Drehgestellantrieb mit Minimotor für Tatramodelle in HO

von RDM - rdmodel

geändert: 2010_04_04

Inspiriert durch Diskussionen im Forum von Jans Modellstraßenbahnseiten, habe ich mir das Ziel gesetzt, Einen Antrieb zu konstruieren, welcher in die Drehgestelle der Tatras passt. Ziel ist es den Antrieb so zu integrieren, dass ein Umbau des Modells nicht notwendig wird und lediglich die Drehgestelle ausgetauscht werden müssen.

ÜBERSICHT:

1. aktueller Stand:
Hier der derzeitige Stand: zum Video des Drehgestellantriebes

Bild

zum Video 2 des Drehgestellantriebes

Entschuldigt die schlechte Qualität - habe derzeit nur einen Fotoapparat.
Versuchsaufbau - Drehgestellantrieb mit Minimotoren aus einer Oral-B Vibrationszahnbürste.
Zwei verschiedene Drehgestelle mit einer Übersetzung von ungefähr 1:40 treiben die T4D Bodengruppe an. Beide Motoren sind in Reihe geschalten. Zusätzlich in Reihe ein 100 Ohm Widerstand. Als Vergleich dient das BEKA - MAN A8 Modell, das mit einem handelsüblichen Antrieb fährt.

2. Motoren:
Versuche mit den ca. 1,5V - Motoren haben ergeben, dass diese ziemlich robust sind. Mir ist einer der Motoren erst durchgebrannt, als ich ihn an der vollen Trafospannung von ca. 16V betrieb und dieser dann (durch ein blockiertes Getriebe) plötzlich gebremst wurde. Dabei floß dann der volle Trafokurzschlussstrom, was die Schleifer der Kollektoren verglühen ließ. Erstaunlicherweise sind die Wicklungen aber nicht beschädigt worden.
Versuche mit der bereits diskutierten Schutzbeschaltung haben mich zufrieden gestellt. Die Motoren dürften damit gegen Überspannung geschützt sein. Ich habe hier allerdings 2 - 3V Dioden und einen 100 Ohm Vorwiderstand eingebaut.
Der maximal mögliche Strom wäre dann also ca. 150mV bei 16V Trafospannung.
Aus Datenblättern ähnlicher Motoren (bei Conrad) ist zu entnehmen, dass diese bis zu 250mA vertragen.
Die Motoren kann man übrigens bei Conrad oder besser bei Sol-Expert kaufen. In Österreich hab ich noch einen Händler gefunden, der ähnliche Motoren zu 50ct vertreibt neuhold-elektronik. Die Probleme, die sich ergeben, wenn ein Drehgestell blockiert oder eins durchdreht, sind eher vorbildgerecht. Wenn ein Gestell anfängt zu fahren, zieht es das andere mechanisch mit und dieses läuft dann mit annähernd gleicher Geschwindigkeit, vorausgesetzt, die Mechanik läuft einwandfrei. Die elektrischen Probleme, die bereits hier ----> diskutiert worden, werden durch die mechanische Kopplung und die Schutzbeschaltung egalisiert.

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3. Getriebe:
Zur Übersetzung:
Laut dem Datenblatt bei Conrad laufen die Motoren zwischen 1 und 3V und haben da eine Drehzahl von 15000 bis 45000 U/min. Eine rechnerische Übersetzung von ca. 1:70 kommt einer Modellgeschwindigkeit von ca. 70km/h (22cm/sec in HO) relativ nahe. Letztlich habe ich mit verschiedenen Übersetzungsverhältnissen rumprobiert und bin jetzt bei ca. 1:45 angelangt. Damit hat das Modell auch noch ein bischen Reserve, denn man muß ja auch noch Gewichte einbauen, damit ein BW gezogen werden kann.

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4. Stromabnehmer:
Stromabnehmer:
Um die Reibung bei den kleinen, leistungsschwachen Motoren gering zu halten, habe ich die bewährte Methode der Stromabnahme ohne Schleifer, direkt über die Achsen und Gehäuseteile angewandt. Etwas knifflig war dabei die Isolierung der beiden Rahmenseiten.

