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Dieses Modell eines Langsammobils belegte den 2. Platz in der Kategorie 2 im Schrauberwettbewerb Sommer 2002, der vom 30. April bis zum 15. September 2002 von dieser Website veranstaltet wurde. Das Modell braucht 15 Minuten für die Strecke von einem Meter (siehe Ausschreibungsbedingungen)!

Konstruktion: Ian de Lande Long, Seeheim
System: Meccano

Ian de Lande Long sagt über sein Modell:
(Übersetzung aus dem Englischen: Dieter Müller)

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Fallende Gewichte – ein Meccano Langsammobil

Einführung

Dieses Meccano-Modell (siehe Bilder), welches ich „fallende Gewichte“ nenne, ist für den Wettbewerb Sommer 2002 von schraube-und-mutter.de entworfen worden.
Das Modell nutzt ein sich absenkendes Gewicht (woraus fast das gesamte Modell besteht), um sich selbst anzutreiben und für etwas mehr als einen Meter voranzutreiben. Die Vorwärtsbewegung ist beschränkt durch innere Reibung und durch den Luftwiderstand.

Das Modell

Um so viel (potentielle) Energie zur Überwindung der Reibung wie möglich zur Verfügung zu haben, ist es wichtig, dass so viel Gewicht wie irgend möglich oben am Modell platziert wird.
Das Modell besteht aus einem offenen Kasten, in dem eine Spule mit ca. 10 m Schnur vertikal gelagert ist. Der Kasten ist solide aus vier 5 ½“ Winkelträgern (No. 9) und mehreren kurzen doppelreihigen Flachbändern gebaut. Obere und untere Seite des Kastens bestehen aus geflanschten Platten, die gegenüber dem Lochraster des übrigen Kastens um ¼“ verschoben sind.

Auf die Spule ist ein großer Rotor aufgesetzt und das Ganze steht im Kasten auf einem Drehlager. Dieses Drehlager – eine der wichtigsten Vorrichtungen der Maschine – besteht aus dem Ende einer Welle (mit abgerundetem Ende – so, wie früher alle Meccano-Wellen waren), die auf einer anderen Welle, ebenfalls mit abgerundetem Ende, rotiert. Die beiden Wellen werden durch den Stellring eines Buchsenrades (No. 24, Bush Wheel), das an den Rahmen angeschraubt ist, geführt, wobei die untere Welle mit einer Madenschraube festgestellt ist. Die Kontaktstelle der beiden Wellen ist mit etwas Fett versehen. Diese Anordnung minimiert die Reibung (im Rahmen der Teile, die für den Bau des Modells zur Verfügung standen) und erlaubt der Spule, sich sehr leicht zu drehen.

Der Kastens ist deshalb gegenüber dem übrigen Lochraster um ¼“ verschoben, damit die (vertikale) Rotationsachse des Rotors genau durch die Mitte des Models geht.
Der Kasten wird durch einen sich entfaltenden Rahmen, einen sogenannten Pantographen, gehalten. Die unteren Arme des Pantographen werden durch eine Zahnradverbindung am unteren Ende im stets gleichen Winkel zur Horizontalen gehalten. Der Kasten mit der Spule wird durch eine ähnliche Vorrichtung an den oberen Armen immer vertikal gehalten.
Die unteren Armen sind an einem einfachen Fahrgestell mit vier Rädern angebracht, und zwar so, dass die Arme vorne und hinten das Fahrgestell überragen. Das Fahrgestell ist so leicht wie möglich entworfen (im Rahmen der Teile, die für den Bau des Modells zur Verfügung standen) und besteht aus vier Winkelträgern und vier mittig angebrachten Lagern für zwei Wellen. Jedes dieser Wellenlager besteht aus zwei flachen Lagerplatten (No. 126a, Flat Trunnion).

Wie bereits beschrieben, kann sich der Kasten vertikal frei bewegen, befindet sich aber aufgrund der Konstruktion des Pantographen und der Zahnradverbindungen stets genau über dem Mittelpunkt des Fahrgestells. Zusätzlich zu den oben genannten Teilen sind am Fahrgestell zwei Doppelwinkelstreifen (No. 48a, Double Angle Strips), versehen mit Gummi-Muffen, als Begrenzer für die Bewegung des Kastens eingebaut.
Eine Reihe von Plastik-Schnurlaufrädern sind auf einer horizontal angeordneten Welle angebracht, jeweils an der Verbindungsstelle zwischen unterem und oberem Arm des Pantographen. Die flachen Lagerplatten, die die Wellen halten, dienen gleichzeitig dazu, die Lochstreifen der Arme (woraus die Arme hauptsächlich bestehen) zu halten und auszurichten sowie die Arme miteinander zu verbinden.
Während der Abwärtsbewegung des Kastens entfernen sich die vorderen Schnurlaufräder von den hinteren Schnurlaufrädern.

