Antriebstechnik

05.05.2005

Göppelwerk im
Freilichtmuseum Finsterau
Foto: Frank Holzhauer (26.04.2003)

Eine Form der Muskelkraftgewinnung für Antriebszwecke war das Göppelwerk: ein oder zwei Tiere werden an eine senkrecht drehbar gelagerte Welle gespannt und im Kreis geführt. Die Kraftübertragung erfolgt von einer am oberen Ende der Welle angebrachten Scheibe über Transmissionsriemen.

Dazu ist eine Kraftumlenkung um 90° erforderlich, die mit Zahnrädern durchgeführt wurde.

Beim Vorbildfoto ist das wegen der Beleuchtungsverhältnisse nicht so gut zu sehen. Am fischertechnik Modell lässt sich dagegen die gesamte Mechnik gut erkennen. Zur Übertragung der Kraft auf eine zweite Welle dient die Antriebsfeder aus den siebziger Jahren. Von dem am linken Bildrand erkennbaren Rad wird die Bewegung an das anzutreibende Gerät weitergeleitet.

Göppelwerk, fischertechnik Modell
mit PLAYMOBIL Antrieb
Modell & Foto: Frank Holzhauer

Wind als Antriebsenergie für Schiffe ist eine sehr kostengünstige Angelegenheit - wenn er in die richtige Richtung weht. Auf Meeren und Seen können Schiffe bis zu einem gewissen Grad auch "gegen den Wind" kreuzen. Bei Flüssen geht das wegen der verfügbaren Breite nur sehr eingeschränkt.

Eine verbreitete Möglichkeit Lasten flußaufwärts zu befördern war das Treideln. An Seilen zogen Flussschiffer ihre Kähne gegen die Strömung. Dazu gab es eigens angelegte Wege, Treidelpfade. Oftmals verdienten sich auch Bauern ein Zubrot indem sie ihre Ackerpferde zum Treideln vermieteten.

Da die Flüsse damals noch in ihren natürlichen Betten verliefen und weniger stark kanalisiert waren als heute, war wahrscheinlich auch die Fließgeschwindigkeit geringer. Andererseits kann ich mir nicht vorstellen, dass bei den verzweigten Flußläufen die Treidelpfade ausgebaute gut befestigte Wege waren. Insgesamt dürfte es sich hierbei wie bei vielen anderen Tätigkeiten in der "guten alten Zeit" um eine ziemliche Maloche gehandelt haben.

Kaum zu glauben aber wahr, auch bei Hafenkränen gab es Antriebstechniken mit Muskelkraft: Auf alten Stichen oder Gemälden von Hafenstädten kann man manchmal Kräne mit Anbauten sehen, die an Hamsterräder erinnern. Darin liefen Menschen um die Seile auf- und abzuwickeln die die Lasten hoben und senkten.

Windräder schießen derzeit wie Pilze aus dem Boden, aber sie sind keine Erfindung unserer Tage. Windräder und Windmühlen gehören wohl zu den ältesten Formen der Energiegewinnung. Als Windmühlen dienen sie zum Mahlen von Getreide und zum Auspressen von ölhaltigen Samen. Als Windräder pumpen sie meist Grundwasser zur landwirtschaftlichen Nutzung in die Höhe, beispielsweise in der Lassithi Hochebene auf Kreta, wo sie in großer Anzahl landschaftsprägend sind ("Tal der Windmühlen").

Auch die meisten "Windmühlen" in den Niederlanden waren in Wirklichkeit Pumpen, die halfen das teilweise unter dem Meeresspiegel liegende Gebiet trocken zu legen.

Eine andere Form der Windenergienutzung sind Segelschiffe, die jahrhunderte lang den Fernhandel über die Weltmeere bewältigten. Heute eher eine Freizeitbeschäftigung gibt es erste Ideen zur Wiederbelebung der Windenergienutzung für die Lastenschifffahrt.

Windrad
fischertechnik Dekomodell
Foto: Frank Holzhauer

Sägemühle
fischertechnik Dekomodell
Foto: Carsten Grund

Auch Wasserkraft nutzen Menschen schon seit vielen hundert Jahren. Zunächst wohl wie Windmühlen meist als Mühlen zur Mehl- und Ölgewinnung.

In der vorindustriellen Zeit dienten Wasserräder auch zum direkten Antrieb von Maschinen, wie Sägewerken oder zum Antrieb von Schmiedehämmern.

