Making Of Projekt 2 (Teil 2: Die Bremse)

Der erste Teil ist schon was länger her, aber das heißt nicht, dass in der Zwischenzeit nichts passiert ist.

Planänderungen

Erstmal haben sich seit Teil 1 des Making Of einige Planänderungen ergeben. Und das wird auch noch, je mehr die Planung ins Detail geht, eine Weile so weiter gehen. Meist sind die Ursachen für diese Änderungen neue Ideen, die das Projekt verbessern oder die Funktionsweise vereinfachen.

Bei der Entstehung einer neuen Idee konnte man beim ersten Teil quasi Life dabei sein, nämlich die Änderung die Seilbahn nicht als ein großes Dreieck zu bauen, sondern als mehrere unterschiedliche, bis auf den gemeinsamen Antrieb unabhängige Seilbahnen zu realisieren.

Das hat folgende Vorteile:

  • Man kann erstmal mit einer Bahn anfangen, Erfahrungen sammeln und dann erst mit der nächsten (evt. verbesserten) Bahn weitermachen.
  • Projekt 2 ist früher nutzbar, da man nicht alles auf einmal bauen muss.
  • Die unterschiedlichen Bahnen können unterschiedliche Geschwindigkeiten bekommen und die Ziele bewegen sich unabhängig voneinander.
  • Die Ziele bewegen sich nicht nur in einer Richtung, sondern hin und her, was der Variabilität gut tut.
  • Die extrem aufwändige (wenn auch spektakuläre) Konstruktion eines chinesischen Wagenkompasses ist nicht mehr nötig.

Kurz gesagt: So wird’s gemacht.

Die Seilbahnen sind aber aktuell nicht bei mir im Fokus. Erstmal will ich den Antrieb bauen.

Aber aktuell ist geplant

  • als erstes eine Seilbahn quer zur Schussrichtung, auf etwa 40-50m Entfernung.
  • Darauf folgt eine zweite Seilbahn, die aus 40-50m Entfernung bis ca. 20m direkt auf den Schützen zu läuft.
  • Wenn die Power des Windantriebs es zulässt gibt es noch eine dritte Seilbahn wieder quer zur Schussrichtung auf ca. 20m Entfernung.

Der Antrieb

Der Windantrieb wird grundsätzlich nach dem gleichen Prinzip funktionieren wie beim Karussell. Da gibt es nur wenig Neues. Allerdings sind nur 6 Segel geplant und die haben jeweils eine Größe von etwa 2qm. Also sehr viel größer, als beim Karussell. Und natürlich versuche ich von den Erfahrungen beim Karussell, insbesondere was die Haltbarkeit angeht, zu profitieren. Außerdem will ich diesen Antrieb in den Sicherheitsbereich bauen, damit ich auf dem eigentlichen Schießgelände nicht unnötig Platz verliere. Und zu guter Letzt werde ich es mehr hängend bauen, damit ich insgesamt nicht zu hoch werde. Außerdem ist so das Zahnrad in etwa auf gleicher Höhe wie die Aufhängung, was hoffentlich der Stabilität und der Konstanz der Abstände zu den weiteren Getriebeteilen gut tut. (Siehe Skizze)

Folgende Probleme müssen dabei gelöst werden:

  • Die Kraftübertragung auf die zukünftige Seilbahn.
  • Eine völlig automatische Bremse, die verhindert, dass bei kräftigen Wind oder gar Sturm mir die Seilbahn um die Ohren fliegt.
  • Ein bezahlbares, haltbares und möglichst leicht zu bauendes Getriebe, dass die extrem langsame Umdrehung des Windantriebes auf eine zügige Seilbahngeschwindigkeit übersetzt.

Die Pläne für die Bremse sind am weitesten fortgeschritten.

Die Bremse (Die Theorie)

Im ersten Making Of habe ich noch eine Kupplung einbauen wollen. Ich fürchte allerdings, dass dies nicht wirklich lange halten würde. Immerhin muss das Ding Tag und Nacht, Tagein, Tagaus seinen Dienst zuverlässig seinen Dienst tun.

