Dreipunktlagerung und Schneckengetriebe
Verfasst: Do 17. Aug 2006, 18:50
Hallo, Getriebefreunde!
Ich wurde von unserem Mitglied matthias gefragt, ob eine Dreipunkt-Lagerung bei Zweikupplern überhaupt möglich sei. Erfahrene Hasen mögen bitte nicht über die Frage lachen. Zunächst wollte ich das Thema per PN oder Mail klären, aber dann erschien es mir doch interessant genug für einen Beitrag. Das Wesentliche zum Thema wurde zwar meist hier schon aufgeführt, aber ich fasse die Knackpunkte noch einmal zusammen.
Also, die Antwort lautet: Meist ja.
Das "Aber" lautet: Wenn es gut gemacht sein soll, ist es nicht so einfach.
Dreipunkt-Lagerung
Eine Achse eines Zweikupplers kann sinnvoll quer zur Fahrtrichtung pendelnd aufgehängt werden, wenn diese Bedingungen erfüllt sind:
Das ist schon extrem: 1mm Höhenunterschied = 2mm zwischen beiden Schienen.
Weniger Sinn macht eine Dreipunktlagerung bei Treibriemen, die nicht in der Waagerechten laufen und außerhalb der Achsmitte liegen oder bei Stirnradgetrieben. Das Thema wurde hier schon einmal angeschnitten: modellbau/viewtopic.php?p=227943 . Dort wurde unter anderem diese Version eines Feldbahnlok-Antriebs für IIf gezeigt:
Der grüne Teil ist der bewegliche Lagerkäfig. Er ist außerhalb der Ritzel-Welle gelagert, damit die Achslast nicht die Welle hemmt. Diese Getriebe-Konstruktion geht von Stirnrädern und Tellerrädern auf den Achsen aus.
Sehr wichtig ist bei Antriebskonzepten mit Kegelrädern, Schnecken oder Tellerrädern, dass der Drehpunkt der Dreipunkt-Pendellagerung konzentrisch zu der Antriebswelle ist. Denn dadurch wird sicher gestellt, dass sich der Abstand der Zahnrad-Paare niemals ändert. Die Achse kreist sozusagen um die Welle
.
Durch das Pendeln entsteht zwar ein minimaler Versatz der Räder beider Achsen zu einander, aber dieses Maß ist so klein, dass es vernachlässigbar ist.
Wo liegen die Vor- und Nachteile einer Dreipunkt-Lagerung?
Die Vorteile: Bei akzeptabel ausgeglichenen Massen erhöht sich die anwendbare Zugkraft - besonders bei unebenen verlegten Gleisen - ganz erheblich. Das hat folgenden Grund. Bei starr gelagerten Achsen und unebenen Gleisstellen wird ein Punkt kommen, an dem eines der Räder weniger Anpressdruck hat als die anderen. In Folge steigt die Antriebskraft auf den noch haftenden Rädern sprunghaft an. Standen die schon kurz vor dem Durchdrehen, wird es zu diesem Zeitpunkt wahrscheinlich passieren.
Bei Wagen bietet eine Allrad-Auflage - egal ob bei zwei- oder mehrachsigen Modellen - eine stark erhöhte Entgleisungssicherheit.
Dreibeinige Tische können nicht wackeln. Weitere Infos und eine Lösung für Dreikuppler gibt's auf http://www.themt.de/mr-0210-49.html .
In der Praxis wird sich der Stromverbrauch eines zweiachsigen Triebfahrzeugs unter Grenzlast erhöhen, nachdem die Dreipunktlagerung eingebaut wurde, was die Theorie beweist.
Außerdem sorgt eine Allradauflage für eine bessere Stromabnahme. Ein Rad eines Zweikupplers, das in der Luft hängt, vermindert die Stromübertragung um glatt ein Viertel. Steht nun zufälliger Weise eines der drei verbliebenen Räder auf einem stromlosen Abschnitt, sind es nur noch 50%. Schienenschleifer wurden hierbei nicht berücksichtigt. Aber die Rechnung zeigt, warum diese bei Stainz & Co. so wichtig sind.
