Metallbaukasten

 
Modellpflege

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  2018 wurde kein neues Modell gebaut, sondern Pflege bzw. Erweiterung vorhandener Modelle betrieben.
In erster Linie war das der Umstieg auf eine 2,4-GHz-Fernsteuerung, und mit den sich dadurch ergebenden Möglichkeiten konnte außerdem die Funktionalität einiger Modelle erweitert werden.


2,4-GHz-Fernsteuerung

Anlässlich der bevorstehenden Fertigstellung eines weiteren ferngesteuerten Modells wurde deutlich, dass für die herkömmlichen 40-MHz-Anlagen praktisch kaum noch Teile verfügbar sind - die Umstellung auf eine 2,4-GHz-Fernsteuerung war jetzt nicht mehr hinauszuzögern.

Bei der Auswahl einer geeigneten Fernsteuerung ist man leicht überfordert - es gibt solche Geräte buchstäblich in allen möglichen Varianten und Preislagen, welche vielfach auch noch für eine bestimmte Art von Modellen optimiert sind. Man kann sich bestenfalls daran orientieren, welche Funktionen man absehbar bedienen und wie tief man dafür in die Tasche greifen möchte.

Im vorliegendan Fall fiel die Wahl auf einen Sender mit der Bezeichnung FLY SKY FS-i6, welcher mitsamt Empfänger FLY SKY FS-iA6B für ca. 52€ bei Amazon zu haben war. Bei Conrad z. B. war selbige Fernsteuerung unter einer anderen Bezeichnung ebenfalls erhältlich, sollte dort Anfang 2018 aber nahezu 30€ mehr kosten - ein Preisvergleich lohnt sich daher unbedingt.

Der Sender hat 2 Kreuzknüppel, welche insgesamt 4 Proportional-Kanäle bedienen. Zusätzlich gibt es 2 Kanäle, welche einzeln mit einer Schaltfunktion oder einer weiteren proportionalen Funktion belegt werden können. Insgesamt stehen somit 6 Proportional-Kanäle zur Verfügung, welche für die allermeisten Metallbaukasten-Modelle ausreichen dürften.
Die Steuerkennlinien jedes Kanals können beliebig verbogen werden und jeder Kanal verfügt über eine Reverse-Funktion.
Sehr praktisch ist der Speicher für insgesamt 20 Modelle, aus dem sich modellspezifische Einstellungen einfach abrufen lassen.
Die Anlage verfügt sogar über eine Telemetrie-Funktion, mit der sich der Status eines Modells auf den Sender übertragen lässt. Im einfachsten Fall ist das der Ladezustand des Akkus im Modell, welcher bei zu niedriger Versorgungsspannung einen Alarm im Sender auslöst.
Insgesamt bietet diese Fernsteuerung viel Funktionalität zu einem vergleichsweise niedrigen Preis.

Leider hat die Fernsteuerung aber auch einen gravierenden Nachteil: Sie ist für Flugmodelle optimiert.
Konkret bedeutet das, dass der "Gasknüppel" keine zentrale Nullstellung hat, sondern den kompletten Bereich von Null bis 100% umfasst - für Fahrzeuge, die auch rückwärts fahren sollen und kein umschaltbares Getriebe haben, ist das ungeeignet.
Außerdem gibt es Sicherheitsfunktionen, damit z. B. eine Luftschraube nicht schon während des Einschaltens unbeabsichtigt drehen kann. Soll heißen: Der Sender geht nur dann in den Betriebszustand, wenn sich der "Gasknüppel" in Nullstellung befindet und alle Schalter eine definierte Position haben. Für Flugmodelle eine sinnvolle Sache, für Fahrzeugmodelle ist sowas aber eher lästig.
Es hilft nichts - wenn man die Fernsteuerung zweckmäßig für Fahrzeugmodelle nutzen will, dann muss sie etwas modifiziert werden. Im Prinzip ist das keine allzu große Aktion, aber wenn man das nicht will oder es sich nicht zutraut, dann sollte man besser von vornherein auf eine geeignetere Fernsteuerung zurückgreifen, auch wenn sie u. U. teurer ist.


Modifizierung der Fernsteuerung

Zunächst wurde der "Gasknüppel" von der linken zur rechten Seite versetzt. Dieser Umbau ist legal und in der Bedienungsanleitung beschrieben, da es für Flugmodelle sowohl den einen als auch den anderen Modus gibt.


Anschließend wurde der "Gasknüppel" in Mittelstellung mechanisch fixiert, sodass vom Kreuzknüppel nur noch die horizontale Bewegung zum Lenken übrig bleibt.

