Die Aufzugsmechanik

Lagerung, Antrieb & Sensorik

Die Vorschau (Preview)

In der Preview habe ich euch bereits vorab einen ungeschnitteten Hubvorgang präsentiert:

Aus dem Konzept des Aufzugs ist ein funktionsfähiger Teil des Gleisplans geworden. Was im Beitrag Gleisplan für Spur 1 noch als Fiddleyard bezeichnet wird, wird nun durch den Aufzug ersetzt. Wie es dann “unter der Oberfläche” weitergeht, ist ja schon in der Preview zu erahnen: Zumindest gibt es vor dem Aufzug eine Weiche… mehr dazu in einem späteren Beitrag. Doch jetzt zu den Details des Aufzugs. Wer schon weiß, wozu und warum das Ganze, der kann die nächsten beiden Abschnitte auch überspringen.

Wozu ein Aufzug und was ist das?

Wer andere Posts zum Thema noch nicht gelesen hat: Dieser Aufzug dient dazu, einen Modelleisenbahn-Zug von der “Schienen-Ebene” der Modellbahn (normalerweise Tischhöhe) auf ein tiefer gelegenes Niveau abzusenken bzw. anzuheben. Das bedeutet, dass im unteren, nicht sichtbaren Bereich ein sogenannter →Schattenbahnhof realisiert werden kann. Dies wäre ohne den Aufzug nicht möglich, weil gerade bei Spur 1 →eine sehr große Wendel erforderlich wäre. Der Aufzug bietet hier eine sehr platzsparende und elegante Lösung. Als Folge können mehrere Züge im Schattenbahnhof unsichtbar abgestellt werden und es ist ein abwechslungsreicher Betrieb auch auf einer kleinen Anlage möglich. An dieser Stelle nochmal der Hinweis auf den weiter oben verlinkten Beitrag (Gleisplan).

Was soll der Aufzug können?

Im Beitrag Konzept eines Aufzugs wurden bereits einige Anforderungen an die Konstruktion aufgelistet. Dazu gehören zum Beispiel die erforderliche Tragkraft, ein leiser Betrieb und so weiter. Zur Erinnerung hier nochmal die Skizze mit den wesentlichen Konstruktionselementen:

Konzeptskizze des Aufzugs mit Linearführungen (blau), Gewindespindeln (orange), Zahnriemen (gestrichelt), Motor und Stützkonstruktion. Die dicken schwarzen Linien ganz oben und links stellen die Gleise dar. Ein Zug befährt das obere Gleis, der Gleisabschnitt fährt nach unten und der Zug verlässt den Aufzug auf der unteren Gleisebene

Ich darf jetzt mit Stolz sagen, dass Alles erfolgreich umgesetzt werden konnte. So kann der Aufzug (mit der entsprechenden Ansteuerungs-Elektronik, welche noch beschrieben wird) sehr einfach in die Automatisierung der Anlage integriert werden. Letztlich stellt er auch nur ein weiteres, allerdings besonderes Element in der Reihe der automatisierbaren Magnetartikel dar bzw. kontruktionstechnisch in der Reihe der Module.

Technische Daten

Aus den teilweise nur unscharfen Anforderungen an den Aufzug sind nun folgende konkrete Eigenschaften geworden:

  • Bewegte Schienenlänge: 1410 mm
  • Hubhöhe: 400 mm
  • Antrieb: 12V Scheibenwischermotor, ca. 120 W
  • Hub durch zwei Trapezgewindespindeln
  • Übersetzung und Kraftverteilung durch Zahnriemen
  • Sensorik:
    • Zwei Taster für die Endpositionen
    • Ein 10-Gang-Potentiometer für die Positionsmessung
    • Zwei Not-Halt-Taster als Endanschläge
  • Dauer eines Hubvorgangs: 30 s
  • Für den leisen Betrieb: Gummidämpfer und niedrige Drehzahlen

So sah der Aufzug zum Zeitpunkt des Einbaus in die Anlage aus:

Einbau des Aufzugs

Sehr schön auch als Größenvergleich hier die DHG 500 mit ein paar Wagen. Rechts unten (silbernes Gehäuse) ist ein Industrie-Schaltnetzteil zu sehen, welches u.A. den Aufzug mit 12V versorgt. Da locker 10 A fließen können, ist das Netzteil entsprechend dimensioniert. Ganz fertig ist der Aufzug auf diesem etwas älteren Bild noch nicht: Die Schienen-Stromversorgung ist noch nicht fertiggestellt: Die Kabel der verschiedenen Blöcke hängen noch frei herunter.