Auf einen Nachteil von Dreipunktlagerungen gegenüber echt gefederten Fahrzeugen hat mich fido aufmerksam gemacht. Wenn der Höhenunterschied an einem Rad auftritt, "nickt" das gesamte Fahrzeug (denn das gilt auch für Wagen) in der Diagonalen zwischen dem einen starr gelagerten Rad und dem Mittelpunkt der Dreipunkt-Lagerung.
Solange die Gleise jedoch nicht wie "Kraut und Rüben" liegen oder die Weichenherzstücke gar nicht zu den Radsätzen passen, ist das meiner Meinung verschmerzbar - die Vorteile überwiegen, denn es ist nicht so trivial, eine echte Federung korrekt auszulegen.
Schneckengetriebe
Schneckengetriebe haben die von fido schon einmal sehr gut dargestellten Nachteile ( modellbau/viewtopic.php?p=221365#221365 ). Eingängige Schneckengetriebe haben eine sehr hohe Selbsthemmung (kein Auslauf bei Stromunterbrechung) und einen ganz miesen Wirkungsgrad, in der Regel kommen höchstens 50% der Achs-anteiligen Motorleistung an der Achse an. Bei zweigängigen Schnecken (Untersetzungs-Verhältnis = 0,5 × Zähnezahl des Schneckenrads) sieht es schon freundlicher aus, weil die Schneckenzähne viel schräger stehen. Kegel- und Tellerrad-Getriebe sind noch viel besser, obwohl speziell Kegelräder auch noch einen schlechten Wirkungsgrad haben - davon können Fahrer der BMW®-Motorräder der R-Serien mit Kardanantrieb ein Lied singen.
Eingängige Schneckengetriebe haben aber auch einen großen Vorteil. Es gibt nämlich kaum einen anderen Weg, um auf so geringem Raum und mit so wenig Bauteilen eine höhere Untersetzung zu erzielen, die in beiden Fahrtrichtungen arbeitet. Infos zu Zahnrad- und Getriebeauslegungen allgemein findet Ihr auf unserer Website: http://www.themt.de/mt-0060-drgr-49.html . Dort wird auch die Abstands-Berechnung von Getriebeteilen erklärt. Denkt dabei bitte an etwa 0,1mm Luft, die Ihr zum Ergebnis der Berechnung hinzu fügen müsst.
Wenn also die Rahmenbedingungen so sind, dass aus pragmatischen oder Platzgründen ein eingängiges Schneckengetriebe die erste Wahl ist, heisst es dessen Nachteile zu minimieren. Schnecken und Schneckenräder sowie Zahnräder in großer Auswahl findet Ihr z.B. bei GHW ( http://www.modellbauschraube.de/ ). Es lohnt sich, den Gesamtkatalog herunter zu laden, auch, wenn der etwa 10MB groß ist.
Wie fido schon richtig erwähnt hat, ist die Selbsthemmung von Schneckengetrieben abgesehen vom miesen Wirkungsgrad das Hauptproblem. Diese Selbsthemmung tritt dann auf, wenn die Stromzufuhr zum Motor plötzlich unterbrochen wird und das Schneckenrad auf die Windung der Schnecke aufläuft. Angesichts des hohen Stromverbrauchs ist da mit Kondensatoren wenig zu machen - die halten einen Motor nicht lange über Wasser und haben den großen Nachteil ein sehr hohen Anfangs-Ladestromstoßes.
Eine möglichst fette Schwungmasse, gepaart mit einem Glockankermotor ("Faulhaber"), kann zumindest kurzfristige Unterbrechungen auffangen. Wie fido aufgezeigt hat, bringt das bei modernen Decodern im Digitalbetrieb auch etwas ( modellbau/viewtopic.php?t=5475 ). Warum das geht, hatte ich zwar nicht erkannt, aber ich suchte vor ein paar Wochen nach einer idealen Lösung, die analog- und digital-kompatibel sein sollte, und so gab es einen Anstoss zu fidos Versuchsreihe. Wie sich nun heraus gestellt hat, klappt das zumindest auch mit aktuelleren Zimo-Decodern.
Ein weiterer Punkt, der zu schlechten Eigenschaften von Schneckengetrieben führt, sind die axialen Kräfte. Axiale Kräfte wirken parallel zur Welle, radiale quer dazu.
Stellt Euch die Schnecke vor:
Wenn sie sich dreht, zieht sie an den Zähnen oder drückt die auf die Zähne des Schneckenrads. Es kann aber auch geschehen, dass die Schnecke selbst oder ihre Welle durch Spiel an einen Widerstand stoßen und dann da auch noch Reibung erzeugen.