Wenn sich der "Gasknüppel" in Mittelstellung befindet, dann geht der Sender wie bereits erwähnt nicht in den Betriebszustand - die Sicherheitsfunktion muss also überlistet werden.
Hierzu wurden die Leitungen des betroffenen Potis so beschaltet, dass sie dem Prozessor einen "Gasknüppel" in Nullstellung vorgaukeln.

Durch diese Maßnahme verliert man leider einen Kanal. Sollte dieser später gebraucht werden, dann kann man aber nachträglich noch einen zusätzlichen Schalter oder ein weiteres Poti in den Sender einbauen.
Die mechanische Fixierung mit 2 "Alu-Öhrchen"
Die mechanische Fixierung mit 2 "Alu-Öhrchen"

Bei den Schaltern ist eine definierte Position während des Einschaltens kein Problem - evtl. muss die Reverse-Funktion aktiviert oder im schlimmsten Fall die Konstruktion entsprechend ausgelegt werden.



Der modifizierte Sender mit Empfänger und Binding-Kabel
Der modifizierte Sender mit Empfänger und Binding-Kabel
Im Gegensatz zu früher sind die Antennen nur noch wenige Zentimeter lang - genauer gesagt sind es gut 3cm, was einem Viertel der Wellenlänge von 2,4GHz entspricht.

Der Empfänger hat 2 Antennen, welche im Sinne besten Empfangs im Winkel von 90° angebracht werden sollten.
Bei Flugmodellen, die sich mehrere Hundert Meter entfernen können, ist das angebracht, für ein Metallbaukasten-Modell eher uninteressant.

2,4-GHz-Fernsteuerungen benötigen keine Quarze mehr.
Die Zuordnung eines Empfängers zum Sender erfolgt durch einen einmaligen Binding-Vorgang und hierfür ist die links unten im Bild dargestellte Kurzschlussbrücke mit entsprechendem Stecker erforderlich.



In einem ersten Schritt sollten nur die 2-Kanal-Modelle umgerüstet werden und hierzu wurden 6 weitere einzelne Empfänger angeschafft und eingebaut.
Die Modelle mit spezifischer Fernsteuerung - also der Büssing 8000, der MAN-Sandkastenkipper sowie der Duell-Truck - bleiben erstmal im ursprünglichen Zustand.


Falttür für den 1½-Deck-Bus

Die vordere Tür des 1½-Deck-Bus war immer schon als Falttür ausgeführt, aber mit der neuen "Funke" ist nun eine ferngesteuerte Betätigung der Tür möglich.


Hierzu wurde ein Mini-Servo in einer Ecke oberhalb der Tür befestigt und mittels eines einfachen Gestänges federnd mit der Tür verbunden.
Zur Führung der Tür dient eine Nut, in die ein an der Tür befestigter Stift eingreift.

Wenngleich diese einfache Konstruktion auch nur eine etwa 75%-ige Öffnung der Tür erlaubt, so ist der Effekt doch recht wirkungsvoll. Die Funktion der Tür wird deshalb in einem Video demonstriert. Das Geräusch hört sich zwar brutal an, aber auch hier wirkt ein Tröpfchen Öl Wunder.

Video der Falttür (24s / 16MB)
Das Mini-Servo für die Falttür
Das Mini-Servo für die Falttür



Kippmechanik für MAN-Sandkastenkipper

In 2018 wurde auch eine Kippmechanik für den MAN-Sandkastenkipper gebaut, welche per Fernsteuerung bedienbar ist.

Das Problem war hierbei in erster Linie die Konstruktion einer Mechanik, ohne das bestehende Fahrgestell und den Kunststoff-Aufbau ändern zu müssen. Außerdem sollte das Abnehmen und Aufsetzen des Aufbaus wie bisher in einfachster Form ohne Werkzeug möglich sein. Und selbstverständlich durften auch die großen Delrin-Zahnräder der Differenziale beim Einfedern der Hinterachsen nirgendwo anschlagen.

Entstanden ist eine separate Einheit inklusive eines kleinen Motors, welche auf das bestehende Fahrgestell geschraubt werden kann und alle Forderungen erfüllt.


Die komplette Kippmechanik
Die komplette Kippmechanik ...
 
der 10-stufige Flaschenzug im Speziellen
... und der 10-stufige Flaschenzug im Speziellen

Betätigt wird der Motor über einen weiteren Proportional-Kanal und einen kleinen Fahrtregler, der die stufenlose Steuerung des Kippvorgangs in beiden Richtungen ermöglicht.


Die Konstruktion besteht prinzipiell aus einem Parallelogramm, wie man es in ähnlicher Form z. B. von einem Scheren-Wagenheber kennt, welches diagonal mit einem Flaschenzug zusammengezogen wird.
Die Effizienz einer solchen Konstruktion ist generell alles andere, als optimal. Zu Beginn des Kippvorgangs muss die Kraft am größten sein, aber gerade dann sind die Geometrie des Parallelogramms sowie der Winkel des Kipphebels besonders ungünstig. Im vorliegenden Fall ist die Kunststoff-Kippmulde relativ leicht, sodass sich die auftretenden Kräfte in Grenzen halten - das Ganze dient ja auch eher der Demonstration. Ungeachtet dessen soll aber eine kurze theoretische Betrachtung erfolgen.


