METALLUS Kundenmodelle

2-Zylinder-Dampfmaschine mit Kulissensteuerung

Hans-Gerd Finke

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Eckdaten zum Modell:

LÃ¤nge:	51 cm
Breite:	32 cm
HÃ¶he:	22 cm
Gewicht:	4 kg

Bericht:

In jeden der groÃŸzÃ¼gig dimensionierten Zylinder wurden zwei MÃ„RKLIN-Spulen eingebaut, die abwechselnd angesteuert werden und deren Eisenkerne sich gegenseitig herausdrÃ¼cken. Hierdurch entsteht eine Kraftwirkung in beide Richtungen, was dem Verhalten einer realen Dampfmaschine entspricht. Recht zeitaufwÃ¤ndig war die exakte Justage der Spulen, um eine mÃ¶glichst reibungsarme Bewegung der gekoppelten Eisenkerne zu erreichen; jedes noch so geringe Klemmen wÃ¼rde die Funktion der Maschine erheblich beeintrÃ¤chtigen. Die Eisenkerne selbst wurden mit Gewindestangen geeigneter LÃ¤nge verbunden. Die als Mantel benutzte blaue Wellpappe gibt den Zylindern schlieÃŸlich ein vorbildÃ¤hnliches Aussehen. Durch die beiden Zylinder mit insgesamt 4 Spulen und um 90Â° versetzte Kurbelzapfen ist die Maschine theoretisch selbstanlaufend. Die Lagerungen der vielen beweglichen Teile verursachen jedoch eine erhebliche Reibung, sodass der Selbstanlauf nicht immer zuverlÃ¤ssig funktioniert. Im Sinne niedrigerer ReibungskrÃ¤fte wurden auch bei diesem Modell einige Aluminiumteile verwendet, wie z. B. fÃ¼r die Pleuelstangen. Sie haben eine LÃ¤nge von 16 Loch und kÃ¶nnen durch den geteilten Aufbau auf die exakte LÃ¤nge eingestellt werden. Als Schwungrad dient der groÃŸe MÃ„RKLIN-Ring, welche infolge der Ã¼berwiegend auÃŸen drehenden Masse im Vergleich zu den anderen Metallbaukasten-RÃ¤dern ein erhebliches TrÃ¤gheitsmoment hat. Ãœber 6 Speichen ist das Schwungrad mit der Nabe verbunden, die aus einem Lochscheibenrad 8 Loch und einigen FlachstÃ¼cken besteht.Bei der Konstruktion der Kurbelwelle war zu beachten, dass die beiden Pleuelstangen um 90Â° zueinander versetzt sein mÃ¼ssen und zwischen jeder Pleuelstange und der zugehÃ¶rigen Schwingen-Schubstange in Drehrichtung nochmals 90Â° Verschiebung erforderlich ist. Die Kurbelwelle besteht aus 4 Exzentern und 3 kurzen Wellen, von denen die mittlere das Schwungrad trÃ¤gt. Alle Exzenter und Wellen sind mittels mehrerer LochscheibenrÃ¤der zu einer stabilen Einheit verschraubt. Der Antrieb erfolgt Ã¼ber die mit den Pleuelstangen verbundenen Ã¤uÃŸeren Kurbelarme. Die inneren Exzenter betÃ¤tigen die jeweils zugehÃ¶rige Schwingen-Schubstange, welche ebenfalls geteilt und in der LÃ¤nge einstellbar ist. Die mehrteilige Kurbelwelle erfordert eine sorgfÃ¤ltige Justage und u. U. eine gewisse Nacharbeit der LochscheibenrÃ¤der, um einen akzeptablen Rundlauf zu erreichen. Aufgrund des massiven Aufbaus ist das Gewicht der Kurbelwelle relativ groÃŸ und erzeugt leider eine entsprechend hohe Lagerreibung. Jede der beiden Schwingen-Schubstangen treibt eine Schwinge an, die beim Betrieb des Motors - wie bei einer Dampflokomotive - stÃ¤ndig hin und her oszilliert. Die Schwinge selbst besteht aus einem MÃ¤rklin-Bogenband, dessen bogenfÃ¶rmiges Langloch als Kulissenbahn verwendet wird. In dieser Bahn wird die Kontakt-Schubstange vertikal verschiebbar gefÃ¼hrt. Das andere Ende der Kontakt-Schubstange ruht in nahezu konstanter HÃ¶he auf einer senkrecht stehenden Wippe und trÃ¤gt die Elemente zur Steuerung der Spulen. Die Funktion der Kulissensteuerung wurde bereits im Kapitel Axialmotor mit Kulissensteuerung beschrieben und soll hier nicht weiter erÃ¶rtert 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 naturgemÃ¤ÃŸ einem VerschleiÃŸ unterliegen; auÃŸerdem verursachen mechanische Kontakte zusÃ¤tzliche Reibungsverluste. Bei diesem Modell werden die Spulen deshalb opto-elektronisch gesteuert, d. h. unter Verwendung einer Gabel-Lichtschranke und einem Leistungs-Feldeffekttransistor fÃ¼r jede Spule. Zu diesem Zweck tragen die Kontakt-Schubstangen lichtundurchlÃ¤ssige 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. Als Gabel-Lichtschranke kommt der Typ TCST2103 von VISHAY zum Einsatz, welche z. B. bei Fa. CONRAD erhÃ¤ltlich ist. Die Leuchtdiode der Lichtschranke wird mit einem Strom von etwa 20 mA gespeist. Der Fototransistor arbeitet Ã¼ber einen Kollektorwiderstand von 10 kOhm auf den Eingang des 6-fach Schmitt-Triggers 40106; hierdurch werden steile Schaltflanken erreicht und ÃœbergangszustÃ¤nde vermieden, welche den nachgeschalteten Feldeffekttransistor Ã¼berhitzen und zerstÃ¶ren kÃ¶nnte. Der Ausgang des Schmitt-Triggers treibt den MOSFET (Metall-Oxid-Schicht-Feld-Effekt-Transistor) BUZ 72, in dessen Drain-Kreis die Spule und die Freilaufdiode 1N4007 liegt. Der BUZ 72 ist zwar nicht mehr der letzte "Schrei", fÃ¼r 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 Ã¼ber lÃ¤ngere Zeit an Spannung bleibt, wurde eine zusÃ¤tzliche 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 fÃ¼r 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 gelÃ¶tet, welche zwischen den beiden Zylindern ausreichend Platz findet. 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 zuverlÃ¤ssigen Funktion (und natÃ¼rlich auch aus optischen GrÃ¼nden) wird die komplette Steuerung mit einer Abdeckung, welche gleichermaÃŸen die beiden SteuerkÃ¤sten der Zylinder andeuten soll, gegen Ã¼bermÃ¤ÃŸiges Fremdlicht geschÃ¼tzt.Die Maschine arbeitet ab einer Spannung von etwa 10 Volt, von der knapp 1 V an der Diode MR501 abfÃ¤llt. 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 Ã¼berschneiden und zeitweise 2 Spulen gleichzeitig aktiv sind, sollte die Spannungsquelle einen Strom von mindestens 2 A liefern kÃ¶nnen.