Metallbaukasten

 
Fahrgestell mit Allrad-Antrieb für einen TATRA 148 - Sandkastenkipper

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  Vorwort

Während einer Reise durch Tschechien im Jahr 2014 entdeckte ich in einem Spielwarengeschäft zwei Sandkastenkipper im Maßstab ca. 1:9 - und zwar einen Hauben-LKW TATRA 148 sowie einen Frontlenker-LKW TATRA 815.

Sofort dachte ich an den MAN-Sandkastenkipper, den ich einige Jahre zuvor motorisiert hatte, konnte mich in diesem Moment aber nicht dafür entscheiden, ca. 50 Euro für beide Modelle auszugeben.

Nachdem ich mich ein paar Jahre lang darüber geärgert hatte, gönnte ich mir schließlich beide Modelle, die fortan ebenfalls auf Motorisierung warteten.

Im Jahr 2021 war es dann soweit und da ich mit dem MAN-Sandkastenkipper bereits einen motorisierten Frontlenker-LKW hatte, fiel die Wahl auf einen der vorhandenen TATRA 148.
TATRA 148 - Sandkastenkipper
Einer der zu motorisierenden TATRA 148 - Sandkastenkipper




Der Antrieb von TATRA-LKW

Im Gegensatz zu herkömmlichen LKW hat ein TATRA weder einen Leiterrahmen noch Starrachsen, sondern einen sog. Zentralrohrrahmen und Halbachsen, welche um die Längsachse des zentralen Rohres pendeln können.
Das zentrale Rohr mit einem Durchmesser von etwa 70cm enthält eine zentrale Hauptantriebswelle sowie sämtliche Differenziale und Winkeltriebe zur Auskopplung der Antriebskraft auf die Halbachsen. Durch dieses Konzept ergibt sich praktisch eine Einzelradaufhängung, welche dem LKW eine außergewöhnliche Geländegängigkeit verleiht.

Nachteilig an dieser Konstruktion sind u. a. der relativ hohe mechanische Aufwand sowie der vom Einfederungszustand abhängige Reifenabrieb, der insbesondere an den Vorderrädern unbeladener Fahrzeuge aufgrund deren oftmals stark positiven Sturzes zu beobachten ist. Relativ kompliziert kann auch die Reparatur eines solchen Antriebs sein, da u. U. größere Bereiche des Fahrzeugs zu zerlegen sind.

Weitere Informationen zum Aufbau von TATRA-LKW findet man im Internet, z. B. auch eine Animation zur Funktion und Montage eines TATRA PHOENIX.


Wie auf der Animation zu erkennen ist, befinden sich bei einem TATRA Phoenix die Differenziale in Form von Stirnrad-Differenzialen neben den aus Tellerrädern bestehen Winkeltrieben und das ist auch bei einem TATRA 148 der Fall. Den prinzipiellen Aufbau eines solchen Antriebs zeigt die folgende Abbildung.


Der prinzipielle Aufbau
Prinzipieller Aufbau eines TATRA-Antriebs
Die zentrale Hauptantriebswelle und das damit fest verbundene Differenzialgehäuse sowie 2 Planetenräder sind in nebenstehender Abbildung rot dargestellt.

Von den Planetenrädern wird die Antriebskraft auf die grün und blau dargestellten Sonnenräder übertragen, welche mittels Hohlwellen mit den Kegelrädern der Winkeltriebe verbunden sind.
Ein solcher Aufbau benötigt demnach 2 Hohlwellen auf der zentralen Hauptantriebswelle.

Hinzu kommt das "Rotationssystem" der Halbachsen, welche - wie bereits erwähnt - ebenfalls um die Längsachse des Zentralrohres bzw. der Hauptantriebswelle pendeln.
Insgesamt ergeben sich 4 voneinander unabhängige konzentrische Rotationssysteme.

Da die erforderlichen Hohlwellen nicht Bestandteile üblicher Metallbaukastensysteme sind, wird der Nachbau eines solchen Antriebs mit den Teilen eines Metallbaukastens zwangsläufig nur eine Annäherung sein können.