Das erste Problem lässt sich um genau die Hälfte reduzieren, wenn Ihr auf beiden Achsen eines Zweikupplers eine Schnecke einsetzt. Es ist klar, dass nun je eine Schnecke nur für diese Achse zuständig ist und auch nur deren Widerborstigkeit überwinden muss. Daher ist ein Schneckengetriebe auf nur eine Achse eine ganz schlechte Idee.
LGB® fängt das zweite Problem auf, in dem die Schneckenwelle an Kunststoff-Platten gelagert wird, die die axialen Kräfte auffangen sollen.
Rücken wir einmal beiden Problemen auf den Leib.
Gegen die Reibung zwischen Schnecke und Schneckenrad ist nur ein Kraut gewachsen: Druck-festes Fett. Damit das seine volle Wirkung entfaltet, sollten die Schnecken-Schneckenrad-Kombinationen gekapselt sein. Das ist leichter geschrieben als gebaut, denn es bedeutet, im Fall der pendelnden und der starren Achsen zwei verschiedene, zerlegbare Käfige zu bauen.
Die außen liegende Trennebene solcher Käfige sollte idealer Weise so angeordnet sein, dass die Kugellager der Achsen nach Lösen des Käfig-Verschlusses samt Achse und Schneckenrad nach unten heraus nehmbar sind.
Kugellager...? Na klar. Wenn schon der Wirkungsgrad von Schneckengetrieben so mies ist, solltet Ihr nicht noch weitere Energie in Reibung verballern. Bundbuchsen oder Kugel- bzw. eher Rollenlager (auch Rillenlager) sind Pflicht. Geeignete Typen findet Ihr z.B. bei Conrad (Radial-Rillenkugellager 21 52 36-xx, Innen-Durchmesser 4mm, Breite 4mm, Außendurchmesser 9/10,3mm, Flansch 0,6mm breit, beidseitige Deckscheiben, Stück ca. 4,- Euro).
Kommen wir zum zweiten Punkt. Ihr müsst sicher stellen, dass die erheblichen axialen Kräfte der Schneckenwelle möglichst gut aufgefangen werden. Denn genau mit der Kraft, mit der die Schnecke am Schneckenrad zerrt oder drückt, stützt sie oder ihre Welle sich igendwo ab. Ideal wären axiale Kugellager - aber deren Einbau wird meist das erträgliche Maß sprengen. Daher tun es auch Distanzscheiben. Sofern solche Scheiben (zwei für beide Richtungen!) richtig eingesetzt werden, halten sie den axialen Druck auch vom Motor fern. Das ist sehr wünschenswert, denn der Motor soll hergeben, was immer er kann, und seine Lager sollen möglichst wenig belastet werden.
Schaut 'mal hier:
Die beiden mit einem grünen Punkt markierten Scheiben fangen die axialen Kräfte der Schneckenwelle auf. Das Lager ist am Rahmen des Antriebsblocks fest eingelötet. Noch besser ist eine spitz angeschliffene Schneckenwelle, die sich auf einer eingelegten Stahlplatte abstützt.
Wichtig ist auch noch, die Schneckenwelle radial gut zu lagern. Hier tun es einfache Buchsen.
Wenn Ihr an einem Schneckengetriebe eine zusätzliche Untersetzung benötigt, könnt Ihr Euch wie Tobi mit einer zusätzlichen Vorgelegestufe behelfen, hier ein Link zu einem Foto: fotos/showphoto.php?photo=23092&size=bi ... thecat=998 . Bei der pendelnd gelagerten Achse einer Dreipunktlagerung muss sich die Vorgelege-Achse innerhalb des Pendel-Käfigs mit drehen können.
Jetzt gab's viel Text und wenig Bild - ich hoffe, ich habe Euch nicht zu sehr genervt .
Beste Grüße,
Ich wurde von unserem Mitglied matthias gefragt, ob eine Dreipunkt-Lagerung bei Zweikupplern überhaupt möglich sei. Erfahrene Hasen mögen bitte nicht über die Frage lachen. Zunächst wollte ich das Thema per PN oder Mail klären, aber dann erschien es mir doch interessant genug für einen Beitrag. Das Wesentliche zum Thema wurde zwar meist hier schon aufgeführt, aber ich fasse die Knackpunkte noch einmal zusammen.
