 18    Radschiffsmaschine (erbaut von Escher, Wyss & Oie, Zürich).

Bild 19   Radschiffsmaschine (erbaut von Escher, Wyss & Oie, Zürich