Bei der Suche nach Alternativen stößt man auf weitere Fahrzeuge mit Zentralrohrrahmen - z. B. auf das österreichische Militärfahrzeug Pinzgauer von Steyr-Puch, welches als extrem geländegängig gilt.


Bei diesem Fahrzeug befinden sich die Achsdifferenziale in Form von Kegelrad-Differenzialen zwischen den Tellerrädern der Winkeltriebe: Antrieb eines Pinzgauers.

Dieser Aufbau erscheint zumindest auf den ersten Blick einfacher, weil das Differenzial günstiger platziert ist und zu jeder Seite jeweils nur eine Hohlwelle auf der zentralen Hauptantriebswelle erforderlich ist. Warum sich diese augenscheinlich einfachere Konstruktion nicht auch bei TATRA - LKW durchgesetzt hat, konnte nicht recherchiert werden.

Die Ähnlichkeit der beiden Antriebe ist übrigens NICHT rein zufällig - die Konstrukteure (Vater und Sohn Ledwinka) waren sowohl für Steyr-Puch als auch für TATRA tätig (Quelle: Internet).
Der prinzipielle Aufbau
Prinzipieller Aufbau eines Pinzgauer-Antriebs




Der Antrieb des Sandkastenkippers

Mein Ziel war die "straßentaugliche" Motorisierung eines Sandkastenkippers mit möglichst geringem Aufwand und dem erkennbaren Verhalten eines TATRA 148.
Da sich ein TATRA-Antrieb mit den Teilen eines Metallbaukastens gemäß obiger Überlegungen nur mit deutlichen Abstrichen nachbilden lässt und dadurch unnötig kompliziert und schwer wird, wurde nach praktikablen Lösungen gesucht. Hierbei habe ich schließlich einen zufriedenstellenden Kompromiss zwischen Originalität, Machbarkeit und Tauglichkeit gefunden.

Grundlage dieses Antriebs ist ein speziell aufgebautes Differenzial aus Kronrädern, Ritzeln und Stirnzahnrädern, welches ich im Internet gefunden hatte, in Kombination mit einer Schwinge, wie sie sich bereits in anderen meiner Modelle bewährt hatte. Wer dieses spezielle Differenzial erfunden hat oder ob es einst in einem MECCANO-Anleitungsheft veröffentlicht war, ist mir nicht bekannt.


Das Antriebsprinzip
Das Antriebsprinzip
Die Hauptantriebswelle befindet sich in der Mitte der Konstruktion, nebenstehend in senkrechter Position.

Fest verbunden mit der Hauptantriebswelle ist ein Stellring, auf dessen beidseitigen Klemmschrauben jeweils ein Kronrad frei drehen kann.

Die umlaufenden Kronräder greifen in die 25Z-Ritzel ein, welche auf der Hauptantriebswelle ebenfalls frei drehbar sind. Sie sind breit genug, um gleichzeitig jeweils ein 50Z-Zahnrad anzutreiben, welches die Antriebskraft auf eine parallel zur Hauptantriebswelle angeordnete Zwischenwelle überträgt.

Auf der Zwischenwelle befindet sich des Weiteren ein 19Z-Ritzel, welches mit einem 25Z-Kronrad einen 90°-Winkeltrieb bildet und die Kraft auf die Antriebswelle in der trapezförmigen Schwinge koppelt. Die Drehachse der Schwinge liegt in der Drehachse der Zwischenwelle, sodass der Abstand zwischen 19Z-Ritzel und 25Z-Kronrad beim Pendeln der Schwinge stets gleich bleibt. Die Gesamt-Untersetzung dieser Konstruktion beträgt etwa 2,63.

Vorteilhaft ist bei diesem Prinzip, dass die zentrale Hauptantriebswelle - wie beim Original - von vorn bis hinten durch den "Zentralrohrrahmen" verlaufen kann und allenfalls durch ein Differenzial zwischen Vorder- und Hinterachsen unterbrochen wird. Der gesamte Aufbau wird dadurch relativ einfach, ohne das typische Verhalten eines TATRA 148 zu verändern.



