Am Beispiel Kranbahn: Mechanisierung eines Lasercut-Modellbaus

Für den Funktionsmodellbau sind Karton und MDF nicht unbedingt die bevorzugten Materialien ... da denkt man dann doch eher an gefräste oder geätzte Bauteile aus Messing und anderen Metallen.
Dass es im Prinzip auch mit Lasercutbausätzen geht, habe ich mit meinem Prototypen der Kranbahn bei den Spur-0-Tagen in Gießen gezeigt.

Der gezeigte Protoyp funktionierte mit allen drei Funktionen (Verfahren der Kranbrücke, Verfahren der Laufkatze und Heben/Senken der Kranfunktion) zwar noch etwas ruppig und hakelig, aber dennoch mit so viel Präzision, dass es kein Problem war, die Coils mit ihrer 12-mm Wickelöffnung mit dem passenden Ladegeschirr aufzunehmen und abzusetzen.
Die Präzision lässt sich auf jeden Fall noch steigern, wenn man nicht (wie ich) an einem Prototypen per Try-and-Error verschiedene Antriebsvarianten durchtestet, sondern konsequent auf eine erfolgversprechende Lösung hin konstruieren kann.

Die Kranbahn verfügt über drei Antriebe: Während für die Antriebe 2 und 3 (Laufkatze sowie Heben/Senken) nur eine Abstimmung von Motoren/Unteretzungen notwendig war, aber das Antriebsprinzip auf Anhieb funktionierte, bereitete der Antrieb 1 (Fahren der Kranbrücke) erhebliche Probleme und erforderte drei Anläufe:
Den ersten missglückten Versuch habe ich nicht im Bild dokumentiert: Ich hatte in jeden der Kastenträger mittig einen Antrieb montiert und hatte versucht, den Kranträger quasi wie ein Schienenfahrzeug anzutreiben. Das konnte nicht gut gehen, weil bei einer Achslänge von rund 36 cm und einem Achsabstand von nur knapp 9 cm ein Verkanten des Gefährts vorprogrammiert war.
Beim zweiten Anlauf setzte ich auf einen Seilzugantrieb, wie er ja bei der Bewegung der Laufkatze auf Anhieb funktionierte. Der entscheidende Unterschied ist allerdings, dass ich bei dem Laufkatzenantrieb mit einem mittig montierten Seilzug auskam, während der Kranbrückenantrieb wegen seiner Breite rechts und link einen Seilzug benötigt. Über Umlenkrollen an den Enden der Laufschienen wurden die Seilzüge aus Angelschnur unter die Basisplatte umgelenkt; dort befand sich die Antriebsmimik:

Dieser Antrieb scheiterte letztendlich daran, dass die angetriebenen Umlenkrollen zu klein waren und trotz Haftreifen zuviel Schlupf entstand. Bei der Schwergängigkeit der Kraftübertragung über die Umlenkrollen oben und unten war die Bewegung viel zu ruckelig und es war auch kein verkantungsfreien Fahren möglich.
Erst die dritte Antriebsvariante brachte den gewünschten Erfolg: Auf den Innenseite der beiden Längsträger wurde je eine 3-mm-Gewindestange aus Edelstahl vorne und hinten mit Hilfe je eines Kugellager aufgehängt. An der Kranbrücke habe ich Mitnehmer aus Messingblech montiert, die mit einem M3-Gewinde die Gewindestangen umschließen. Die Gewindestangen sind hinten aus der Hallenwand herausgeführt und jeweils mit einer Zahnriemenscheibe versehen:

Der Antriebsmotor, ebenfalls mit Zahnriemenscheibe ausgestattet, befindet sich im Halleninneren. Er sitzt auf einer Motorhalterung, die mittels Langlöchern und 6-mm Schrauben/Flügelmuttern in der Höhe verstellbar ist, sodass sich die Spannung auf dem Zahnriemen anpassen lässt. Bevor ich zu den Problemen und Optimierungspotenzialen dieses Antriebs komme, möchte ich die Antriebe 2 und 3 vorstellen.