Daher bin ich auf eine Wirbelstrombremse umgeschwenkt (hier anschaulich erklärt) Diese Bremse wird direkt am Windantrieb zwischen dem riesigen Zahnrad und der Weiterleitung auf die Seilbahn installiert und dient auch als Getriebe.

Olaf hat mir ja schon einen tollen Ring aus Aluminium gebaut bzw. bauen lassen, der zusammen mit zwei wirklich starken Magneten den Kern der Bremse bilden wird. (Auch hier noch mal meinen Dank dafür!)

Bei der Konstruktion der Bremse musste ich allerdings aus mehreren Gründen von der sonst üblichen Bauweise abweichen, denn die Bremswirkung soll automatisch erst ab einer bestimmten Geschwindigkeit einsetzen, während im regulären Betrieb keinerlei Bremswirkung vorhanden sein soll. Außerdem werden normalerweise Elektromagnete benutzt, dagegen will ich auf Permanentmagnete setzen.

Ab einer einstellbaren Maximalgeschwindkeit soll dann also möglichst plötzlich eine Bremswirkung einsetzen, die genau so stark sein muss, dass es bei der Maximalgeschwindkeit bleibt, sie aber nicht überschritten wird. Und das soll auch bei sehr starken Wind noch zuverlässig und dauerhaft funktioneren – zumindest bis die Sollbruchstellen an den Segeln greifen.

Jetzt kommt etwas Physik, aber ich versuch’s mal so: Die Bremswirkung einer Wirbelstrombremse ist abhängig von (ein paar Einflussgrößen lasse ich weg, da sie in diesem Zusammenhang nicht variabel sind):

  • Der Geschwindigkeit v mit der der Magnet am Aluminiumring vorbei bewegt wird. Doppelte Geschwindigkeit, doppelte Bremskraft
  • Von der Stärke des Magnetfeldes B (und seine Ausrichtung zum Aluminiumring)
    Doppelte Feldstärke, vierfache(!!!) Bremskraft
  • Von der Fläche b, mit der die Magnetfelder den Aluminiumring treffen .
    Doppelte Feldbreite, vierfache(!!!) Bremskraft
  • F ist die Größe der Bremskraft,
  • b die Größe der Fläche mit dem die Magnetfeldlinien den Aluminiumring treffen (oder in der Praxis: die Anzahl der Magnete)
  • B die Stärke des Magnetfeldes
    (Stärke der Magneten, Abstand der Magneten vom Aluring)
  • v die Geschwindigkeit, mit der sich die Magnete am Aluminiumring vorbei bewegen
  • R ist der elektrische Widerstand oder Stromleitfähigkeit des Aluringes.

Die Geschwindigkeit wird ja von der Stärke des Windes vorgegeben (und der Übersetzung der Drehbewegung des Windantriebes auf die Drehbewegung der Bremse). Das heißt aber auch, dass auch bei schwachen Wind eine schwache Bremswirkung vorhanden ist. Das ist aber nicht gewünscht. Genauso lässt sich nicht wirklich verhindern, dass die Maximalgeschwindkeit überschritten wird, wenn nur der Wind stark genug ist. Das allein reicht also nicht. (Das wäre toll, dann hätte die Bremse keinerlei bewegliche Teile und würde „auf ewig“ berührungslos und verschleißfrei funktionieren.)

Der Schlüssel ist also die Feldstärke variabel zu machen, wenn man eine plötzlich einsetzbare Bremswirkung haben will. Da ich Permanentmagneten einsetzen will, gibt es dazu nur ein Lösung, nämlich den Abstand zwischen Magnet und Aluminiumring variabel zu machen.
Noch mal: Verdoppele ich die Feldstärke vervierfacht sich die Bremswirkung.

Zusätzlich kommt aber noch ein weiterer Effekt dazu: Halbiere ich den Abstand, vervierfacht(!!!) sich die Feldstärke (das ist etwas vereinfacht, da es auch noch auf die Form des Magnetfeldes ankommt, aber ich hoffe (ich hab’s ja noch nicht gebaut), dass das mindestens so funktionieren wird. Der Effekt sollte eher viel stärker sein).

