Lokomotive mit Bosch Werkzeugakku und ESP32 Steuerung

[Andreas4700]

Hallo zusammen,

Christoph hat mich gebeten, mein „Projekt“ auf diesem Brett vorzustellen.

Mein Name ist Andreas und ich komme aus Gütersloh.
Ich bin 65 Jahre alt und interessiere mich für (komplexe) Technik die sich möglichst noch bewegt. Und wie das so ist, fiel mir im letzten Jahr plötzlich ein, dass ich eine Gartenbahn brauche.
Also habe ich mich an den Rechner gesetzt und eine Dampflokomotive, Gleise, einen Tender und einen ersten Waggon in Spurweite 2 (64mm) konstruiert. Hat nur ein paar Monate gedauert;-) Es handelt sich nicht um Scale Nachbauten von Vorbildern sondern um ein Projekt das beim Bauen und Spielen viel Spaß macht.

Kurzversion
Alle Komponenten, natürlich bis auf Elektronik, Motor, Dampferzeuger etc., habe ich 3D gedruckt. Die Lokomotive hat mir inkl. aller Teile, allerdings ohne Akku, weniger als 150 Euro gekostet.
Für „Dampf“ sorgt ein Bosch 18V Werkzeugakku (2Ah), der über einen Nema 11 Steppermotor drei Achsen antreibt. Gesteuert wird über eine frei konfigurierbare App und ESP32 Microcontroller die über WLAN oder Bluetooth ihre Befehle erhalten. Der Prototyp zieht bei uns im Garten locker 2,5 Liter Getränke. Wenn es mehr sein muss, die Lok kann neben sehr langsam auch sehr schnell

Im Detail
Die Lokomotive:
- Sound, geschwindigkeitsabhängig
- Dampf, geschwindigkeitsabhängig
- Beleuchtung, so viel man will
- 3 angetriebene Achsen
- Gewicht z.Zt. ca. 2kg, ich arbeite an mehr
- Abmessungen: 132 × 480 × 215 mm (B × L × H)
- Zwei ESP32 Microcontroller, doppelt hält besser;-)
- Nema 11 Steppermotor, der Kraftzwerg
- DM320T Motorcontroller, dem wird nie heiß
- Zweistufige Untersetzung ca. 10:1, zieht und zieht und zieht

Die Steuerung
- Desktop oder Handy App
- Programmiert im Arduino Ökosystem, Arduino IDE. Arduino Cloud für zwei Microcontroller ist kostenlos.
- WLAN oder Bluetooth, ich benutze z.Zt. nur WLAN

Die Gleise
- Spurweite 64mm
- Geraden
- 900mm Radius, weniger geht nicht
- 1250mm Radius, mehr geht immer
- Weichen, in der Entwicklung (manuell und ferngesteuert)

Waggons
- Tender
- Kleiner Personenwaggon
- Fracht- und längere Passagierwaggons sind in der Konstruktionsphase


…und jetzt die Prosa
Die Lokomotive hat Sound der geschwindigkeitsabhängig abgespielt wird. Es werden im Moment 4 Zylinderschläge pro Radumdrehung simuliert. Passend dazu wird über einen Ultraschall-Dampferzeuger Dampf ausgestoßen. ebenfalls geschwindigkeitsabhängig.
Auch entsprechende Pfeifen sind an Bord. Die Sounds sind auf einer MicroSD Karte gespeichert, die in einem MiniMP3 Player für 4,50 Euro sitzt welcher ca. drei Watt Ausgangsleitung hat. Für mich reicht das, lässt sich aber sehr günstig auf fast beliebige Leistung ausbauen. Damit lässt sich auch schön Musik machen
Das ganze wird über einen 5,90 Euro teuren ESP32 Controller gesteuert, für den ich die passende Software (auf Arduino IDE Basis) geschrieben habe. Dieser Controller steuert auch alle anderen "Luxusfunktionen" wie Licht, Bremsgeräusche (die baue ich gerade), demnächst automatische Kupplung, etc.