Die Gestellteile sind alle nur durch Rasten verbunden, wobei ich da noch am Verbessern bin. Der Drehschemel besteht aus 0,3mm GFK und soll später mal nur gerastet werden. In der Mitte befindet sich ein Röhrchen eines Wattetupfers. Das Material ist sehr dünnwandig. Dadurch lassen sich die 4 Drähte problemlos durchfädeln. Oben aufgebogen, hängt das ganze Gestell schon fertig im Wagenkasten.
Na ja das ist jetzt noch das Handycap, dass es die Motoren noch nicht als 12V-Variante gibt. Dann wären zumindest 2 Leitungen weniger und die ganze Schutzschaltung nicht mehr nötig.
Die Schutzschaltung will ich übrigens unter der Bodengruppe auf einer Leiterplatte anbringen. Da kann dann auch gleich noch die Beleuchtungsreglung mit untergebracht werden.

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5. Resüme:
Soweit jetzt erst mal das.
WIE GESAGT; ES SIND DIE ERSTEN ERFOLGREICHEN VERSUCHE.
Jetzt kommt noch die Phase de Optimierung, damit ich dann nach und nach meine Tatras ausrüsten kann.
Übrigens sind die Motoren in vielen Geräten eingebaut beispielsweise:
Oral-B Vibrationszahnbürste
Handyvibrationsmotoren Miniracer (Spielzeugauto) Minihubschrauber Ich habe hier Motoren mit 6x10mm Abmessung eingebaut. Beste Grüße rdmodel - Ralf

