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METALLUS Kundenmodelle

2-Zylinder-Dampfmaschine mit Kulissensteuerung

Hans-Gerd Finke



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Eckdaten zum Modell:

Länge:51 cm
Breite:32 cm
Höhe:22 cm
Gewicht:4 kg

Bericht:

In jeden der gro√üz√ľgig dimensionierten Zylinder wurden zwei M√ĄRKLIN-Spulen eingebaut, die abwechselnd angesteuert werden und deren Eisenkerne sich gegenseitig herausdr√ľcken. Hierdurch entsteht eine Kraftwirkung in beide Richtungen, was dem Verhalten einer realen Dampfmaschine entspricht. Recht zeitaufw√§ndig war die exakte Justage der Spulen, um eine m√∂glichst reibungsarme Bewegung der gekoppelten Eisenkerne zu erreichen; jedes noch so geringe Klemmen w√ľrde die Funktion der Maschine erheblich beeintr√§chtigen. Die Eisenkerne selbst wurden mit Gewindestangen geeigneter L√§nge verbunden. Die als Mantel benutzte blaue Wellpappe gibt den Zylindern schlie√ülich ein vorbild√§hnliches Aussehen. Durch die beiden Zylinder mit insgesamt 4 Spulen und um 90¬į versetzte Kurbelzapfen ist die Maschine theoretisch selbstanlaufend. Die Lagerungen der vielen beweglichen Teile verursachen jedoch eine erhebliche Reibung, sodass der Selbstanlauf nicht immer zuverl√§ssig funktioniert. Im Sinne niedrigerer Reibungskr√§fte wurden auch bei diesem Modell einige Aluminiumteile verwendet, wie z. B. f√ľr die Pleuelstangen. Sie haben eine L√§nge von 16 Loch und k√∂nnen durch den geteilten Aufbau auf die exakte L√§nge eingestellt werden. Als Schwungrad dient der gro√üe M√ĄRKLIN-Ring, welche infolge der √ľberwiegend au√üen drehenden Masse im Vergleich zu den anderen Metallbaukasten-R√§dern ein erhebliches Tr√§gheitsmoment hat. √úber 6 Speichen ist das Schwungrad mit der Nabe verbunden, die aus einem Lochscheibenrad 8 Loch und einigen Flachst√ľcken besteht.Bei der Konstruktion der Kurbelwelle war zu beachten, dass die beiden Pleuelstangen um 90¬į zueinander versetzt sein m√ľssen und zwischen jeder Pleuelstange und der zugeh√∂rigen Schwingen-Schubstange in Drehrichtung nochmals 90¬į Verschiebung erforderlich ist. Die Kurbelwelle besteht aus 4 Exzentern und 3 kurzen Wellen, von denen die mittlere das Schwungrad tr√§gt. Alle Exzenter und Wellen sind mittels mehrerer Lochscheibenr√§der zu einer stabilen Einheit verschraubt. Der Antrieb erfolgt √ľber die mit den Pleuelstangen verbundenen √§u√üeren Kurbelarme. Die inneren Exzenter bet√§tigen die jeweils zugeh√∂rige Schwingen-Schubstange, welche ebenfalls geteilt und in der L√§nge einstellbar ist. Die mehrteilige Kurbelwelle erfordert eine sorgf√§ltige Justage und u. U. eine gewisse Nacharbeit der Lochscheibenr√§der, um einen akzeptablen Rundlauf zu erreichen. Aufgrund des massiven Aufbaus ist das Gewicht der Kurbelwelle relativ gro√ü 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 - st√§ndig hin und her oszilliert. Die Schwinge selbst besteht aus einem M√§rklin-Bogenband, dessen bogenf√∂rmiges Langloch als Kulissenbahn verwendet wird. In dieser Bahn wird die Kontakt-Schubstange vertikal verschiebbar gef√ľhrt. Das andere Ende der Kontakt-Schubstange ruht in nahezu konstanter H√∂he auf einer senkrecht stehenden Wippe und tr√§gt die Elemente zur Steuerung der Spulen. Die Funktion der Kulissensteuerung wurde bereits im Kapitel Axialmotor mit Kulissensteuerung beschrieben und soll hier nicht weiter er√∂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 naturgem√§√ü einem Verschlei√ü unterliegen; au√üerdem verursachen mechanische Kontakte zus√§tzliche Reibungsverluste. Bei diesem Modell werden die Spulen deshalb opto-elektronisch gesteuert, d. h. unter Verwendung einer Gabel-Lichtschranke und einem Leistungs-Feldeffekttransistor f√ľr jede Spule. Zu diesem Zweck tragen die Kontakt-Schubstangen lichtundurchl√§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 erh√§ltlich ist. Die Leuchtdiode der Lichtschranke wird mit einem Strom von etwa 20 mA gespeist. Der Fototransistor arbeitet √ľber einen Kollektorwiderstand von 10 kOhm auf den Eingang des 6-fach Schmitt-Triggers 40106; hierdurch werden steile Schaltflanken erreicht und √úbergangszust√§nde vermieden, welche den nachgeschalteten Feldeffekttransistor √ľberhitzen und zerst√∂ren k√∂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", f√ľr 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 √ľber l√§ngere Zeit an Spannung bleibt, wurde eine zus√§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 f√ľr 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 gel√∂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 zuverl√§ssigen Funktion (und nat√ľrlich auch aus optischen Gr√ľnden) wird die komplette Steuerung mit einer Abdeckung, welche gleicherma√üen die beiden Steuerk√§sten der Zylinder andeuten soll, gegen √ľberm√§√üiges Fremdlicht gesch√ľtzt.Die Maschine arbeitet ab einer Spannung von etwa 10 Volt, von der knapp 1 V an der Diode MR501 abf√§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 √ľberschneiden und zeitweise 2 Spulen gleichzeitig aktiv sind, sollte die Spannungsquelle einen Strom von mindestens 2 A liefern k√∂nnen.





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