Mit Aufkommen der elektrischen Antriebstechnik wurden sie dann auch zur Stromerzeugung eingesetzt. In ihrer modernen Form als Turbinen finden sie auch heute noch Anwendung in den verschiedenen Formen der Wasserkraftwerke.

Transmissionsanlage zum oben abgebildeten
Göppelwerk im Freilichtmuseum Finsterau
Foto: Frank Holzhauer (26.04.2003)

Mit der Verbesserung der Dampfmaschine durch James Watt stand plötzlich Antriebsenergie in bis dahin unverstellbarem Ausmaß zur Verfügung. Allerdings nur an einer Stelle des Unternehmens, der Kraftzentrale. (Die Bedeutung dieses Wortes kann man heute noch gut verstehen, wenn der Zug in Wolfsburg hält. Vom Bahnhof aus hat man einen guten Blick auf die Kraftzentrale des Volkswagenwerks.)

Das daraus resultierende Problem war die Verteilung der Antriebskraft. Die heute übliche elektrische Übertragung war noch nicht ausreichend verfügbar, so dass das Problem mechanisch gelöst werden musste. Dazu wurden umfangreiche Transmissionsanlagen gebaut: Scheiben auf Wellen, die mittels Riemen die Energie übertrugen. Je nach gewünschter Drehzahl der Maschine wurden unterschiedlich große Scheiben verwendet. Zur Umkehr der Drehrichtung wurden die Riemen einfach über Kreuz geführt.

Transmissionsanlage als Verteiler für zwei Figuren
Wilesco Modell
Foto: Frank Holzhauer (24.04.2005)

Sehr schön kann man solche Anlagen anhand der Modelle von Wilesco nachvollziehen. Der bekannte Hersteller von Dampfmaschinen bietet auch bewegliche Modelle an, meist Figuren, die damit antreibbar sind. Als Zwischenelemente gibt es auch eine Transmissionsstation zur Verteilung der Antriebsleistung auf mehrere Modelle.

Was dabei - zum Glück - nicht erkennbar ist, ist die unglaubliche Gefahr, die von diesen Systemen ausging. Wer in diese Anlagen geriet, konnte vollständig hineingezogen werden, umhergeworfen und mit solcher Wucht gegen Decken, Wände oder zu Boden geschleudert werden, dass kaum ein Knochen heil blieb.

Modell eines Viertaktmotors
Club-Modell 1/78
© fischerwerke

Diesel- und Ottomotor arbeiten meist nach dem Viertaktprinzip:
1. Takt: Ansaugen
2. Takt: Verdichten
3. Takt: Verbrennen
4. Takt: Ausstoßen

Als Takt bezeichnet man die Bewegung des Kolbens zwischen den beiden Endstellungen seiner Bahn. Der Stillstand in der Nähe der Kurbelwelle ist der "Untere Totpunkt", der am anderen Ende der "Obere Totpunkt" (OT). Die Kurbelwelle vollführt eine halbe Umdrehung während eines Taktes, also zwei komplette Umläufe für einen vollständigen Arbeitsvorgang.

Beim Ansaugen wird der Brennraum durch eine Abwärtsbewegung des Kolben mit dem Kraftstoffgemisch gefüllt, das bei der folgenden Aufwärtsbewegung des Kolben verdichtet wird. Beim Erreichen des Oberen Totpunktes wird das Gemisch durch einen Funken der Zündkerze gezündet. Damit beginnt der eigentliche Arbeitstakt, die Verbrennung, bei der sich das Gas ausdehnt und dadurch den Kolben nach unten treibt. Im folgenden Takt gleitet der Kolben wieder nach oben und stößt dadurch das verbrannte Gas aus.

Modell eines Reihenvierzylinder auf einer Ausstellung
des niederländischen FT-Clubs am 16.03.2003 in Venlo
Foto: Frank Holzhauer

Die gebräuchliste Bauform des Ottomotors ist wohl die Reihenanordnung der Zylinder.

Die Zylinder, meist 4, sind in einer Linie / Reihe hintereinander angeordnet.

Früher wurde die Nockenwelle meist in der Nähe der Kurbelwelle angeordnet, mit der sie über Zahnräder gekoppelt war. Die Ventile wurden dabei über Stangen (Stößel) betätigt. Bei modernen Motoren werden die Ventile direkt von den Nocken betätigt, weshalb die Nockenwelle oberhalb der Zylinder liegen muss. Die Verbindung zwischen Kurbel- und Nockenwelle erfolgt meist mittels Kette oder Zahnriemen.