Die Schnur läuft von der Spule über ein Führungsrad zu einem Schnurlaufrad am Ende des Arms, von wo ab sie zwischen den vorn und hinten angebrachten Schnurlaufrädern hin- und hergeführt wird. Vier Längen vor dem Ende der Schnur erfolgt eine Abzweigung der Schnur: sie wird über ein Schnurlaufrad, das in der Mitte des Fahrgestells angebracht ist, geführt, von da über ein Schnurlaufrad an einer der Wellen für die Räder, von da unter dem Fahrgestell durch zur zweiten Radwelle und zurück zum zweiten Schnurlaufrad in der Mitte des Fahrgestells und von da wieder zurück zu den Schnurlaufrädern am Ende der Arme. Die Schnur ist an jeder Antriebswelle über die Hälfte des Umfangs (180°) in Kontakt mit dem jeweiligen Schnurlaufrad.
Nach der Abzweigung läuft die Schnur noch über die restlichen vier Schnurlaufräder und ist dann am Rahmen befestigt.

In der Wettbewerbsversion werden nicht alle Schnurlaufräder, die an den Armen angebracht sind, auch benutzt: Der „Motor“ des Modells besteht aus 12 horizontalen Strecken, 8 vor und 4 nach der Abzweigung.
Mit einer Überschlagsrechnung in Inches (wegen des Meccano Lochraster) kann man ermitteln, wie weit das Modell fahren kann. Während des Laufs des Modells verändert sich der Abstand der Mittelpunkte der Schnurlaufräder von 17 ¼“ auf 25 ½“. Jede horizontale Führung verlängert sich also um 8 ¼“ während der Laufzeit. Deshalb kommt man bei vier horizontalen Führungen der Schnur auf 33“ Schnurlänge, die über die 1 ½“-Schnurlaufräder der Antriebswellen geführt wird.

Auf die Antriebswellen sind 2“ Räder aufgesetzt. Das Verhältnis 2 zu 1,5 ergibt bei 33“ Schnur eine Wegstrecke von 44“, also etwas mehr als einen Meter.
Im Gegensatz zu Schnurlaufrädern aus Metall, die ein V-Profil besitzen, haben Schnurlaufräder aus Plastik (aus Gründen der Gewichtsersparnis verwendet) die Eigenschaft, dass die Schnur durchrutscht. Deshalb sind über die Antriebsschnurlaufräder kleine Meccano-Gummiringe (mit quadratischem Querschnitt) gezogen – aber Vorsicht, die Gummiringe dürfen sich dabei nicht verdrehen. Auf diese Weise wird das erforderliche V-Profil erreicht und die Meccano-Schnur rutscht nicht mehr durch.

Optimierung des Modells

Während des Laufs des Modells senkt sich die Box ab und die Schnur – weil immer mehr Länge benötigt wird – wickelt sich weiter von der Spule ab. Dadurch wird der Rotor in Bewegung gehalten. Je schneller der Rotor sich dreht, desto mehr Luftwiderstand muss überwunden werden. Der Effekt des Abbremsens durch den Luftwiderstand steuert also die Geschwindigkeit, in der sich die Schnur abwickeln kann und so auch die Geschwindigkeit der Vorwärtsbewegung des Modells.
Indem man den Durchmesser der Spule verkleinert, wird die Länge der Schnur, die sich pro Umdrehung abwickeln kann, verkleinert. Aus diesem Grunde sollte der Durchmesser der Spule so klein wie möglich sein. Umgekehrt sollten die Arme des Rahmens so lang wie möglich sein, um die dadurch größere potentielle Energie an den Rotor weitergeben zu können.
Zu Beginn des Laufs des Modells entspricht 1“ Abwärtsbewegung des Kastens ungefähr 1 ¼“ Länge Schnur, die abgewickelt wird. Am Ende entspricht 1“ nur noch 1/8“ Länge. Wäre die Spule nur eine einfache Meccano Welle, würde dies bedeuten, dass am Anfang der Rotor für 1“ Fallstrecke des Kastens mehr Umdrehungen ausführen muss als am Ende des Laufs. Da die innere Reibung des Modells weitgehend unabhängig von der Lage des Kastens mit der Spule sein sollte, ergibt sich die Vermutung, dass das Modell am Anfang langsamer läuft als am Ende. Schnelle Vorwärtsbewegung sollte aber vermieden werden.