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AB Hier nur Konzept

Und ob das Modell nun 70 oder 80 km/h fährt fällt kaum auf. Es fällt nur auf, wenn die Wagen mit 150 über die Anlage rasen. Normalerweise fährt die Strab in der Stadt nämlich sehr oft mit 10 bis 30m km/h (Weichen, Kurven, Ampeln, usw). Somit sind also sämtliche Industriemodelle viel zu schnell. Ein kleiner Puffer nach oben kann aber nicht schaden, denn bei Belastung mit einem BW wird das Modell zusätzlich gebremst und eine kleine Steigung soll es ja auch noch schaffen. In Deiner Berechnung bist Du auch sicher von der Leerlaufdrehzahl ausgegangen. Alle mechanischen Teile haben aber immer etwas Reibung und dadurch läuft der Motor etwas langsamer. Aber keine Bange, meine Erfahrungen sind da ganz gut. Das Kriterium für mich ist: wenn das Drehgestell mit eingebauten Zahnrädern aber ohne Motor auf einer Glasplatte leicht rollt, dann ist das Getriebe bestens. [/color] [color=#4040BF] Weiterhin ist zu betrachten, daß Du einen Vorwiderstand verwenden willst. Dieser soll ja die 12V Betriebsspannung auf 6V für den Motor reduzieren. Das ist aber nur die Theorie. Da sich der Motorwiderstand mit der Drehzahl ändert, erreicht man den Idealzustand nicht. da hilft wieder nur Probieren. Außerdem liefert der Trafo keine 12V, sondern je nach Belastung mehr (der DDR Trafo FZ1 von PIKO liefert im Leerlauf 16V). Wie die Digitalsteuerung dort noch mit wirkt kann ich nicht sagen. Auch da hilft nur Probieren. Die Gemeinde ist auf Deine Ergebnisse sicher gespannt. Das Übersetzungsverhältnis von 1:45, welches ich aufgebaut habe, liefert genügend Drehmoment um einen Triebwagen mit nur [b] EINEM [/b]Antrieb zu betreiben. Sogar das Anhängen eines BW ist damit noch möglich. Das einzige Problem dabei ist, die Kraft auch auf die Schiene zu bringen. Dies ist nur mit Haftreifen auf einer Achse möglich, ansonsten drehen die Räder durch (zumindest bei den Tatras). Mit elektronischer Spannungsanpassung meine ich nicht die Schutzbeschaltung für die Motoren. Ich habe die 12V Betriebsspannung über eine Transistorschaltung auf ca. 2V abgesenkt. Dadurch ist die Spannung am Motor proportional zur Betriebsspannung, was mit den Serienwiderständen nicht der Fall ist. Der Vorteil ist dabei ein besseres Anlaufverhalten. Nachteilig ist allerdings der große Platzbedarf und die Wärmeentwicklung. Vermutlich wirst Du aber mit den 6V Motoren nicht die Probleme haben, da der Einfluß des Serienwiderstandens nicht so groß ist. Ich muß dazu noch sagen, daß die "Zahnbürstenmotoren" ziemlich unterschiedliche Laufeigenschaften haben. Mit Serienwiderstand geht es auch ganz gut, solange beide Motoren (bei 2 getriebenen Drehgestellen) annähernd gleiche Eigenschaften haben. Wenn ich einen T4D Großzug mit 2TW zusammenstellen will und die Antriebe laufen nicht gleich an, dann ist das unschön. Mit der Transistorsteuerung ist das Problem nicht so groß. Übrigens kann ich nicht bestätigen, daß die Motoren besonders warm werden. Bei meinen Versuchen wird alles mögliche warm, es haben sich sogar schon Vorwiderstände ausgelötet, nur die Motoren sind nie heiß geworden. O.K. ich denke, wenn ich das alles mal richtig fertig habe, werde ich auch meinen Beitrag ausführlich ergänzen. Der Einsatz von Vorwiderständen ist bei den Minimotoren problemlos möglich. Die Nachteile wurden bereits öfter diskutiert, sie sind aber als Kompromiss akzeptabel. Deinen Vorschlag, Festspannungsregler der LM78xx Serie einzusetzen halte ich dagegen für wenig erfolgversprechend. Diese würden eine Motorspannung bereitstellen, die solange der Trafospannung folgt, bis die Regelspannung des Reglers erreicht ist. Dann würde der Regler die Spannung konstant halten. Drehe ich den Trafo von 0V bis 6V auf, dann liefert der Regler am Ausgang 0 bis 6V. (eigentlich braucht er noch etwas mehr Eingangsspannung) Ab dem Erreichen der 6V Regelspannung bleibt die Spannung am Ausgang konstant, auch wenn die Trafospannung weiter steigt. Ich brauche aber eine Ausgangspannung, die eine der Trafospannung proportional ist. (Trafospannung 0 ->12V ---> Ausgangsspannung 0 -> 6V oder bei mir 0 -> 2V) Die Wärmeentwicklung ist außerdem doch zu beachten. Daß der Regler 1,5A verträgt bedeutet nicht, daß er nicht heiß wird. Bei 1,5A sind nämlich Kühlbleche notwendig damit die Leistung auch abgeführt werden kann. Du kannst ja mal rechnen: wenn über den Regler 6V abfallen und 1A Strom fließt, dann müssen 6Watt an Wärme umgewandelt werden. Zum Glück brauchen die Minimotoren deutlich weniger Strom (siehe Datenblätter oben) aber 1 bis 2 Watt müssen trotzdem bei mir abgeführt werden. Wie heiß die Bauteile werden, ist nur von der kühlenden Oberfläche und der Umgebungstemperatur abhängig. Ich hab mal meine Transistorschaltung abgemalt:

Der Transistor wird dabei durch den Spannungsteiler gesteuert und liefert eine der Eingangsspannung proportionale Ausgangsspannung. Die Schaltung muß natürlich doppelt, für beide Richtungen, aufgebaut werden. Anpassung für andere Spannungsverhältnisse ist über die Widerstände möglich. Die 30 Ohm Widerstände dienen nur dem Überlastschutz und haben im Normalfall wenig Einfluß. Die Bauteile sind zwischen 2 Kühlblechen verschraubt und zwischen den Drehgestellen des Tatras angeordnet. Die 30 Ohm Widerstände sind in extra Kästen vor den Drehgestellen angeordnet. Um die Wärmeabgabe an die Plastikteile zu verhindern, sind alle Bauteile in Kartonkästen untergebracht. Die Schaltung funktioniert seit längerer Zeit problemlos, ich hab jetzt eine 2. mit zusätzlich integriertem LM317 zur Beleuchtungsreglung aufgebaut. Auch die funktioniert gut. Ich denke später noch in meinem Beitrag ausführlich darüber zu schreiben. Letztlich ist das ganze aber auch nur ein Kompromiß, der den Vorteil der kleinen Motoren eigentlich wieder zunichte macht. Besser wäre es, 12V Motoren einzusetzen. Beste Grüße rdmodel - Ralf