Also, die Antwort lautet: Meist ja.
Das "Aber" lautet: Wenn es gut gemacht sein soll, ist es nicht so einfach.
Dreipunkt-Lagerung
Eine Achse eines Zweikupplers kann sinnvoll quer zur Fahrtrichtung pendelnd aufgehängt werden, wenn diese Bedingungen erfüllt sind:
- Die Achse wird über Kuppelstangen mitgenommen oder über einen Zahnriemen, eine Ritzel-/Tellerrad-Kombination, eine Schnecke-/Schneckenrad-Kombination, eine Kegelrad-Kombination oder - das aber nur mit großem Wenn und Aber - über einen glatten Riemen angetrieben.
- Es ist genug Platz vorhanden, um der pendelnden Achse einen eigenen Lagerkäfig zu spendieren, der so aufgebaut ist, dass die Achslast des "Hilfsrahmens" auf den Hauptrahmen (statt auf eine drehende Welle) übertragen werden kann.
- Es ist genug Platz vorhanden, damit die Räder der pendelnden Achse sich genug nach oben bzw. unten verschwenken können.
- Es werden Maßnahmen zur Vermeidung von Kurzschlüssen ergriffen oder sie sind ausgeschlossen.
Das ist schon extrem: 1mm Höhenunterschied = 2mm zwischen beiden Schienen.
Weniger Sinn macht eine Dreipunktlagerung bei Treibriemen, die nicht in der Waagerechten laufen und außerhalb der Achsmitte liegen oder bei Stirnradgetrieben. Das Thema wurde hier schon einmal angeschnitten: modellbau/viewtopic.php?p=227943 . Dort wurde unter anderem diese Version eines Feldbahnlok-Antriebs für IIf gezeigt:
Der grüne Teil ist der bewegliche Lagerkäfig. Er ist außerhalb der Ritzel-Welle gelagert, damit die Achslast nicht die Welle hemmt. Diese Getriebe-Konstruktion geht von Stirnrädern und Tellerrädern auf den Achsen aus.
Sehr wichtig ist bei Antriebskonzepten mit Kegelrädern, Schnecken oder Tellerrädern, dass der Drehpunkt der Dreipunkt-Pendellagerung konzentrisch zu der Antriebswelle ist. Denn dadurch wird sicher gestellt, dass sich der Abstand der Zahnrad-Paare niemals ändert. Die Achse kreist sozusagen um die Welle
.Durch das Pendeln entsteht zwar ein minimaler Versatz der Räder beider Achsen zu einander, aber dieses Maß ist so klein, dass es vernachlässigbar ist.
Wo liegen die Vor- und Nachteile einer Dreipunkt-Lagerung?
Die Vorteile: Bei akzeptabel ausgeglichenen Massen erhöht sich die anwendbare Zugkraft - besonders bei unebenen verlegten Gleisen - ganz erheblich. Das hat folgenden Grund. Bei starr gelagerten Achsen und unebenen Gleisstellen wird ein Punkt kommen, an dem eines der Räder weniger Anpressdruck hat als die anderen. In Folge steigt die Antriebskraft auf den noch haftenden Rädern sprunghaft an. Standen die schon kurz vor dem Durchdrehen, wird es zu diesem Zeitpunkt wahrscheinlich passieren.
Bei Wagen bietet eine Allrad-Auflage - egal ob bei zwei- oder mehrachsigen Modellen - eine stark erhöhte Entgleisungssicherheit.
Dreibeinige Tische können nicht wackeln. Weitere Infos und eine Lösung für Dreikuppler gibt's auf http://www.themt.de/mr-0210-49.html .
In der Praxis wird sich der Stromverbrauch eines zweiachsigen Triebfahrzeugs unter Grenzlast erhöhen, nachdem die Dreipunktlagerung eingebaut wurde, was die Theorie beweist.
Außerdem sorgt eine Allradauflage für eine bessere Stromabnahme. Ein Rad eines Zweikupplers, das in der Luft hängt, vermindert die Stromübertragung um glatt ein Viertel. Steht nun zufälliger Weise eines der drei verbliebenen Räder auf einem stromlosen Abschnitt, sind es nur noch 50%. Schienenschleifer wurden hierbei nicht berücksichtigt. Aber die Rechnung zeigt, warum diese bei Stainz & Co. so wichtig sind.