Die Konstruktion des Fahrgestells

Die Nachbildung eines runden Zentralrohrrahmens mit den Teilen eines Metallbaukastens dürfte bei diesem Maßstab sehr schwierig bis unmöglich sein.
Den "Zentralrohrrahmen" bildet deshalb ein Rechteckprofil der Abmessungen 5 Loch x 4 Loch und ist mit ca. 635mm Länge (50 Loch) der Größe des zu motorisierenden Modells angepasst.

Ausschlaggebend für eine zufriedenstellende Funktion ist die exakte Ausrichtung der Lagerungen aller Wellen und Schwingen sowie ein kraftvolles Festziehen aller Schraubverbindungen. Idealerweise sollte eine lange Welle möglichst leicht von vorn bis hinten durch alle Lagerungen der angetriebenen zentralen Welle geschoben werden können (dargestellt im Bild unten links) - diese Justierung ist umständlich und zeitraubend, aber machbar. Verbleibende geringe Versätze zwischen den einzelnen Wellenstücken können mit spielbehafteten Kupplungen oder Gelenken ausgeglichen werden, was gleichermaßen auch die Montage erleichtert.

Da ein Rechteckprofil im Gegensatz zu einem Rundrohr weitaus weniger verwindungssteif ist, sollte der Rahmen durch Querverstrebungen stabilisiert werden. Einige dieser Verstrebungen können erst nach der Montage der Antriebskomponenten angebracht werden und sind auf den untenstehenden Bildern noch nicht zu sehen.
Die später noch unter dem Rahmen anzubringenden Lochbänder dienen zusätzlich dem Schutz der Zahnräder, falls das Modell auf den Boden aufsetzen sollte.

Auf der oberen Seite des Rahmens (Bild unten rechts) ist bereits das Gegenlager für die Federung der Vorderräder mittels Druckfedern montiert.


Zentralrohrrahmen von unten
Blick von unten in den "Zentralrohrrahmen" ...
 
Zentralrohrrahmen von oben
... und das Gegenlager für die vorgesehene Federung



Im nächsten Schritt wurden gemäß des oben dargestellten Antriebsprinzips alle Ritzel, Zahn- und Kronräder montiert. Diese sind ebenfalls sorgfältig zueinander auszurichten und hierfür wurden zahlreiche Unterlegscheiben verwendet.

Die Längen der Wellen entsprechen noch nicht dem endgültigen Zustand. Insbesondere wurde zwischen der Vorderachse und den beiden Hinterachsen Platz gelassen für das Zwischendifferenzial, welches einfacherweise als Stirnrad-Differenzial ausgeführt werden sollte.

Zwischen den beiden Hinterachsen gibt es kein Differenzial, weil es beim Original-Fahrzeug auch nicht vorhanden ist. Abgesehen davon würde ein solches Differenzial den mechanischen Aufbau deutlich verkomplizieren. Stattdessen wurden die zentralen Antriebswellen beider Hinterachsen mit einer Klauenkupplung verbunden, welche eine klemmfreie Funktion ermöglicht.


Rahmen mit Zahnrädern
Der mit Ritzeln, Zahn- und Kronrädern bestückte Rahmen
 
Antriebskomponenten Hinterachsen
Die Antriebskomponenten der beiden Hinterachsen




Die Schwingen für die Hinterräder sind sehr einfach gestaltet.
Aus Gründen der Verwindungssteifheit wurden sie trapezförmig aufgebaut und die Lochbänder im Bereich der Lagerstellen durch zusätzliche Flachstücke verstärkt.