Angenommen war eine Gewichtskraft von 10N (entsprechend ca. 1kg Masse), welche zu Beginn des Kippvorgangs am Ende des Hebels zum Anheben der Kippmulde wirkt. Aufgrund der vorliegenden Geometrie muss das anfangs quadratische Parallelogramm dann mit einer Kraft von ca. 50 N diagonal zusammengezogen werden.
Der 10-stufige Flaschenzug reduziert die Zugkraft theoretisch zwar auf ca. 5N, aufgrund der vielen kleinen Rollen und der damit verbundenen mechanischen Widerstände ist aber deutlich mehr zu erwarten. Mit der Federwaage hatte ich grob einen Wert unterhalb 10N gemessen und deshalb mit 10N Zugkraft weitergerechnet.

Als Spindel für die Schnur dient eine 4mm-Welle. Mit deren Radius von 2mm und der angenommenen Zugkraft von 10N ergibt sich ein Drehmoment von 20Nmm bzw. 2Ncm. Dieser Wert liegt noch weit über dem Drehmoment des vorgesehenen Motors - selbst der viel stärkere Antriebsmotor des Modells hat nur ein Drehmoment von 1,25Ncm. Ohne eine weitere starke Untersetzung konnte es also nicht funktionieren.

Um auf der sicheren Seite zu sein habe ich einen 50:1 - Schneckentrieb vor die Spindel gesetzt, der das Drehmoment theoretisch auf 0,04 Ncm reduziert. Auch hierbei treten hohe Verluste auf, aber selbst bei einem angenommenen erforderlichen Drehmoment von 0,1 Ncm ist der vorgesehene Motor jetzt ausreichend und die Kippgeschwindigkeit passt auch - es gibt sogar Reserven, um eine leichtgewichtige Zuladung auskippen zu können.


Die geringe Effizienz einer solchen Konstruktion kann man durch eine vereinfachte Betrachtung der Leistungsbilanz verdeutlichen.
Die Stromaufnahme des Motors beträgt zu Beginn des Hebevorgangs ca. 700mA und sinkt danach auf ca. 600mA ab. Allein an dieser geringen Differenz ist schon erkennbar, dass der Motor weitgehend "mit sich selbst" beschäftigt ist - sprich: einen geringen Wirkungsgrad hat. Mit einem angenommenen Mittelwert von 650mA und einer Spannung von 8,4V ergibt sich eine mittlere aufgenommene Leistung von ca. 5,5W.
Unter optimistischer Annahme eines Wirkungsgrades von 50% - und mehr haben diese kleinen einfachen DC-Motore keinesfalls - ergibt sich eine mechanische Leistung von ca. 2,75W an der Motorwelle.

Wie man leicht zeigen kann, wird von dieser Leistung nur ein geringer Bruchteil für den eigentlichen Hebevorgang benötigt.
Insgesamt wird im vorliegenden Fall eine Arbeit verrichtet von

W = m · g · h = 1kg · 9,81m/s² · 0,13m = ca. 1,3 Nm

und die hierfür benötigte Zeit t beträgt ziemlich genau 13s.

Geht man der Einfachheit halber von einem gleichförmigen Hebevorgang aus, dann entspricht das einer mittleren Leistung von nur

P = W/t = 0,1W.

0,1W benötigte Leistung ist erschreckend wenig!
Selbst dann, wenn der Wirkungsgrad des Motors nur 20% wär und nur 1W an der Motorwelle ankäme, muss man zu dem Schluss kommen, dass der weitaus größte Teil der aufgewendeten Leistung den mechanischen Verlusten zum Opfer fällt.



Der MAN mit aufgestellter Kippmulde
Der MAN mit aufgestellter Kippmulde
Ein ernüchterndes Ergebnis, an dem der Schneckentrieb sicher einen großen Anteil hat - die "Produktion" der anfallenden Messingspäne braucht halt auch Leistung.
Industriell eingesetzte Schneckengetriebe bestehen deshalb nicht nur aus optimal geformten Bauteilen, sondern sie laufen außerdem im geschlossenen Ölbad.

Eine Untersetzung mit Stirnrad-Zahnrädern wär im vorliegenden Fall günstiger gewesen, war platzmäßig aber nicht realisierbar.

Trotz aller Kompromisse funktioniert die Kippmechanik recht ordentlich und auch dies soll in einem kurzen Video demonstriert werden:

Video der Kippmechanik (25s / 16MB)


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