Der Antrieb 2 für das Fahren der Laufkatze hat sich vom ersten Test bis zum Vorführmodell nur geringfügig verändert. Zunächst hatte ich einen Motor mit einem 12er Ritzel in ein 54er Zahnrad, das mit der Umlenkrolle für den Seilzug verbunden war, wirken lassen:

Dass die Untersetzung möglicherweise nicht reichen würde, war mir halbwegs bewusst, aber optimistisch dachte ich: die digitale Ansteuerung wirds schon richten ... tat sie aber nur unbefriedigend: auch bei niedrigste Fahrstufe bewegte sich die Laufkatze zu schnell, so dass ein feinfühliges Steuern nicht zu erwarten war. Der Motor wurde also durch einen Getriebemotor ausgetauscht, der kaum voluminöser ausfiel und mit seinen rund 100 U/min zu dem gewünschten Ergebnis führte, schnell genug verfahrbar, aber extrem feinfühlig bei niedrigster Fahrstufe:
Die Umlenkrolle (10 mm Ø) hat einen Haftreifen bekommen (von der Spur N) um die Reibung zu erhöhen, der Seilzug ist unten an der Laufkatze fixiert (auf der Gegenseite mit einer Zugfeder) und wird oben durch ein 3-mm Messingrohr geführt.

Antrieb 3 für das Heben und Senken hatte zunächst einen Wickelmotor wie schon bei Antrieb 2 mit einem 12er Ritzel und einem 54er Zahnrad auf der Wickelachse:

Auch hier gab es dieselben Einschränkungen wie zuvor: zu schnell, nicht präzise genug steuerbar. Hier kam aber ein weiteres Problem dazu: das Ladegeschirr für die Coilverladung alleine ist schon relativ schwer, zusammen mit den aus Papier gewickelten Coils ist so viel Gewicht am Haken, dass die Winde nicht die Position hielt, sondern durchrutschte.
Abhilfe brachte hier eine Antriebslösung mit Schnecke und Ritzel, da die Schnecke neben der stärkeren Untersetzung eine selbsthemmende Wirkung hat:

Hier noch einmal die Ansicht der Antriebe 2 und 3 im montierten Zustand:

Nun zurück zu den Problemen mit Antrieb 1: Während bei den Antrieben 2 und 3 kleine Motörchen ausreichend sind, die sich bei einem Modell, das nach Vorbildgerechtigkeit strebt, auch leicht kaschieren lassen (bei meinem Prototypen soll die Technik der Anschauung halber ja sichtbar bleiben), benötigt der Antrieb 1 schon einen Motor mit ordentlichem Drehmoment. Der Motor aus dem RC-Bereich sollte laut technischen Angaben zwar auch mit 750 mA auskommen ... dem war aber nicht so. Ich kann deshalb mit den zur Verfügung stehenden Decodern diesen Motor nicht digital antreiben, sondern steuere ihn analog an. Dieser derbe Motor in Verbindung mit einer Vibration der Gewindestangen führt dazu, dass der Antrieb recht ruppig läuft. Hinzu kommt, dass der gespannte Zahnriemen Zug auf die nach hinten herausgeführten Gewindestäbe ausübt und sie bei optimaler Spannung leicht biegt. Das trägt natürlich nicht zu einer Laufruhe bei und verstärkt die Vibrationen noch.
Hier ist die Lösung aber relativ simpel: Im nächsten Bearbeitungsschritt werden beim Prototypen die Zahnriemen zwischen zwei Kugellagern platziert, so dass diese Fehlerquelle entfällt.

So weit zunächst einmal meine Dokumentation. Gibt es Fragen dazu? Gibt es Wünsche, weitere technische Details im Foto zu zeigen? Gibt es Anregungen für/von Nachahmungstätern?

Gruß --- Jürgen

Zunächst einmal herzlichen Dank für die positive Resonanz!

Ich werde hier locker Informationen nachschieben, die hilfreich für diejenigen sein können, die es noch genauer wissen wollen und/oder selbst Ambitionen haben, so etwas zu realisieren. Hier zunächst einmal so etwas wie eine kommentierte Teileliste; aufgeführt sind die Dinge, die man in der Regel gezielt beschaffen muss, nicht hingegen allgemeines Bastelmaterial wie Messingstäbe, Schienenprofile, Draht, Litze, Lüsterklemmen, Schrauben, Muttern ...

Kranbrücke (Antrieb 1):

• 7 Kugellager, 3 x 7 x 3 mm (hier ist bereits die doppelte Lagerung der Zahnriemenscheiben vorweggenommen plus Gegenlager der Zahnriemenscheibe am Motor)
• 2 Gewindestangen Ø 3mm (rostfreier Stahl), je knapp 60 cm
• 2 H0-Radsätze, beidseitig isoliert
• 2 Achsen, Ø 2 mm, je ca. 37 cm lang
• 3 Zahnriemenscheiben für 9 mm breiten Zahnriemen
• 1 Zahnriemen, 820 mm lang, 9 mm breit
• 1 Motor 12V, Ø ca. 36 mm, Länge ca. 50 mm, Lastdrehzahl ca. 4500 U/min (dieser Motor wird bei mir analog mit einem Gleichstrom-Fahrtrafo angesteuert)
• Die Mitnehmerbleche bestehen aus 0,5-mm-Messingblech, darauf ist der eigentliche Mitnehmer aufgelötet: ein Messingstück ca. 10 x 5 x 2 mm, in das ein M3-Gewinde geschnitten wurde.

