Ich habe in einem meiner einführenden Beiträge in der Kategorie «Modellbau» den Begriff der «Symmetrie» als ästhetisches Kriterium eingeführt. Die Symmetrie kann aber darüberhinaus auch funktionalen Wert aufweisen, wie ich kürzlich lernen durfte. Und das kam so:
Ich hatte endlich meine Gerätschaften beisammen, um in der St. Galler öffentlichen Werkstatt «Meter» in der Metallwerkstatt auf der dortigen Fräse mit Kreuztisch die noch fehlenden Bohrungen in beide Stirnseiten des Zylinders, sowie die zugehörigen Zylinderdeckel meines Dampfmaschinenmodells einzubringen.
Ich hatte mir vorher einen kleinen Rundtisch und ein zusätzliches Dreibackenfutter zur permanenten Montage auf den Rundtisch gekauft, das Dreibackenfutter bei einem der «grossen Jungs» aus dem professionellen CNC-Bereich für CHF 60.- im Mantelbereich achsparallel durchbohren lassen und konnte es so mittels T-Nutensteinen mit dem Rundtisch verschrauben. Zum Zentrieren des Dreibackenfutters auf dem Rundtisch habe ich einen MK2-Prüfdorn verwendet. Dieser Aufbau hat mir dazu verholfen, die je Bauteil vier jeweils um 90° auf dem Lochkreis versetzten Bohrungen in Zylinderstirnflächen und Zylinderdeckel deckungsgleich und mit der erforderlichen Präzision in die Bauteile einzubringen.
Zu Hause habe ich dann die jeweiligen M2-Gewinde eingeschnitten, so dass ich in der Folge erstmals den Zylinder mit dem Gestell verschrauben konnte. Ein grosser Moment! Die aufgewandte Sorgfalt bei der Beschaffung und Vorbereitung der Aufspannvorrichtung und der Einrichtung des Aufbaus auf dem Kreuztisch der Fräsmaschine mittels Kantentaster hatte sich anscheinend ausgezahlt: Fast wider Erwarten deckten sich die frisch gebohrten Löcher mit den vorgefrästen Bohrungen der Frästeile aus dem Materialbausatz für die Dampfmaschine «Danni» von Modellbau Bengs, so dass ich ohne jegliche Nacharbeit den Zylinder mit eingesetzer Kolbenstange und Kolben mit beiden Zylinderdeckeln und am Gestell verschrauben konnte.
Da ich die Kurbelwelle bereits fertig gebaut hatte und auch das Pleuel, sowie Kolbenstange mitsamt Kolben als Einzelteile ebenfalls bereits fertig waren, konnte ich nun alles zusammenbauen für einen ersten «Integrationstest», bei dem ich den Kurbeltrieb einmal von Hand durchdrehen und mich an der Bewegung der Kolbenstange erfreuen wollte. Die Vorfreude war gross.
Doch zunächst kam es anders.
Für das Modell der Dampfmaschine «Danni» von Modellbau Bengs verwende ich trotz liegenden Zylinders die Begriffe «unterer» und «oberer Totpunkt» analog zu einem herkömmlichen Hubkolben-Verbrennungsmotor, wo der untere Totpunkt in der Decklage von Kurbel und Pleuel erreicht wird, und der obere Totpunkt in der Strecklage von Kurbel und Pleuel.
Anders als im obigen Video gezeigt, konnte ich den Kurbeltrieb nicht bis zum unteren Totpunkt und darüberhinaus bewegen, sondern lediglich vom oberen Totpunkt in einem Sektor von ca. ±150° hin und her bewegen. Es war auch nicht so, dass eine etwaige leichte Klemmung allmählich immer schwerer zu überwinden gewesen wäre, sondern der Kolben lief ganz leicht in der Nähe des unteren Totpunkts gegen einen harten, metallischen Anschlag.
Was war da los? Da der Zylinder, anders als im obigen Video, zu diesem Zeitpunkt noch nicht mit dem Schieberkasten verlötet war, konnte ich durch die Luftkanal-Bohrungen in der Zylinderwand erkennen, dass der Kolben die Bohrung an unteren Anschlag vollständig überdeckte, jedoch die Bohrung am oberen Totpunkt garnicht erst erreichte. Anscheinend war die Mittellage der Kolbenbewegung nicht so, wie konstruktiv vorgegeben.