Auf einen Nachteil von Dreipunktlagerungen gegenüber echt gefederten Fahrzeugen hat mich fido aufmerksam gemacht. Wenn der Höhenunterschied an einem Rad auftritt, "nickt" das gesamte Fahrzeug (denn das gilt auch für Wagen) in der Diagonalen zwischen dem einen starr gelagerten Rad und dem Mittelpunkt der Dreipunkt-Lagerung.
Solange die Gleise jedoch nicht wie "Kraut und Rüben" liegen oder die Weichenherzstücke gar nicht zu den Radsätzen passen, ist das meiner Meinung verschmerzbar - die Vorteile überwiegen, denn es ist nicht so trivial, eine echte Federung korrekt auszulegen.
Schneckengetriebe
Schneckengetriebe haben die von fido schon einmal sehr gut dargestellten Nachteile ( modellbau/viewtopic.php?p=221365#221365 ). Eingängige Schneckengetriebe haben eine sehr hohe Selbsthemmung (kein Auslauf bei Stromunterbrechung) und einen ganz miesen Wirkungsgrad, in der Regel kommen höchstens 50% der Achs-anteiligen Motorleistung an der Achse an. Bei zweigängigen Schnecken (Untersetzungs-Verhältnis = 0,5 × Zähnezahl des Schneckenrads) sieht es schon freundlicher aus, weil die Schneckenzähne viel schräger stehen. Kegel- und Tellerrad-Getriebe sind noch viel besser, obwohl speziell Kegelräder auch noch einen schlechten Wirkungsgrad haben - davon können Fahrer der BMW®-Motorräder der R-Serien mit Kardanantrieb ein Lied singen.
Eingängige Schneckengetriebe haben aber auch einen großen Vorteil. Es gibt nämlich kaum einen anderen Weg, um auf so geringem Raum und mit so wenig Bauteilen eine höhere Untersetzung zu erzielen, die in beiden Fahrtrichtungen arbeitet. Infos zu Zahnrad- und Getriebeauslegungen allgemein findet Ihr auf unserer Website: http://www.themt.de/mt-0060-drgr-49.html . Dort wird auch die Abstands-Berechnung von Getriebeteilen erklärt. Denkt dabei bitte an etwa 0,1mm Luft, die Ihr zum Ergebnis der Berechnung hinzu fügen müsst.
Wenn also die Rahmenbedingungen so sind, dass aus pragmatischen oder Platzgründen ein eingängiges Schneckengetriebe die erste Wahl ist, heisst es dessen Nachteile zu minimieren. Schnecken und Schneckenräder sowie Zahnräder in großer Auswahl findet Ihr z.B. bei GHW ( http://www.modellbauschraube.de/ ). Es lohnt sich, den Gesamtkatalog herunter zu laden, auch, wenn der etwa 10MB groß ist.
Wie fido schon richtig erwähnt hat, ist die Selbsthemmung von Schneckengetrieben abgesehen vom miesen Wirkungsgrad das Hauptproblem. Diese Selbsthemmung tritt dann auf, wenn die Stromzufuhr zum Motor plötzlich unterbrochen wird und das Schneckenrad auf die Windung der Schnecke aufläuft. Angesichts des hohen Stromverbrauchs ist da mit Kondensatoren wenig zu machen - die halten einen Motor nicht lange über Wasser und haben den großen Nachteil ein sehr hohen Anfangs-Ladestromstoßes.
Eine möglichst fette Schwungmasse, gepaart mit einem Glockankermotor ("Faulhaber"), kann zumindest kurzfristige Unterbrechungen auffangen. Wie fido aufgezeigt hat, bringt das bei modernen Decodern im Digitalbetrieb auch etwas ( modellbau/viewtopic.php?t=5475 ). Warum das geht, hatte ich zwar nicht erkannt, aber ich suchte vor ein paar Wochen nach einer idealen Lösung, die analog- und digital-kompatibel sein sollte, und so gab es einen Anstoss zu fidos Versuchsreihe. Wie sich nun heraus gestellt hat, klappt das zumindest auch mit aktuelleren Zimo-Decodern.