Realisierung

  • Die Entwicklungszeit für diese Mechanik, die Elektronik & Software betrug ca. 180 Stunden. Das entspricht bei mir in etwa einem halben Jahr. Zusätzliche Zeit wurde im Vorfeld mit Recherche und Auslegung verbracht. Hier sei noch erwähnt, dass kommerzielle Lösungen mit diesen Anforderungen nicht angeboten werden.
  • Ursprünglich sollte die Mechanik auf Seilzügen statt auf Gewindespindeln basieren. Grundlage hierfür ist die Tatsache, dass Seile große Kräfte sehr leise übertragen können. Dies stellte sich aber als zu nachgiebig heraus: Wenn ein schwerer Zug den Aufzug befährt, soll dieser nicht im Millimeter-Bereich nachgeben. Obwohl 2mm starkes, Dyneema-ähnliches und sehr wenig dehnbares Material verwendet wurde, war die Gesamtdehnung bedingt durch die Seillänge zu groß. Auch diverse erforderliche Umlenkrollen trugen zu dieser Nachgiebigkeit bei. Versuche, das Nachgeben aktiv zu kompensieren, scheiterten an Instabilitäten der Regelung.

Das Video

Hier nun ein detailliertes Video mit allen Funktionen. Ich hoffe, die Funktion wird dadurch einigermaßen klar. Ich freue mich diesbezüglich immer über interessante Kommentare, Nachfragen aller Art oder auch “Likes” bei Youtube:

Details zur Mechanik

Mechanische Führung

Der Schlitten trägt das bewegliche Gleisstück im Aufzug und ist das Teil, welches um die Hubhöhe vertikal verstellt wird. Er besteht aus einigen Spanplatten-Resten, die als T-Profil verarbeitet wurden. Für die Führung dieses Schlittens wurden Baumarkt-Schubladenführungen als Linearlager verwendet. Ideal zu befestigen sind die eigentlich nicht… Letztlich hat der Preis aber den Ausschlag gegeben :-). Und da auf die Führungen keine großen Belastungen wirken, reicht das vollkommen aus. Einige zusätzliche Löcher und genau im passenden Winkel verschraubte Muttern verbinden nun den Schlitten über L-Winkel mit der Wand. Als Zwischenelemente dienen Vierkant-Aluminiumprofile. An diesen sind die Profile mit der Grundplatte aus Holz verbunden. Auch die Endschalter sind hier angebracht. Als zusätzliche Stützpunkte dienen zwei mit der Wand verdübelte Schrauben an den oberen Enden. So wird auch die Wand nicht zu sehr in Mitleidenschaft gezogen. Das ist soweit schon recht stabil, da alles zusammen auch ein gewisses Eigengewicht mitbringt.

Antrieb

Scheibenwischermotoren sind für vergleichbare Aufgaben beliebt, da sie drehmomentstark, robust und günstig sind. Die Effizienz spielt hier keine Rolle. So durfte ein →Exemplar dieser Gattung die treibende Rolle übernehmen. 12 V und bis zu 22 A sind die Kenndaten. Im praktischen Betrieb liegt die Stromaufnahme zwischen 5 und 8 A.

Die Hubspindeln

Trapezgewindespindeln sind hier die erste Wahl. Herkömmliche Gewindestangen laufen nicht sauber genug und die Reibung ist trotz Schmierung sehr hoch. Das erhöht auch denVerschleiß. Als geeignetes Maß wurde TR 12×3 gewählt. Dies ist von den Abmaßen noch gut zu handhaben und preislich überschaubar (hier sind auch die erforderlichen zwei Gewindebuchsen mitzurechnen). Gleichzeitig ist es stabil genug, um auch große Lasten zu halten (Knicklast in voll ausgefahrenem Zustand; Schwingungsstabilität).

Lagerung und Antrieb einer der zwei Gewindespindeln: Die Riemenscheibe (schwarz) ist direkt auf die bronzefarbene Gewindebuchse geklebt. Die Buchse wiederum ist auf den Innenring eines Kugellagers gesetzt. Im Gegensatz zu vielen anderen Konzepten dreht sich die Spindel hier nicht!

Die Spindeln laufen in der Gewindebuchse und durch das Kugellager hindurch. So wird die vertikale Last aus dem Eigengewicht des Schlittens und der Eisenbahn sauber in die Holzkonstruktion abgeleitet. Letztere leitet die Last über die verstellbaren Füße in den Boden ab.

Zahnriementrieb

Zum Einsatz kommt ein Zahnriemen T5. Das große Abtriebsrad auf der Motorwelle mit knapp 80 mm Durchmesser weist 48 Zähne auf. Die beiden Riemenscheiben an den Spindeln haben bei ca. 32 mm Durchmesser 22 Zähne. Somit ergibt sich eine Übersetzung von 1 : 2,182.