Unter der Annahme, dass die innere Reibung des Modells während des Laufs annähernd konstant bzw. bei langsamerer Geschwindigkeit sogar anwächst, erwarten wir, dass zu Anfang der Effekt der inneren Reibung die mögliche Geschwindigkeit des Modells mehr begrenzt als zum Ende. Das deckt sich mit den Beobachtungen bei den durchgeführten Versuchen.
Das bedeutet, dass am Ende des Laufs die Luftbremse des Rotor mehr Arbeit verrichtet als am Anfang. Die potentielle Energie des Modells wird also am Ende der Laufzeit schneller freigesetzt als am Anfang. Energieverschwendung sollte aber auch vermieden werden.
Wünschenswert ist ein Modell, das über die gesamte Laufzeit sich so langsam wie möglich fortbewegt. Und wir benötigen gerade soviel zur Verfügung stehende Energie, um die Reibung zu überwinden, die nicht zu vermeiden war (bei sorgfältigem Entwurf, Bau und Verwendung von Öl). Man kann dies (zumindest teilweise) erreichen durch Verwendung einer Spule, deren Durchmesser mit der Länge variiert. Am unteren Ende ist der Durchmesser der Spule der eines Ärmelstücks (No. 163, Sleeve Pieces), darüber der einer Kupplung und am oberen Ende bloß noch der Durchmesser einer Meccano Welle. Diese Anpassung des Durchmessers gleicht den nachlassenden Schnurbedarf während der Laufzeit (etwas) aus.

Die Führungsrolle (oben bereits angesprochen) dreht sich frei auf einer Welle, die von einem zusätzlichen Gerüst, das auf einem der oberen Arme angebracht ist, gehalten wird. Die Rolle dient als Führung des Seils zwischen der Spule und dem ersten Schnurlaufrad, das am Ende der Arme angebracht ist. Während des Laufs des Modells steigt die Führungsrolle relativ zum Kasten nach oben und sorgt so für eine möglichst vertikale Zugkraft an der Spule. Umgekehrt spielt die Führungsrolle beim Aufwickeln der Schnur eine wichtige Rolle, sie sorgt nämlich dafür, dass die Schnur sich anfangs auf das obere Ende der Spule aufwickelt und dann nach und nach auf die Teile der Spule mit größerem Radius glangt. Deshalb ist die genaue Positionierung der Führungsrolle relativ zum Kasten wesentlich – diese Position ist durch die Geometrie des Gerüstes, mit dem die Führungsrolle am Arm befestigt ist, bestimmt.

Deshalb sind die Form der Spule und die Position des Führungsrades wohl mit die wichtigsten Eigenschaften der Maschine. Idealerweise sollte die Spule konisch zulaufen (oder genauer, die Form sollte einer Cosinuskurve folgen, bestimmt durch den Winkel der Arme des Pantographen zueinander). Mit Standard-Meccanoteilen kann dies am besten durch eine stufige Form der Spule erreicht werden. Das bedeutet, dass zu Beginn des Laufs mit einer Umdrehung der Spule mehr Garn abgewickelt wird als zum Ende zu.

Betrieb des Modells

Für die Zwecke des Wettbewerbs muss das Modell über eine Unterlage (glatter, ebener Tisch oder Ähnliches) laufen, die mindestens so lang ist wie das Fahrgestell plus ein Meter (plus etwas Reserve). Es ist naheliegend, einen Zollstock neben die Strecke zu legen. Zusätzlich sollte für den sich drehenden Rotor genügend Platz gelassen werden.
Der Rotor überragt (vorn und hinten) sowohl das Fahrgestell als auch den Pantographen. Für die Zwecke des Wettbewerbs ist es notwendig, die vordere bzw. hintere Kante des Rotors zu messen. Da aber die Drehachse des Rotors fest durch die Mitte des Fahrgestells verläuft, reicht es, die vordere Kante des Fahrgestells als Referenzpunkt heranzuziehen.