Ein weiterer Punkt, der zu schlechten Eigenschaften von Schneckengetrieben führt, sind die axialen Kräfte. Axiale Kräfte wirken parallel zur Welle, radiale quer dazu.
Stellt Euch die Schnecke vor:
Wenn sie sich dreht, zieht sie an den Zähnen oder drückt die auf die Zähne des Schneckenrads. Es kann aber auch geschehen, dass die Schnecke selbst oder ihre Welle durch Spiel an einen Widerstand stoßen und dann da auch noch Reibung erzeugen.
Das erste Problem lässt sich um genau die Hälfte reduzieren, wenn Ihr auf beiden Achsen eines Zweikupplers eine Schnecke einsetzt. Es ist klar, dass nun je eine Schnecke nur für diese Achse zuständig ist und auch nur deren Widerborstigkeit überwinden muss. Daher ist ein Schneckengetriebe auf nur eine Achse eine ganz schlechte Idee.
LGB® fängt das zweite Problem auf, in dem die Schneckenwelle an Kunststoff-Platten gelagert wird, die die axialen Kräfte auffangen sollen.
Rücken wir einmal beiden Problemen auf den Leib.
Gegen die Reibung zwischen Schnecke und Schneckenrad ist nur ein Kraut gewachsen: Druck-festes Fett. Damit das seine volle Wirkung entfaltet, sollten die Schnecken-Schneckenrad-Kombinationen gekapselt sein. Das ist leichter geschrieben als gebaut, denn es bedeutet, im Fall der pendelnden und der starren Achsen zwei verschiedene, zerlegbare Käfige zu bauen.
Die außen liegende Trennebene solcher Käfige sollte idealer Weise so angeordnet sein, dass die Kugellager der Achsen nach Lösen des Käfig-Verschlusses samt Achse und Schneckenrad nach unten heraus nehmbar sind.
Kugellager...? Na klar. Wenn schon der Wirkungsgrad von Schneckengetrieben so mies ist, solltet Ihr nicht noch weitere Energie in Reibung verballern. Bundbuchsen oder Kugel- bzw. eher Rollenlager (auch Rillenlager) sind Pflicht. Geeignete Typen findet Ihr z.B. bei Conrad (Radial-Rillenkugellager 21 52 36-xx, Innen-Durchmesser 4mm, Breite 4mm, Außendurchmesser 9/10,3mm, Flansch 0,6mm breit, beidseitige Deckscheiben, Stück ca. 4,- Euro).
Kommen wir zum zweiten Punkt. Ihr müsst sicher stellen, dass die erheblichen axialen Kräfte der Schneckenwelle möglichst gut aufgefangen werden. Denn genau mit der Kraft, mit der die Schnecke am Schneckenrad zerrt oder drückt, stützt sie oder ihre Welle sich igendwo ab. Ideal wären axiale Kugellager - aber deren Einbau wird meist das erträgliche Maß sprengen. Daher tun es auch Distanzscheiben. Sofern solche Scheiben (zwei für beide Richtungen!) richtig eingesetzt werden, halten sie den axialen Druck auch vom Motor fern. Das ist sehr wünschenswert, denn der Motor soll hergeben, was immer er kann, und seine Lager sollen möglichst wenig belastet werden.
Schaut 'mal hier:
Die beiden mit einem grünen Punkt markierten Scheiben fangen die axialen Kräfte der Schneckenwelle auf. Das Lager ist am Rahmen des Antriebsblocks fest eingelötet. Noch besser ist eine spitz angeschliffene Schneckenwelle, die sich auf einer eingelegten Stahlplatte abstützt.
Wichtig ist auch noch, die Schneckenwelle radial gut zu lagern. Hier tun es einfache Buchsen.
Wenn Ihr an einem Schneckengetriebe eine zusätzliche Untersetzung benötigt, könnt Ihr Euch wie Tobi mit einer zusätzlichen Vorgelegestufe behelfen, hier ein Link zu einem Foto: fotos/showphoto.php?photo=23092&size=bi ... thecat=998 . Bei der pendelnd gelagerten Achse einer Dreipunktlagerung muss sich die Vorgelege-Achse innerhalb des Pendel-Käfigs mit drehen können.
Jetzt gab's viel Text und wenig Bild - ich hoffe, ich habe Euch nicht zu sehr genervt
. Beste Grüße,