Erkennbar ist u. a. eine selbst gefertigte kleine Aluminiumplatte in Form eines Flachstückes ohne Langloch. Auf dieser Platte soll sich - wie später noch gezeigt wird - die Schwinge an einem am Federpaket für die Hinterräder montierten Miniatur-Gummidämpfer abstützen.
Hinterradschwinge
Die Schwinge für die Hinterräder



Deutlich komplizierter sind die Schwingen für die Vorderräder, da sie die Teile für die Lenkung sowie den Antrieb der Vorderräder enthalten. Die Konstruktion entpricht weitgehend dem Aufbau der angetriebenen Vorderräder beim vor Jahren gebauten LKW-Fahrgestell mit Allrad-Antrieb für einen MAN-Sandkastenkipper, allerdings wurde das aus bearbeiteten Metallbaukastenteilen gefertigte Kreuzgelenk verbessert.

Vorderradschwinge
Die Schwinge für die Vorderräder
(hier bereits mit montierten Wellen)
Das aus dem Minicar-Modellbau nachempfundene Kreuzgelenk, dessen Funktion dem Verhalten eines Gleichlaufgelenkes (auch homokinetisches Gelenk bzw. Constant Velocity Joint CVJ) entspricht, ist in der Abbildung links erkennbar.

Die bearbeiteten Flachstücke müssen möglichst fest mit dem Stellring verschraubt werden. Damit die Klemmung des Stellrings auf der Welle unabhängig von der Befestigung der Flachstücke erfolgen kann, wurde er mit einem dritten Gewinde ausgestattet.

Der Stellring des Kreuzkopfes wurde mit Stiften aus abgesägten Schaftschrauben versehen, um eine gleitende Bewegung in der Gabel zu erreichen. Geklemmt wird der Kreuzkopf mit nur einem Stift während der andere Stift ohne Klemmwirkung mit Sekundenkleber fixiert ist.



Als nächstes erfolgte die Montage der Schwingen. Sie sind in kurzen Schrauben gelagert und lassen sich dadurch leicht ein- und ausbauen, ohne andere Teile entfernen zu müssen.

Rahmen von unten
Rahmen mit montierten Schwingen von unten ...
 
Rahmen von oben
... und die Vorderrad-Schwingen von oben betrachtet

Die an den Vorderrad-Schwingen erkennbaren Bogenbänder dienen als Lenkhebel, mit denen jedes Rad einzeln vom Lenkgestänge betrieben wird. Durch die Anordnung der Lenkhebel liegt der Anlenkpunkt vor dem Drehpunkt der Achsschenkel und dadurch wird - wie beim Original - das Lenktrapez gebildet.



Für die Räder wurden erneut LKW-Reifen mit einem Durchmesser von 111mm ausgewählt, welche seinerzeit bei der Firma METALLUS erhältlich waren und von denen ich vor Jahren eine größere Anzahl hatte fertigen lassen.

Mangels geeigneter Felgen wollte ich diesmal Schnurlaufräder mit 61mm Durchmesser von MERKUR ausprobieren und war erstaunt, wie gut das funktioniert. Die Reifen passen exakt auf die Felgen, haben einen ordentlichen Rundlauf und sind auch optisch akzeptabel. Lediglich die Nabenbohrung ist für 4mm-Wellen knapp bemessen und muss ggfs. mit einer Rundfeile etwas aufgeweitet werden.
Felgen und Räde
Felgen und Räder



Federpaket
Das "Federpaket" für die Hinterräder (hier noch eine vorherige Version)
Das "Federpaket" für die Hinterräder besteht im Wesentlichen aus unterschiedlich langen Lochbändern.

Mit den Stiften an beiden Enden wird verhindert, dass die Schwingen beim Anheben des Modells nach unten klappen.

Ebenfalls erkennbar sind die bereits erwähnten Miniatur-Gummidämpfer zum Abstützen der Schwingen, die von ursprünglich 10mm Länge auf 5mm gekürzt wurden.



Nach Montage der Räder erkennt man bereits das typische Verhalten eines TATRA 148.
Da die Federpakete weniger der Federung dienen, sondern hauptsächlich als ausgleichende Wippe wirken, stehen die Hinterräder auf ebenem Boden praktisch unabhängig von der Beladung nahezu senkrecht. In unebenem Gelände passen sich die Hinterräder entsprechend an und pendeln hierbei entgegensetzt um die Lagerung der Federpakete.

