Metallbaukasten

 
2-Zylinder-Dampfmaschine mit Kulissensteuerung

Home
  Das Modell 2008 sollte eigentlich ein Anhänger für den Büssing 8000 werden. Die erforderlichen Räder sind jedoch derzeit von CONRAD nicht lieferbar, sodass dieses Projekt noch aufgeschoben werden muss - fraglich ist allerdings, ob die Räder zukünftig überhaupt nochmal angeboten werden.

Stattdessen wurde wieder ein Axial-Motor gebaut, diesmal in Form einer 2-Zylinder-Dampfmaschine mit Kulissensteuerung.


Eine konkrete Vorlage für dieses Modell existiert nicht, abgesehen vom fehlenden Fliehkraftregler kann es aber als Kombination der Dampfmaschine mit Fliehkraftregler und dem Axialmotor mit Kulissensteuerung betrachtet werden.
2-Zylinder-Dampfmaschine mit Kulissensteuerung
2-Zylinder-Dampfmaschine mit Kulissensteuerung

Ein geöffneter Zylinder
Ein geöffneter Zylinder
In jeden der großzügig dimensionierten Zylinder wurden zwei MÄRKLIN-Spulen eingebaut, die abwechselnd angesteuert werden und deren Eisenkerne sich gegenseitig herausdrücken.

Hierdurch entsteht eine Kraftwirkung in beide Richtungen, was dem Verhalten einer realen Dampfmaschine entspricht.

Recht zeitaufwändig war die exakte Justage der Spulen, um eine möglichst reibungsarme Bewegung der gekoppelten Eisenkerne zu erreichen; jedes noch so geringe Klemmen würde die Funktion der Maschine erheblich beeinträchtigen.
Die Eisenkerne selbst wurden mit Gewindestangen geeigneter Länge verbunden.

Die als Mantel benutzte blaue Wellpappe gibt den Zylindern schließlich ein vorbildähnliches Aussehen.



Durch die beiden Zylinder mit insgesamt 4 Spulen und um 90 versetzte Kurbelzapfen ist die Maschine theoretisch selbstanlaufend. Die Lagerungen der vielen beweglichen Teile verursachen jedoch eine erhebliche Reibung, sodass der Selbstanlauf nicht immer zuverlässig funktioniert.

Im Sinne niedrigerer Reibungskräfte wurden auch bei diesem Modell einige Aluminiumteile verwendet, wie z. B. für die Pleuelstangen. Sie haben eine Länge von 16 Loch und können durch den geteilten Aufbau auf die exakte Länge eingestellt werden.
Die geteilte Pleuelstange
Die geteilte Pleuelstange aus Aluminium


Das Schwungrad
Das Schwungrad
Als Schwungrad dient der große MÄRKLIN-Ring, welche infolge der überwiegend außen drehenden Masse im Vergleich zu den anderen Metallbaukasten-Rädern ein erhebliches Trägheitsmoment hat.

Über 6 Speichen ist das Schwungrad mit der Nabe verbunden, die aus einem Lochscheibenrad 8 Loch und einigen Flachstücken besteht.


Bei der Konstruktion der Kurbelwelle war zu beachten, dass die beiden Pleuelstangen um 90 zueinander versetzt sein müssen und zwischen jeder Pleuelstange und der zugehörigen Schwingen-Schubstange in Drehrichtung nochmals 90 Verschiebung erforderlich ist.
Die Kurbelwelle besteht aus 4 Exzentern und 3 kurzen Wellen, von denen die mittlere das Schwungrad trägt. Alle Exzenter und Wellen sind mittels mehrerer Lochscheibenräder zu einer stabilen Einheit verschraubt.

Der Antrieb erfolgt über die mit den Pleuelstangen verbundenen äußeren Kurbelarme.
Die inneren Exzenter betätigen die jeweils zugehörige Schwingen-Schubstange, welche ebenfalls geteilt und in der Länge einstellbar ist.
Die Kurbelwelle
Die Kurbelwelle

Die mehrteilige Kurbelwelle erfordert eine sorgfältige Justage und u. U. eine gewisse Nacharbeit der Lochscheibenräder, um einen akzeptablen Rundlauf zu erreichen.
Aufgrund des massiven Aufbaus ist das Gewicht der Kurbelwelle relativ groß und erzeugt leider eine entsprechend hohe Lagerreibung.



Die Kulissensteuerung
Die Kulissensteuerung
Jede der beiden Schwingen-Schubstangen treibt eine Schwinge an, die beim Betrieb des Motors - wie bei einer Dampflokomotive - ständig hin und her oszilliert.

Die Schwinge selbst besteht aus einem Märklin-Bogenband, dessen bogenförmiges Langloch als Kulissenbahn verwendet wird. In dieser Bahn wird die Kontakt-Schubstange vertikal verschiebbar geführt.
Das andere Ende der Kontakt-Schubstange ruht in nahezu konstanter Höhe auf einer senkrecht stehenden Wippe und trägt die Elemente zur Steuerung der Spulen.


Die Funktion der Kulissensteuerung wurde bereits im Kapitel Axialmotor mit Kulissensteuerung beschrieben und soll hier nicht weiter erörtert werden.
An dieser Stelle deshalb nur der Hinweis, dass durch die Kulissensteuerung beide Drehrichtungen sowie auch unterschiedliche Drehzahlen der Maschine einstellbar sind.



Bei den bisherigen Motor-Modellen wurden zur Steuerung der Spulen Federkontakte aus Bronze verwendet, die naturgemäß einem Verschleiß unterliegen; außerdem verursachen mechanische Kontakte zusätzliche Reibungsverluste.