Auch das abgebildete fischertechnik Model hat eine "Obenliegende Nockenwelle", die links von einer doppelten Kette angetrieben ist. Ein sehr schönes Detail dieses Motors ist der rechts über dem Schwungrad angebrachte Zündverteiler aus vier Minitastern.

Um diese Frage zu lüften war doch einiger Aufwand erforderlich. Zwar gibt es im Internet recht nette Animationen solcher Motore mit unterschiedlicher Zylinderzahl, aber Aussagen zur Ventilsteuerung sind selten. Wer selber mal suchen möchte: Unter der englischen Bezeichnung "radial engine" gibt es bessere Treffer als unter Sternmotor.

Im Prinzip ist ein Sternmotor ein Reihenmotor, der so zusammengeschoben wurde, dass alle Zylinder in der gleichen Ebene liegen. Dabei muss man die Zylinder natürlich um die Kurbelwelle als Mittelpunkt drehen und kreisförmig anordnen. Dadurch benötigt man zwar nur noch eine "Ausbuchtung" der Kurbelwelle, aber die Ventilsteuerung wird deutlich aufwändiger als bei anderen Motortypen.

Im Grunde könnten zwar alle Pleuel direkt auf die Kurbelwelle arbeiten, bei der Vielzahl der Zylinder wäre dieses Nebeneinander aber wohl nicht günstig. Daher wird eine Scheibe auf der Kurbelwelle angebracht, an der die Pleuel mit Gelenken befestigt sind. Ein Pleuel allerdings ist starr mit dieser Scheibe verbunden um eine sichere Führung der Konstruktion zu gewährleisten. Dieses Pleuel nennt man "Mutterpleuel". In meinem Motor ist es das zu dem senkrecht nach oben gerichteten Zylinder.

Kurbelwelle ist bei meinem Motor ein doppeldeutiger Begriff, da hier auch die Kurbel für den Handantrieb angeordnet ist. Bis zum nächsten Update habe ich hoffentlich den Motor mit Elektroantrieb versehen, dann wird es an dieser Stelle einen kleinen Film geben, der die beschriebenen Funktionen hoffentlich besser verständlich macht.

Sternmotore sind grundsätzlich Viertaktmotore, das bedeutet, dass für einen vollen Arbeitszyklus zwei Umdrehungen der Kurbelwelle erforderlich sind. Grundsätzlich werden Sternmotore mit einer ungeraden Zahl von Zylindern gebaut und so gesteuert, dass in der Zündreihenfolge immer ein Zylinder übersprungen wird (Zündfolge: 1-3-5-7-9-2-4-6-8). Dadurch erreichen Motore dieser Bauform eine hervorragende Laufruhe.

Im nebenstehenden Foto ist der Zündverteiler zu sehen. Um einen sicheren Kontakt zwischen dem Verteilerfinger und den Kontakten zu gewährleisten kommt es hier auf genaue Geometrie an. Da sich aus den roten Winkelbausteinen keine Winkel von 72 Grad herstellen lassen habe ich Gelenkbausteine verwendet, die präzise ausgerichtet und dann fest verschraubt wurden.

Allerdings ist nicht die Zündung das Problem sondern die Ventilsteuerung. Die Kabel lassen sich beliebig gekreuzt vom Zündverteiler zu den Zündkerzen führen, während die Ventile direkt mechanisch von der Nockenscheibe angesteuert werden müssen.

Bei Reihenmotoren ist es sehr einfach, die gewünschte Zündreihenfolge einzustellen und zur Befüllung und Entleerung der Zylinder die zugehörige Ventilsteuerung durch eine entsprechende Anordnung der Nocken auf der Nockenwelle sicher zu stellen, aber bei Sternmotoren schiebt sich die Nockenwelle zu einer Nockenscheibe zusammen. Es hat mich einige Mühe gekostet, herauszufinden, wie das funktioniert, weil ja auch die Ventilsteuerung immer einen Zylinder "überspringen" muss - wie macht man das mechanisch ohne elektronische, geschweige denn computerisierte Steuerungen?