Bei den Vorderrädern stellt sich am unbeladenen Modell - wie auch beim Original - der für dieses Fahrzeug charakteristische positive Sturz ein.


Hinterräder
Die montierten Hinterräder ...
 
Vorderräder
... und die gefederten Vorderräder



Zur Federung der Vorderräder wird beim Original ein Torsionsstab in Verbindung mit einem Stoßdämpfer eingesetzt.
Mit einem selbst gebastelten Torsionsstab und auch mit einer "abgewandelten" Torsionsstabfederung hatte ich zwar experimentiert, das Ergebnis war allerdings nicht überzeugend. Abgesehen davon, dass ein passender Drehstab schwer zu finden sein dürfte, muss er sehr steif mit dem Rahmen verbunden werden und das war im vorliegenden Fall nicht zufriedenstellend gegeben. Außerdem hielten sich die Einstellmöglichkeiten in engen Grenzen.


Die Federung besteht deshalb wieder aus Druckfedern, welche aus Platzgründen hauptsächlich in die horizontale Richtung gelegt wurden.
Sie ist so konstruiert, dass sich die Führungsstangen beim Einfedern aneinander vorbeischieben können.
Begrenzt wird der Federweg mittels Stellringen, damit die Schwingen beim Anheben des Modells nicht nach unten fallen. Außerdem ist diese Federung in mehrerer Hinsicht einfach einstellbar.

Sollte sich die Federung als nicht zweckmäßig erweisen, dann ist Platz genug vorhanden, um die Druckfedern ggfs. durch handelsübliche Stoßdämpfer aus dem Minicar-Modellbau ersetzen zu können.

Für das nebenstehende Bild wurden 3 Räder mit ca. 30mm hohen Böcken unterlegt.
Räder in unebenem Gelände
Die Stellung der Räder in "unebenem Gelände"



Da die letzte Baureihe des TATRA 148 ein Differenzial zwischen der Vorder- und den Hinterachsen hat, sollte auch das Modell mit einem solchen Zwischendifferenzial ausgestattet werden. Als Bauform eignete sich ein Stirnrad-Differenzial, weil es einfach in den Verlauf der Hauptantriebswelle einzufügen war.
Da außerdem die Antriebskraft von oben zugeführt wird, bot sich gleichermaßen der Einbau eines 2-Gang-Getriebes aus 19Z- und 25Z-Ritzeln an.

Entstanden ist eine kompakte eigenständige Einheit, die sich mit wenig Aufwand von unten in den "Zentralrohrrahmen" einbauen und bei Bedarf wieder ausbauen lässt.


Zwischendifferenzial
Das Zwischendifferenzial ...
 
2-Gang-Getriebe
... als Einheit mit dem 2-Gang-Getriebe




Zum Antrieb des Modells wurde wieder ein handelsüblicher Low-Cost-Kollektormotor vorgesehen, wie er auch in allen meiner anderen Modelle seit Jahren seinen Zweck erfüllt. Die aktuelle Ausführung hat bei gleicher Versorgungsspannung jedoch etwas mehr Leistung und eine höhere Drehzahl, die eine noch stärkere Untersetzung erfordert.

Die ersten beiden Untersetzungen bestehen aus Delrin-Zahnrädern, weil sie ruhiger laufen und angesichts der hohen Drehzahlen keine Messingspäne produzieren.
Da sich unter der Motorhaube des TATRA 148 viel Platz findet, konnte gleichermaßen ein weiteres einfaches 2-Gang-Getriebe in Form eines 3:1-Vorgeleges untergebracht werden.

Entstanden ist eine weitere kompakte Einheit, die von oben auf den "Zentralrohrrahmen" gesetzt wird und sich einfach mit dem Getriebe des Zwischendifferenzials koppeln lässt.