Um das Modell für den Lauf vorzubereiten, stellt man es zunächst so auf, dass es wenige Zentimeter hinter der Ziellinie steht. Dann dreht man den Rotor rückwärts (von oben gesehen in Uhrzeigerrichtung). Dadurch wird die Schnur auf die Spule aufgewickelt, gleichzeitig bewegt sich das Modell rückwärts, da die Schnur über die Antriebsrollen gezogen wird. Ebenso faltet sich der Pantograph auseinander und der Kasten wandert nach oben. Der Aufwickelprozess wird fortgesetzt, bis die Vorderkante des Fahrgestells die Startlinie (1 Meter von der Ziellinie entfernt) überquert hat und der Rotor in Längsrichtung ausgerichtet ist.
An dieser Stelle mag es sich als notwendig erweisen, das Fahrgestell nochmals auszurichten, damit ein gerader Lauf des Modells sichergestellt ist.
Das Modell wird gestartet, indem der Rotor losgelassen wird. Nach ungefähr einer Viertelstunde überquert das Modell die Ziellinie.

Weitere Entwicklungen

Der Grund, warum die innere Reibung so oft angesprochen wurde, ist der, dass ihre irreguläre und unvorhersagbare Natur das Verhalten (genauer gesagt: die Langsamkeit) dominiert. Wenn das Modell fertiggestellt ist und die Reibung überwunden werden kann, liegt sofort die Versuchung nahe, eine weitere horizontale Strecke Schnur zum „Motor“ hinzuzufügen. Dies erhöht die Menge der abzuwickelnden Schnur und verlangsamt so das Modell. Das ist gut. Allerdings wird die Reibung weiter erhöht, und das ist schlecht. Es kann so schlecht sein, dass das Modell stehen bleibt, bevor das Ziel erreicht ist.
Das Modell bleibt am häufigsten stehen, wenn der Zug an der Spindel plötzlich abnimmt. Dies geschieht, wenn die sich abwickelnde Schnur vom kleineren Radius auf einen größeren wechselt. Die gleiche Wirkung ergibt sich, wenn ein Knoten in der Schnur über ein Schnurlaufrad läuft (Eine Meccanoschnur ist maximal 14’ und 9“ lang. Deshalb gibt es mehrere Knoten in der Schnur des Wettbewerbsmodells).

Die Stabilität des Modells ist an der Grenze dessen, was mit zwei Kilogramm Meccanomaterial erreicht werden kann. Jedes zusätzliche Gewicht, das am unteren Ende des Modells eingespart werden konnte, ist nach oben verlagert worden (so zum Beispiel die 5 ½“ Lochstreifen, die als Ballast an den Kasten angeschraubt wurden). Das bedeutet, dass die gesamte Konstruktion eigentlich zu leicht gebaut ist und auch die vergleichsweise geringe Zugkraft der horizontal verlaufenden Schnur bereits das Modell verdreht und deshalb die Reibung erhöht. Vom ersten Schnurlaufrad an erhöht sich die Zugkraft mit jedem horizontalen Weg der Schnur (die Reibung in den Lagern der Schnurlaufräder muss überwunden werden), d.h. jede horizontale Stecke übt einen – wenn auch geringfügig – anderen Zug auf den Rahmen. Diese Differenz macht es sehr schwierig, die Schnurlaufräder so auszurichten, daß die Kräfte gleichverteilt auf den Rahmen übertragen werden.
Die Entwicklung des Modells schreitet voran. Ich arbeite derzeit daran, weitere Schnurlaufräder für mehr horizontale Strecken einzubauen und experimentiere mit unterschiedlichen Schnurverläufen über die Rollen (um die Zugkräfte besser zu verteilen und ein Verdrehen des Rahmens zu verhindern). Je mehr Schnur das Modell verbraucht, um so länger dauert es, sie abzuwickeln und das Modell einen Meter voranzutreiben. Aber mehr Schnurlaufräder bedeutet auch mehr Reibung...

But that’s engineering.

Bemerkungen zum Schluss

Hurrah! We built this model with Meccano. Look at it - it works!
The original idea of a slowmobile was brilliant and taking part in the competition has given me much pleasure.
Meccano boys have more fun than other boys!
I would like to thank all those who have encouraged me to take up this hobby again (MAdeLL, AMJH, NAK, TCPB). And I heartily thank the people at schraube-und-mutter.de.

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Dieter Müller

Letzte Änderung: 2002-10-05

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