Die Lösung ist in ihrer Einfachheit aus meiner Sicht genial: Die Nockenscheiben haben nicht einen, sondern mehrere Höcker und zwar die Hälfte der Zylinderzahl +/- 0,5, was ja wegen ungerader Zylinderzahl wieder zu einer ganzen Zahl führt (beim 7 Zylindermotor also 3 oder 4 Nocken). Die Nockenwelle läuft dann nicht wie bei anderen Viertaktmotoren mit der halben Kurbelwellendrehzahl um, sondern mit einem sechstel (bei 3 Nocken) oder einem achtel (bei 4 Nocken). Im einen Fall in der gleichen Richtung wie die Kurbelwelle, im anderen Fall entgegengesetzt (Gegenläufer). Aufgrund dieser Geometrie ergibt sich bei der Zündreihenfolge "ganz von alleine" ein Überspringen eines Zylinders. Darauf muss man erst mal kommen, ohne Computersimulationen, nur mit Phantasie und logischem Denken - Hut ab!

Hier die Ventilsteuerung meines Prototypen. Die Nockenscheibe hat drei Nocken und ist mit kurzen Achsen auf das Hohlrad eines Planetengetriebes geklemmt. Leider gibt es geringe Größenunterschiede zwischen der aus Einzelteilen zusammengesteckten Nockenscheibe und den Bohrungen des Hohlrads, so dass das Ganze leicht schief aussieht. Verstärkt wird das in diesem Bild wohl dadurch, dass ich mit einem Weitwinkel sehr nahe an das Objekt herangegangen bin.

Das Planetengetriebe hat eine Untersetzung vom 3:1. Die vier Zahnräder rechts im Bild untersetzen die Drehzahl der Kurbelwelle im Verhältnis 2:1. Insgesamt ergibt sich damit die erforderliche Untersetzung von 6:1. Zu beachten: Die obere Achse ist zweigeteilt: links die Welle des Sonnenrades und rechts die Kurbelwelle. Beide sind durch eine nicht klemmende Buchse verbunden. Dadurch fluchten sie zwar, können aber mit unterschiedlichen Drehzahlen umlaufen. Auslöser für diesen etwas komplizierten Aufbau war, dass ich endlich mal ein Planetengetriebe verwenden wollte, dies aber keine Untersetzung im Verhältnis 6:1 erlaubt. Außerdem will ich über die untere, 2:1 untersetzte Welle den Antrieb des Zündverteilers auskoppeln.

Die Stößelstange wird wie im Original über eine Rolle betätigt. Dadurch wird die Reibung auf der Nockenscheibe reduziert. Die ist allerdings immer noch so groß, dass sich die Stößelstange manchmal verdreht.

Das Planetengetriebe mit der Stößelstange des oberen Zylinders. Die Planetenräder sind schwarz, das rote Sonnenrad ist leider schlecht zu sehen. Hinter dem Hohlrad ragt deutlich der "Höcker" der Nockenscheibe hervor.

Natürlich hat ein Sternmotor zwei Nockenscheiben. Eine für die Einlass- und eine für die Auslassventile. Vermutlich kann ich aber nur eine einbauen, weil sich abzeichnet, dass mir das Material ausgehen wird und das grundsätzliche System mit nur einer Scheibe vermutlich besser zu sehen ist.

PS: Es gibt auch Sternmotore, die eine gerade Zahl von Zylindern haben. Diese sind meines Wissens aus zwei auf einer Kurbelwelle hintereinander angeordneten Sternmotoren zusammengesetzt. Der zweite "Teilmotor" ist dabei leicht gedreht, so dass seine Zylinder in den Lücken des ersten liegen. Dies verbessert den Kühlluftstrom.

Verbund-Turboluftstrahl-Triebwerk
Titelbild Clubnachrichten 1/77
© fischerwerke

Moderne Flugzeuge haben keine Kolbenmotore mehr sondern verwenden "Düsenantriebe". So die landläufige Bezeichnung für Turboluftstrahl-Triebwerke, die nach dem Rückstoßprinzip arbeiten.

Im Gegensatz zum Kolbenmotor, wo die Verbrennung zeitlich nacheinander abläuft, läuft sie hier gleichzeitig aber räumlich hintereinander ab. Die vorne angesaugte Luft wird verdichtet der eingespritze Treibstoff verbrannt, wobei sich das Gas stark ausdehnt und am Ende mit großer Geschwindigkeit austritt. Der dadurch erzeugte Impuls treibt das Flugzeug dann in Gegenrichtung nach vorne.