Ein zweiter ESP32 steuert den Antrieb. Dabei handelt es sich um einen Nema 11 Steppermotor (ca. 16 Euro) der mit einer zweistufigen Untersetzung (9.92:1) eine der drei Antriebsachsen antreibt. Die zwei weiteren Antriebsachsen werden über zweiteilige Kuppelstangen angetrieben. Der bürstenlose Stepper hat schon bei (sehr)niedriger Drehzahl mächtig Drehmoment. Ist mit der Hand und auch mit der Zange kaum zu stoppen. Durch die Untersetzung steigt dieses Drehmoment nochmals an. Der große Vorteil am Steppermotor ist die extrem feine Dosierbarkeit (gröbste Auflösung 400 Schritte pro Umdrehung), viel Kraft und ca. 250 mA Stromaufnahme bei 100 Radumdrehungen pro Minute. Da ist die Lok schon hübsch schnell. Dauerbetrieb ist kein Problem, in der jetzigen Konfiguration bekommt der Motor die vollen 18V vom Akku und ist nach einer Stunde Betrieb nur handwarm.
Per Software lassen sich beliebige Verhaltensweisen für Anfahren, Bremsen, Richtungswechsel usw. einstellen.
Das Drehgestell vorne kann sich, dem Namen entsprechend, drehen und seitlich verschieben. So ist für die Lok ein minimaler Kurvenradius von 900mm möglich, was gut zu unserem kleinen Teich passt. Nach ober sind beim Kurvenradius natürlich keine Grenzen gesetzt.
Warum ESP32 Controller? Sehr günstig (5 bis 6 Euro das Stück) sehr leistungsfähig und weit verbreitet. Lassen sich aber leicht durch andere Controller oder Mikrocomputer wie etwa den Raspberry Pi ersetzen. Der Code ist so geschrieben, dass 90% der Anpassungen über globale Definitionen schnell erledigt werden können.
Da die meisten Microcontroller auf den Ausgängen nur geringe Ströme im Bereich 20mA vertragen, wird die Betriebsspannung für die 5V Verbraucher und die dimmbaren Leds über Mosfet Module zur Verfügung gestellt.

Scale
Wie oben schon erwähnt, handelt es sich nicht um den maßstabsgetreuen Nachbau einer echten Lok. Spurweite, Pufferabstand und -höhe habe ich aber eingehalten, hoffe ich zumindest;-)
Nach vielen Anregungen reizt es mich jetzt aber sehr, eine echte Lokomotive nachzubauen. Neben der Tatsache das ich mir dann einen SLA Drucker schönreden könnte, ist das ein schönes Projekt für den/die nächsten Winter. Da die komplette Konstruktion parametrisch durchgeführt wurde, hoffe ich, dass ich mich dann auf die „Karosserie“ und vielen Details konzentrieren kann und das Basischassis weiterhin so gut funktioniert wie bisher.
Für Tipps zu einer schönen Dampflokomotive mit 3 oder 4 Antriebsachsen, zu der ich auch irgendwo Pläne mit den Originalmaßen besorgen kann, würde ich mich sehr freuen.

Ende Gelände
Unten ein Link auf eine Internetseite auf der sich in der Galerie einige Fotos und Videos des augenblicklichen Standes befinden. Die Textdusche hattet ihr jetzt ja schon
Nicht wundern, die Videos sind zurzeit noch auf Englisch. Ich überlege gerade ob ich versuche die Lok als Kickstarter Projekt anzubieten (meine Sohnemänner lassen nicht locker). Egal wie es kommt, die Planung ist das ganze Projekt offen zugänglich zu machen.

Ganz oben im Menü auf Galerie klicken.
https://www.openrail64.de
oder bei Youtube https://www.youtube.com/@OpenRail64
Bitte nicht an den werblichen Inhalten stören, die müssten für Kickstarter so sein.

Viele Grüße
Andreas