- Zylinder: rot schraffiert
- Zylinderdeckel: blau schraffiert
- Kolbenstange mit Kolben: schwarz schraffiert
- Kurbel: grün
- Pleuel: dicke rote Linie
Der Kolben muss während eines vollen Kurbelumlaufs einen Hub von 2 x Kurbelradius (9.0 mm) = 18.0 mm ausführen. Vorliegend war aber bereits nach 17.0 mm Schluss: die Decklage von Kurbel und Pleuel für den UT konnte nicht erreicht werden, weil die linke Kante des Kolbens bereits am linken Zylinderdeckel anlag. Umgekehrt ergab sich am rechten Zylinderende ein ungenutzter Luftraum von 3.0 mm Höhe.
Blick in die Zeichnungen
Um die genaue Ursache des Problems zu ermitteln, habe ich den bisherigen Zusammenbau wieder in seine Einzelteile zerlegt, diese dann einzeln vermessen und mit den Vorgaben aus den jeweiligen Einzelteilzeichnungen verglichen.
Zylinder und Zylindereckel waren demnach exakt gefertigt. Auch der Abstand zwischen dem Zentrum der Querbohrung in der Kolbenstange bis zur linken Kante des Kolbens war ziemlich exakt ausgeführt. Der Kolben ist nämlich mit zwei Madenschrauben auf der Kolbenstange fixiert. Die Kurbelwangen waren im Bausatz bereits vorgefräst und von mir nur noch auf das Endmass aufgerieben worden, also auch «gut». Schliesslich war der Abstand zwischen den Kurbelwellenlagern und der Befestigung der Zylinderbaugruppe an der Stirnseite des Gestells durch vorgefräste Bauteile ebenfalls vorgegeben und fehlerfrei.
Es erwies sich schliesslich, dass mehrere kleine Fehler im selbst gefertigten Pleuel an entscheidender Stelle auf ein schlussendlich um 2 mm zu kurzes Mass geführt hatten. Peinlich!
Das entscheidende Mass ist das zwischen dem Zentrum der Querbohrung und dem Übergang des M3 Gewindes in den angrenzenden zylindrischen Teil mit 4.0 mm Durchmesser. Hier ist das neue Pleuel nun satte 2.0 mm länger als das ursprüngliche. Offensichtlich geht ein wesentlicher Teil der ursprünglich unbeabsichtigten Verkürzung auf die «Rücklage» der Querbohrung zurück, wo ich mich im ersten Anlauf bereits damit zufrieden gegeben hatte, dass ich bestmöglich die Mitte des Rundmaterials getroffen hatte.
Wenn ich mich richtig erinnere, habe ich für den zweiten Versuch zuerst die Querbohrung vorgenommen, und habe danach und vom tatsächlichen Bohrungsmittelpunkt ausgehend erst die Absätze rechts davon gedreht, bevor ich den Rohling zum Ende der Drehbearbeitung links der Bohrung vom Langmaterial abgestochen hatte. Und dabei hatte ich zusätzlich noch anfangs bewusst ein klein wenig zu lang gefertigt, um mich «von der langen Seite» her an das richtige Mass empirisch heranzutasten. Das richtige Mass ist nämlich genau dann erreicht, wenn sich der Kolbenhub symmetrisch innerhalb des Zylinders abspielt, der Kolben also in seinen beiden Umkehrlagen (Totpunkten) gleich grosse Luftkammern von jeweils 1.0 mm Höhe übrig lässt. Von aussen, bei montierten Zylinderdeckeln, habe ich das dadurch überprüfen können, dass die Bohrungen für Zu- bzw. Abluft jeweils gleich weit verdeckt waren, nämlich ziemlich genau zur Hälfte, wie die folgende Zeichnung zeigt:
Lessons learned:
Die Präzision, genauer: die Positionsgenauigkeit meiner Bohrungen lässt stark zu wünschen übrig. Dabei kann bereits eine einzige fehlplazierte Bohrung ein ansonsten tadellos vor-gedrehtes Werkstück bis zum Punkt der völligen Untauglichkeit ruinieren.
Ich addressiere dieses erkannte Problem auch schon auf den unterschiedlichsten Kanälen, ohne bisher einen entscheidenden Durchbruch erzielt zu haben. Diese verflixten M2 Gewinde mit ø1.6 mm Kernlochbohrung oder auch 2.0 mm Durchbohrungen sind schon verdammt Fehler-intolerant …
Mein angekündigter Bericht über das Fertigungsverfahren «Bohren» muss also noch warten bis ich hier einen Durchbruch vermelden kann.