Insgesamt ergeben sich somit 4 Gänge, die jeweils um einen Faktor von etwa 1,73 auseinander liegen, und die Gesamt-Untersetzung ist so berechnet, dass das Modell eine Geschwindigkeit zwischen ca. 1km/h bis ca. 5km/h erreicht.


Antriebsblock
Antriebsblock mit Primär-Untersetzung und Vorgelege ...
 
Antrieb
... und die Kombination beider Einheiten




Lenkung
Der vordere Bereich von unten betrachtet,
zu erkennen ist auch der unterschiedliche Lenkeinschlag der Vorderräder
Ein weiterer Punkt ist die Lenkung des Modells.

Beim Original sind beide Vorderräder über jeweils eine lange Schubstange mit einem Lenkhebel verbunden, der sich nahezu in der Mitte des Fahrzeugs befindet. Dadurch wird der Lenkwinkel beim Pendeln der Halbachsen nur minimal beeinflusst, und auch dieses Detail wurde im Modell umgesetzt (siehe auch Bild oben rechts).

Zur Verbindung der einzelnen Elemente werden Gewindestangen und handelsübliche Kugelgelenke verwendet, welche eine nahezu spielfreie Kopplung bei gleichzeitiger Übertragung großer Kräfte sowie eine einfache Einstellung der Lenkung ermöglichen.
 



Zur Komplettierung des Fahrgestells fehlten jetzt nur noch die Komponenten der Fernsteuerung.

Als Schaltservos für die beiden Getriebe reichen Mini-Servos. Diese wurden federnd mit den Schaltwellen verbunden, um - wie bereits bei anderen Modellen beschrieben - die Bewegung des Servohorns aufnehmen zu können, falls die Zahnräder des Getriebes voreinander stehen.


Vorgelege-Servo
Vorgelege-Servo
 
Schaltservo
Schaltservo und Lenkservo



Das Lenkservo ist ein 20kg-Servo (was immer das auch heißen mag) und ist für die vorliegende Anwendung eigentlich zu groß und zu stark. Aufgrund seiner hohen Untersetzung entwickelt es eine enorme Kraft, welche u. U. zu Schäden führen könnten. Um das zu vermeiden, wird evtl. noch eine "Sollbruchstelle" im Lenkgestänge erforderlich sein.

Empfänger und Fahrtregler finden Platz auf einer Konsole unterhalb des Antriebsmotors.
Die beiden schwarzen "Stifte" im Vordergrund sind die Antennen des Empfängers.


Nach leichtem Ölen aller Lagerstellen konnte die erste Testfahrt des Fahrgestells erfolgen:
Video der ersten Testfahrt.
Empfänger und Fahrtregler
Die für Testfahrten provisorisch verdrahteten
Empfänger und Fahrtregler



Abschließend war der vorgesehene LKW-Aufbau entsprechend anzupassen und hierfür wurde ein weiterer Sandkastenkipper beschafft. Neben den Rädern waren auch Teile des Kunststoffkörpers zu entfernen, insgesamt konnte der Originalzustand aber weitestgehend erhalten bleiben.
In diesem Rahmen wurde auch das Fahrgestell noch mit diversen Stützen und Befestigungen nachgerüstet, um den LKW-Aufbau ohne Werkzeug möglichst einfach aufsetzen und für Demonstrationszwecke abnehmen zu können.


Blick von unten
Blick von unten in das Modell
 
TATRA im Garten
Der NVA-TATRA "pflügt" sich durch den Garten



Kippmechanik
Als zusätzliche Option: Eine Kippmechanik
Der 7-zellige Akku befindet sich momentan unter der Kippmulde.
Wenn sich ein anderer geeigneter Platz dafür finden sollte, dann bietet sich der Einbau einer Kippmechanik an, wie sie auch im vor Jahren motorisierten LKW-Fahrgestell mit Allrad-Antrieb nachgerüstet wurde.

Die Abmessungen des Modells betragen Länge / Breite / Höhe etwa 72cm / 28cm / 32cm und die Masse beläuft sich auf knapp 8kg.

Abschließend noch ein Video des motorisierten TATRA 148 Sandkastenkippers.



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