Antriebsauslegung

Zusammen mit der Steigung 3 (TR 12×3) der Spindeln bedeutet das, dass eine Umdrehung der Motorwelle zu einem Höhenunterschied von ca. 6,5 mm führt. Wie im Video zu sehen, braucht ein Hub ziemlich genau 30 Sekunden. Mit der Hubhöhe von 400 mm sind das 13,3 mm/s. So muss der Motor also ziemlich genau zwei Umdrehungen pro Sekunde machen. Dabei ist im Wesentlichen das Reibmoment der Spindeln zu überwinden. Dieses ist trotz Schmierung deutlich spürbar. Leider vervielfacht sich das erforderliche Drehmoment mit dem genannten Übersetzungsfaktor und muss mal zwei genommen werden (zwei Spindeln werden gleichzeitig angetrieben). So hat der Motor recht viel Drehmoment zu erbringen. Das erklärt dann die Wahl des Scheibenwischermotors und die gesehene Stromaufnahme: Rein rechnerisch ergeben sich bei 12 V und 8 A 96 W Eingangsleistung. Bei einem Wirkungsgrad von vielleicht 60 % liegen wir bei 57,6 W reiner Wellenleistung. Mit der Drehzahl 120 upm ergeben sich 4,6 Nm Abtriebsdrehmoment (vergl. Berechnung →Drehmoment <=> Leistung). Teilt man diesen Wert durch zwei (Wert pro Spindel) und berücksichtigt die Riemenübersetzung, so ergeben sich ca. 1 Nm Reibmoment pro Spindel.

Geräuschentwicklung

Eine Grundregel in der Maschinenakustik lautet: Langsam laufende Antriebe sind leiser als schnell laufende. So ist es ein großer Vorteil, dass der Antrieb mit einer niedrigen Drehzahl auskommt. Zusammen mit dem akustisch vorteilhaften Zahnriemen und den lautlosen Spindeln ergibt sich ein äußerst niedriges Geräuschniveau. Das ist →im Video auch schön nicht zu hören 🙂 Teilweise sind die leisen “Klicks” der Endschalter lauter als der Antrieb bei kleiner Drehzahl. So kommt es im Vorführbetrieb vor, dass ein Zuschauer den Aufzug gar nicht bemerkt und sich wundert, dass nach zwei Minuten plötzlich ein ganz anderer Zug aus der gleichen Ecke “erscheint”. So soll es sein, “Mission accomplished”!

Konstruktionsdetails

Spindelabstand

Der Abstand der Spindeln beträgt hier ca. 1000 mm. Der Wert ist nicht kritisch. Ich kann mir sogar eine größere Tragweite vorstellen. Im Extremfall wäre sogar eine weitere Spindel denkbar. Dann würde die Riemenführung noch etwas spannender 🙂

Holz, Holz, Holz…

Für einige Elemente hat ganz profane Spanplatte herhalten müssen. Die Bilder sagen alles. Das kann man natürlich optisch schöner und preislich “anspruchsvoller” gestalten… Letztlich ist der Aufzug kein “Sichtbauteil”, ich finde die vorliegende Lösung funktionell und völlig ausreichend.

Sensorik

Endtaster

Zwei Taster sorgen für die elektrische Rückmeldung, an welcher Position der Schlitten gerade steht. Beispielhaft hier eine Abbildung des oberen Endtasters:

Taster für den oberen Endanschlag (blau). Die Biegung in der Lasche wurde absichtlich eingebracht

Jeder Taster (auch die Nothalt-Taster) sind auf H-förmigen Kunststoff-Adaptern angebracht, welche das präzise Ausrichten auf die gewünschte Position erlauben. An dieser Stelle ein Toast auf die Erfindung der Dekupiersäge 🙂

Nothalt-Taster

Die Nothalt-Taster fungieren als letzter “Rettungsanker”, sollte es eine Fehlfunktion geben. Es gibt analog zu den Endtastern zwei: einen für jede Endposition. Bei den Nothalt-Tastern wird nicht zwischen oben und unten unterschieden. Löst einer der beiden aus, stoppt der gesamte Aufzug und muss manuell zurückgesetzt werden. Im praktischen Betrieb kam diese Sicherheitsmaßnahme noch nicht zum Einsatz (toi toi toi).