Beide Effekte zusammen heißt: Halbiere ich den Abstand zwischen Magnet und Aluminiumring, verachtfacht (!!!) sich die Bremswirkung. Das ist genau das, was ich will. Zusammen mit einer relativ hohen Geschwindigkeit der Magneten sollte sich damit eine wirklich plötzliche und massive Bremswirkung erzielen lassen. Und wenn’s immer noch nicht reicht kommt noch ein Magnet (oder zwei) dazu. Bei vier Magneten hätte ich noch mal eine vierfach höhere Bremswirkung (wegen der Verdoppelung der Feldbreite).

Übrigens: Die Bremskraft der Magnete ist bereits beim langsamen Bewegen der Magnete von Hand über den Aluring deutlich zu spüren. Der Effekt ist so stark, dass man den Aluring mit einem Vorbeistreichen ins Rollen bringen kann. Verblüffend, wenn man den Effekt nicht kennt.

Die Bremse (die Konstruktion)

Ursprünglich war ja ein Fliehkraftgetriebe geplant, welches automatisch die Zahnräder voneinander trennen sollte, wenn zu viel Wind weht. Von dieser Idee ausgehend habe ich daraus ein erstes Konzept für eine Wirbelstrombremse entworfen, die der obigen Theorie entspricht (siehe Skizze).

(In Rot habe ich übrigens die kritischen Punkte markiert, bei denen ich denke, dass sie der Belastung nicht lange standhalten würden.)

Das funktioniert so aber wohl nur in der Theorie, denn sobald eine Bremswirkung einsetzt, wirken immense Querkräfte auf das Gestänge und die Gelenke. Diese Kräfte würden die Bremse sehr schnell zerstören bzw. verhindern, dass die Teile weiterhin beweglich bleiben und sich die Bremswirkung nicht mehr der Geschwindigkeit anpassen kann.

Viel zu lange viel mir nichts gescheites ein, um dieses Problem zu lösen, aber schließlich habe ich folgende Lösung gefunden, die ich so wohl auch bauen werde (siehe Skizze).

(In Gelb der Punkt, bei dem die kritischsten Kräfte auftreten.)

Diese Form ähnelt letztlich sehr stark einer herkömmlichen Fliehkraftbremse. Von dieser Bauform war ich aber ursprünglich abgerückt, da ich keine Idee hatte, wie ich sowas bauen sollte. Aber so geht’s.

Die Vorteile dieser Konstruktion sind:

  • Es treten keine starken Hebelkräfte mehr auf, die zur Zerstörung der Bremse führen könnten.
  • Die Achse ist von der Last der Bremswirkung befreit.
  • Die Beweglichkeit des Magnetarms sollte nicht wesentlich eingeschränkt werden, wenn die Bremswirkung einsetzt.
  • Die Konstruktion ist viel kleiner (flacher) und passt komplett innerhalb der Aluringes.

Das Ganze hat übrigens noch einen weiteren Vorteil: Durch den Einsatz einer aufwändigeren Federkonstruktion könnte ich nochmal die Plötzlichkeit der Bremskraftwirkung steigern. Das heißt, bei Bedarf habe ich eine weitere Möglichkeit die Funktionsfähigkeit der Bremse zu verbessern und es ist möglich auf der Scheibe wenn nötig sehr viele Magnete unterzubringen.

Andere Probleme und Lösungsideen

Das nächste naheliegende Problem sind die Zahnräder. Wie bauen? Ich bin kein Schreiner und besitze weder das Werkzeug noch die Fähigkeit mit Holz so präzise zu arbeiten, dass ich aus Holz präzise Zahnräder „schnitzen“ kann. Insbesondere das riesige Zahnrad am Windantrieb (Durchmesser über 2m) ist ein echtes Problem. Sowohl der gleichmäßige Abstand zwischen den Zähne als auch der perfekte Kreis sind eine Herausforderung. Wenn man es baut, sollte man auch beim letzten Zahnrad, wenn sich der Kreis schließt, exakt den gleichen Abstand haben, wie bei allen anderen Zähnen.

Die Lösung, die mir im Moment vorschwebt, ist folgende:
Das kleine Zahnrad, fest verbunden mit der Wirbelstrombremse besitzt nur sehr wenige Zähne. Dieses werde ich aus Buchenholzstäben möglichst präzise bauen.