Laufkatze (Antrieb 2):

• 2 N-Radsätze, beidseitig isoliert
• 2 Kontaktschleifer
• 1 Getriebemotor, 12V, 60–100 U/min (Comvec, ebay)
• 1 Lokdecoder (Tran DCX74)
• Messingrohr, Ø außen: 3mm, innen 2,1 mm (wird auch an anderen Stellen als Gleitlager benötigt)
• 2 Seilscheiben, Ø 10 mm, Haftreifen für die Antriebsscheibe
• Angelschnur

Heben/Senken (Antrieb 3):

• Motor 12V, Ø 12 mm, Länge 20 mm mit Schnecke, dazu passendes Zahnrad (bei mir Modul 0,3/ca. 30 Zähne)
• 1 Lokdecoder (Tran DCX74)
• (Zahnrad und Seilspindeln – aus Hohlnietenteilen – sind auf ein Messingrohr Ø 2 mm aufgepresst; dieses Rohr dreht sich auf einer Achse Ø 1 mm)
• 1 Seilscheibe, Ø 10 mm als Umlenkrolle am Kranhaken
• 1 Messingrohr, Ø 8mm, ca. 35 mm lang für das Coil-Ladegeschirr

Alternative Ladegeschirre:
Das wäre ein Thema, über das es sich lohnt, gemeinsam nachzudenken. Denn diese Halle mit Kranbahn kann ja ganz andere Funktionen haben als ein Coillager. Denkbar wäre eine z.B. eine Schrottverladung mit Hebemagnet, der über den Funktionsausgang des Lokdecoders gesteuert wird ... oder ein Greifer für lange Ladegüter (Stahlträger, Langholz ...). Um bei solch einem Greifer unkontrollierte Dreh- und Pendelbewegungen zu vermeiden, könnten die Seilspulen einen größeren Abstand bekommen, denen zwei Umlenkrollen am Ladegeschirr entsprechen. Öffnen des Greifers könnte wiederum über den Funktionsausgang des Decoders mit Memory-Wire (zu gut Deutsch: Muskeldraht) realisiert werden.

Stromzuführung:
Der Motor für den Antrieb 1 kann direkt von der Gebäuderückseite angeschlossen werden.
Für die anderen Antriebe wird der Strom (links/rechts) an den hinteren Lagern der Gewindestangen eingespeist und über die Mitnehmer auf die Kranbrücke übertragen; Schleifer, die den Strom von den beiden Laufkatzen-Schienen auf der Kranbrücke abnehmen, sind lediglich für den Antrieb 3 (Heben und Senken) erforderlich.

Statik:
Die Rückwand, die ja nur aus 3 mm starkem Karton besteht, wurde im Bereich der Antriebsmimik durch Leisten bzw. eine Sperrholzplatte ausgesteift, weil die Spannung, die durch den Zahnriemen erzeugt wird, abgefangen werden muss.

Wenn mehr Informationen oder Bilder von bestimmten Details gewünscht sind, dann stellt bitte eure Fragen.

Gruß --- Jürgen

Hallo Jürgen, Danke für deine Anregungen ... indes: ich bin sehr skeptisch. Was im Original funktioniert, tut es im Modell wegen der fehlenden Masse und Gewichte in der Regel nicht in gleichem Maße:

Quote from jrgnmllr

Es müsste eigentlich - wie im Original - funktionieren, wenn das Kranfahrwerk mittig in einem Träger eingebaut und die Räder nur dieses Trägers über Wellen angetrieben werden; jedenfalls wurden bei Kampnagel in Hamburg - ich hatte dort Maschinenschlosser gelernt - so meistens die Kranfahrwerke der Laufkrane gebaut.

Dein Vorschlag unterscheidet sich von meinem ersten missglückten Versuch allein dadurch, dass ich beide Achsen angetrieben habe und du nur eine Achse antreiben willst. Weshalb soll das die Funktionalität verbessern? Ich hatte die beiden Träger innen mit Messingplatten beschwert ... und dennoch war das Hauptproblem die unzureichende Haftung und das Verkanten des Trägers beim Schlupf.
Aber du kannst deine Theorie ja mit einem einfachen Versuchsaufbau testen: Ein Brett 36 x 9 cm, daran zwei Achsen, davon eine angetrieben ...