Positionssensor

Ein Mehrgangpotentiometer mit Zahnriemen dient hier als analoger Sensor:

Mehrgangpotentiometer als Positionssensorik. Ein eigener Zahnriemen wird vom Schlitten angetrieben und über das Potentiometer geführt. So kann die Position mit ausreichender Wiederholgenauigkeit gemessen werden. Vom Poti verläuft der Zahnriemen nach unten und wird über zwei Umlenkrollen geführt, bevor er dann wieder nach oben gezogen wird. Eine Feder (im Bild Mitte oben) spannt den Zahnriemen. Im Aufzugs- Video ist der gesamten Verlauf gezeigt

Wie der Name schon sagt, hat ein Mehrgangpotentiometer mehrere Gänge. Dieses hier hat 10, was bedeutet, dass es 10 Umdrehungen erlaubt. Die Untersetzung des Zahnriemens muss nun so erfolgen, dass mit einem Hub des Schlittens möglichst der gesamte Drehbereich des Potentiometers genutzt wird. Das bedeutet, bei einem Hub von ca. 400 mm müssen 10 Umdrehungen erfolgen. Das wiederum führt zu einem Riemenstück von 40 mm für eine Umdrehung und weiter zum Riemenrad-Durchmesser von ca. 12,7 mm (D = Umfang / pi). Der nächstgrößere verfügbare Durchmesser wurde verwendet. Alles weitere dazu ist dem späteren Elektronikbeitrag zu entnehmen. Folgendes sei hier schon verraten: Mit einer Analog-Digital-Auflösung von 1024 Bit lässt sich die Position des Schlittens auf ca. 0,4 mm genau messen. Das ist als Grundlage für eine Geschwindigkeitsregelung mehr als genug und würde theoretisch sogar als Endabschaltung reichen.

Was kostet der Spaß?

Die kurze Antwort: Erstaunlich wenig 🙂

Die etwas ausführlichere Liste (teilweise abgeschätzt, ohne Gleismaterial):

  • Spanplatte/Holzreste: 10 €
  • Schubladen-Führungen 25 €
  • Trapezgewindespindeln +  2 Buchsen: 50 €
  • 2 Lager, 2 Riemen und 5 Riemenscheiben: 50 €
  • Getriebemotor 12 V: 10 €
  • Aluminiumprofile und Normteile: 20 €
  • Taster und Potentiometer, Zahnriemen und Scheibe: 15 €
  • Elektronik inkl. Leistungsendstufe: 30 €
  • Schaltnetzteil 150 W: 80 €

So kommt man auf ein Gesamtbudget von 290 €. Wenn man sich manches Angebot im Internet anschaut, ist das ein echtes Schnäppchen 🙂

Betriebserfahrungen

Nach über zweieinhalb Jahren Betrieb und geschätzten 750 Hubvorgängen gab es nur zwei Vorfälle:

  • Einmal hat sich eine Verbindung am Potentiometer-Zahnriemen gelöst. Das wurde von der Software aber sofort als Fehler erkannt. Der Aufzug stoppte und ging in den Nothalt-Modus (dadurch habe ich das Problem überhaupt erst bemerkt). Nachdem der Riemen wieder befestigt war und der Nothalt quittiert wurde, konnte der Betrieb gleich weitergehen.
  • Die im Video gezeigten Zentrierungen zwischen den Gleisenden waren nicht von vornherein dabei, sondern wurden nach ca. einem Jahr Betrieb nachgerüstet. Denn gelegentlich kam es zu Entgleisungen, weil der Schlitten relativ zum Anlagen-Gleisanschluss seitlich versetzt war. Das führte zum “Aufklettern” der Lokomotivräder und im Extremfall zum Entgleisen. Seit dem Anbringen der Zentrierungen ist das Problem nicht mehr aufgetreten.

Zentrierung: Oben das Führungselement des unteren Gleisanschlusses (Aluminiumteil), unten der Zentrierzapfen am Schlitten (Bildmitte, schwarz). Der Führung “fängt” einen eventuellen seitlichen Versatz des Zapfens und führt diesen sauber auf die Mitte. Die Gleise sind dann exakt aufeinander ausgerichtet.

Fazit

Wenn man sich die Hauptziele dieses Projekts anschaut:

  • Gute Funktion: Ausreichend Tragkraft und Genauigkeit
  • in die Automatik integrierbar (Rocrail)
  • zuverlässiger Betrieb
  • leiser Betrieb
  • akzeptabler Preis
  • auseichend schneller Hubvorgang

dann kann ich nur sagen: Ein voller Erfolg! Wie →in der Preview und →auch im Video zu sehen: Der Aufzug funktioniert hervorragend, ich bin sehr zufrieden und die Arbeit war nicht umsonst. Modellbau macht Spaß!

DoktorRail



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