Das Gegenstück, das große Zahnrad wird wie die Zahnradkette eines Fahrrades aus einzelnen, beweglichen immer gleichen Gliedern bestehen, die ich solange aneinander füge, bis die gewünschte Länge erreicht ist. Dann schließe ich die Kette und fixiere sie auf dem Windantrieb. Erst bei diesem letzten Schritt muss ich die perfekte Kreisform herstellen. Die möglichst identische Länge jedes einzelnen Kettengliedes ist während der Herstellung dann erstmal das einzige Präzisionsproblem.

Sollte die Kreisform nicht gut genug sein, kann ich sie korrigieren. Sollte ein Abstand zwischen den Zähnen nicht gut genug sein, kann ich das einzelne Glied austauschen bzw. korrigieren. Geht etwas kaputt, kann ich das einzelne Glied austauschen.

Ein anderes Problem ist der konstante Abstand der Zahnräder untereinander. Der ist ja notwendig, damit die Zähne vernünftig ineinander greifen können. Dazu kommt noch das Problem, dass selbst das große Zahnrad am Windantrieb nicht in der Lage ist, unmittelbar die Seilbahn anzutreiben, denn wie man an der ersten Skizze sehen kann, brauchen die riesigen Segel ordentlichen Platz um sich dem Wind anpassen zu können. Da darf kein Pfahl im Wege stehen. Der nächste Pfahl kann erst ca. 2 bis 2,5m weiter weg in der Erde stecken.

All diese Probleme werden durch eine sehr stabile Querstange gelöst. Die fixiert die Abstände zwischen den beiden Pfählen und damit die Abstände aller Zahnräder zueinander gleich bleiben (siehe erste Skizze).

An dieser Querstange hängt dann erstmal die Wirbelstrombremse, ggf. gefolgt von einer weiteren Übersetzung, die dann insgesamt zu einer zügigen aber halbwegs konstanten Geschwindigkeit auch schon bei schwachen bis moderaten Wind der Seilbahn führen soll.

Es kann sein, dass ich nach der Wirbelstrombremse auf keilriemenartige Kraftübertragung wechsle, da das viel einfacher zu bauen wäre.

Die Realisierung und die aktuelle Zeitplanung

Meine Zeitplanung ist meist ambitionierter, als das, was sich letztlich realisieren lässt. Aber sei’s drum: So sind aktuell meine Pläne:

Im Laufe des Septembers will ich den kompletten Windantrieb bauen und den ersten Pfeiler der Seilbahn in die Erde bekommen. Beides soll mit der besagten Querstange verbunden werden. (Allerdings ist meine Nähmaschine anscheinend kaputt, was das Segel nähen derzeit unmöglich macht).

Im Oktober will ich die Bremse bauen. Inkl. Zahnrad.

Parallel will ich an den Kettengliedern für das Zahnrad des Windantriebes arbeiten. Die konkrete Realisierung dieser Zahnradkette wird vermutlich Thema des nächsten Making Of werden.

Ich hoffe, dass ich bis Ende November die Kette fertig habe und am Windantrieb befestigen kann. Dann wird auch die Bremse installiert und über den Winter muss Antrieb und Bremse seine Funktion und Stabilität unter Beweis stellen.

Ich werde auch versuchen anschließend den zweiten Pfeiler der Seilbahn in die Erde zu bekommen und die erste Bahn in Betrieb zu nehmen (noch ohne Ziele). Der zweite Pfeiler birgt auch noch einige Raffinessen. Dazu in einem anderen Making Of mehr.

Den Winter werde ich dann vermutlich damit verbringen, mit unterschiedlichen Aufhängungen für die Zielplattformen zu experimentieren.

Im Frühjahr wird dann hoffentlich feststehen, wie es am besten geht und die ersten beschießbaren Ziele werden installiert und das zweite Ziel des Bogenspielplatzes als Beta-Test in Betrieb genommen.

Dann wird auch gleich die nächste Seilbahn gebaut. Wenn die Kraftübertragung auf die nächste Seilbahn realisiert ist, dann sollten alle technischen Probleme gelöst sein und der weitere Ausbau ist dann nur noch Routine.

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