Bei diesem Modell werden die Spulen deshalb opto-elektronisch gesteuert, d. h. unter Verwendung einer Gabel-Lichtschranke und einem Leistungs-Feldeffekttransistor für jede Spule.

Zu diesem Zweck tragen die Kontakt-Schubstangen lichtundurchlässige Papp-Streifen, welche sich in den Gabeln der Lichtschranken bewegen und die Lichtstrahlen zu den erforderlichen Zeiten durchlassen oder unterbrechen.
Durch Verschieben der Papp-Streifen lassen sich die Steuerzeiten jeder einzelnen Spule exakt einstellen.
Die Kontakt-Schubstange mit den Lichtschranken
Die Kontakt-Schubstange
mit den Lichtschranken


Als Gabel-Lichtschranke kommt der Typ TCST2103 von VISHAY zum Einsatz, welche z. B. bei Fa. CONRAD erhältlich ist.

Schaltplan der Spulensteuerung
Schaltplan der Spulensteuerung
Die Leuchtdiode der Lichtschranke wird mit einem Strom von etwa 20 mA gespeist.
Der Fototransistor arbeitet über einen Kollektorwiderstand von 10 kOhm auf den Eingang des 6-fach Schmitt-Triggers 40106; hierdurch werden steile Schaltflanken erreicht und Übergangszustände vermieden, welche den nachgeschalteten Feldeffekttransistor überhitzen und zerstören könnte.
Der Ausgang des Schmitt-Triggers treibt den MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor) BUZ 72, in dessen Drain-Kreis die Spule und die Freilaufdiode 1N4007 liegt. Der BUZ 72 ist zwar nicht mehr der letzte "Schrei", für diese Anwendung jedoch allemal gut genug.

Parallel zur Spule ist eine Leuchtdiode geschaltet, die den Schaltzustand der Spule anzeigt; dadurch kann die Maschine z. B. auch bei abgeklemmten Spulen eingestellt werden.
Damit nicht versehentlich eine der Spulen über längere Zeit an Spannung bleibt, wurde eine zusätzliche Leuchtdiode als "Summenkontrolle" gut sichtbar montiert; sie leuchtet, sobald mindestens eine der Spulen vom Strom durchflossen wird.

Die Diode MR501 (100 V / 3 A) dient als Verpolungsschutz für die Schaltung, und die Z-Diode ZPY15 begrenzt die Versorgungsspannung des Schmitt-Triggers auf max. 15 V.


Die elektronischen Bauteile sowie alle erforderlichen Stecker wurden auf eine Lochrasterplatte gelötet, welche zwischen den beiden Zylindern ausreichend Platz findet.
Die montierte Lochrasterplatte
Die montierte Lochrasterplatte


Die angedeuteten Steuerkästen
Die angedeuteten Steuerkästen
Die Fototransistoren der Lichtschranken haben offenbar einen recht kleinen Akzeptanzwinkel und sind somit relativ unempfindlich gegen Fremdlicht - eine normale Raum-Beleuchtung hat jedenfalls keinen Einfluss auf die Steuerung.

Im Sinne einer zuverlässigen Funktion (und natürlich auch aus optischen Gründen) wird die komplette Steuerung mit einer Abdeckung, welche gleichermaßen die beiden Steuerkästen der Zylinder andeuten soll, gegen übermäßiges Fremdlicht geschützt.


Die Maschine arbeitet ab einer Spannung von etwa 10 Volt, von der knapp 1 V an der Diode MR501 abfällt.
Ab ca. 12 V Versorgungsspannung hat man auch bei warmen Spulen eine ausreichende Reserve.

In diesem Zusammenhang ist auch die Stromaufnahme der Maschine zu beachten:
Jede Spule hat einen Widerstand von ca. 10 Ohm. Da sich die Schaltzeiten der Spulen überschneiden und zeitweise 2 Spulen gleichzeitig aktiv sind, sollte die Spannungsquelle einen Strom von mindestens 2 A liefern können.
Die 2-Zylinder-Dampfmaschine mit Kulissensteuerung aus einer anderen Perspektive
Die 2-Zylinder-Dampfmaschine mit Kulissensteuerung
aus einer anderen Perspektive



Constructor Quarterly 81
Titelseite der Constructor Quarterly No. 81
Die Ausgabe No. 81 (September 2008) der englischsprachigen Zeitschrift Constructor Quarterly enthält einen umfassenden Beitrag über die 2-Zylinder-Dampfmaschine mit Kulissensteuerung.

Die Abbildung der Titelseite dieses Heftes erfolgt mit freundlicher Genehmigung des Herausgebers der Zeitschrift Constructor Quarterly.


Die Ausgabe 4/2009 (Juni/Juli 2009) der Zeitschrift Maschinen im Modellbau enthält einen umfassenden Beitrag über die 2-Zylinder-Dampfmaschine mit Kulissensteuerung.

Die Abbildung der Titelseite dieses Heftes erfolgt mit freundlicher Genehmigung der Zeitschrift Maschinen im Modellbau
 
Maschinen im Modellbau 4/2009
Titelseite der Ausgabe 4/2009


Und abschließend noch ein Video der 2-Zylinder-Dampfmaschine mit Kulissensteuerung (60s / 7,81MB).


Daten der 2-Zylinder-Dampfmaschine mit Kulissensteuerung:

Länge:51cm
Breite:32cm
Höhe:22cm
Gewicht:4kg
Anzahl der Bauteile:noch nicht ermittelt

Home