Ich muss gestehen: dies ist nicht mein erster Gehversuch in Sachen Funktionsmodellbau. Ich hatte vor etlichen Jahren einen Containerkran im Maßstab 1:160 aus Messing gebaut und in allen Funktionen im Prinzip nutzbar gemacht ... bis hin zum Containergreifer, der auf den vier Ecken Greifklauen hatte, die per Decoder und Muskeldraht geöffnet werden konnten, um den Container anzusetzen. Das Problem bei alledem waren -- wie bereits erwähnt -- die zu geringen Gewichte ...

Containergreifkopf 1:160 im Versuchsstadium:

Der Kran 1:160 in seiner ganzen Herrlichkeit:

Ich habe aus diesen Erfahrungen gelernt, dass ich im Zweifelsfall der höheren zu erwartenden Funktionssicherheit Vorrang gebe, vor dem vorbildnahen Funktionsprinzip. Die Laufkatze ließe sich vermutlich, wie von dir vorgeschlagen, mit einem eigenen Antrieb auf den Schienen verfahren ... vorausgesetzt, man macht sie schwer genug. Ob sich eine ähnlich präzise Funktion erreichen lässt, wie sie der vergleichsweise simple Seilzugantrieb garantiert, wäre einen Versuch wert.
Aus dieser Kranbahn einen Containerkran zu machen, halte ich für keine gute Idee. Containerkranbrücken sehen anders aus. Nicht zwingend so wie mein 1:160-Kran für den Umschlag Wasser-Schiene-Straße, aber auch die Containerlaufkräne auf den DB-Terminals haben nichts mit so einer Kranbahn gemein. So reizvoll es ist, über einen Containergreifkopf im Maßstab 1:45 nachzudenken: mit dieser Kranbahn hat das für mich nichts zu tun.

Gruß --- Jürgen

Hallo Stefan:

Quote from Stefan

... ich dachte aber an meinen alten Containerkran von Brawa.... aus H0-Zeiten
Der hatte super funktioniert, als Denkanstoss...

... als Denkanstoß wofür?

Ich versuche mal, das Brawa-Antriebskonzept zu analysieren:

Der Brawa-Kran verfügt über drei Antriebe, zwei davon mit Zahnstangen/Zahnrädern und einer (nämlich der für die Laufkatze) mit zwei Gewindestangen.

Letzteres Gewindestangen-Prinzip ist also genau das, was ich für das Verfahren der Kranbrücke verwende. Die Längen der Gewindestangen beim Brawa-Kran sind geringer als bei der hier gezeigten Kranbahn, auch die Relation der Gewindestangenlänge zur Laufkatzenlänge ist mit dem Verhältnis von ca. 1 zu 4 deutlich kleiner als bei der Kranbahn (dort ca. 1 zu 10) und es wird eine vergleichsweise dicke Gewindestange benutzt.
Als Anregungungen für den Gewindestangenantrieb der Kranbahn, um zu weniger Vibrationen und mehr Laufruhe zu gelangen, nehme ich mit:

• Eventuell den Durchmesser der Gewindestange von 3 auf 4 mm vergrößern
• Die Gewindestange nicht nur an dem (zurzeit) mittig angeordneten Mitnehmer führen, sondern über die gesamte Länge von 9 cm der Kranbrücke.

Der (verdeckte, unterirdische) Zahnstangenantrieb für das Verfahren des gesamten Krans lässt sich nur bei Krankonstruktionen verwenden, die auf Schienen auf dem Boden fahren ... geht also nicht für eine Kranbahn auf Ständern.

Bleibt der Antrieb für das Heben und Senken der Containergreifers: Wenn man das wie Brawa mit einer Zahnstange realisiert, fährt die Zahnstange bei Anheben oben aus der Konstruktion heraus. Sehr funktionssicher, aber auch sehr unschön und weit vom Vorbild entfernt.
Brawa hat dieses Prinzip u.a. gewählt, weil der Containergreifer beim Absetzen auf die Last gedrückt werden muss, um zu öffnen. Der obere Anschlag wird benötigt, soweit ich das Konstruktionsprinzip durchschaue, um für das Aufnehmen den federnden Greifmechanismus zu spannen.
Von Seilen für die Kranfunktion möchte ich mit Blick auf Vorbildnähe keinesfalls abgehen; eine Zahnstange für Heben und Senken der Last würde ich kategorisch ausschließen.

Gruß --- Jürgen