Modellgesetze und Skalierungsfaktoren: Warum Dampfmodellbau überhaupt möglich ist

  • Der Gott der Maßstäblichkeit meint es ausgesprochen gut mit uns!
    Selbst wer für theoretische Betrachtungen und Auslegungsberechnungen wenig übrig hat und seine Modelle rein empirisch oder intuitiv als (ungefähr) maßstäbliche Verkleinerung des Vorbilds entwirft und baut, kann sich glücklich schätzen, dass sich bei Verkleinerung die Physik gleich mehrfach zu seinen Gunsten auswirkt:

    Denn ein verkleinertes Modell ist hinsichtlich

    • Statischer Materialbeanspruchung
    • Lagerpressungen
    • Sicherheitsfaktor des Kessels
    • Heizflächenbelastung
    • Antriebsleistung
    • dynamische Massenkräfte
    • Bremsweg

    um ein Vielfaches unkritischer als das große Vorbild. Nur deswegen ist Dampf- bzw. Eisenbahn-Funktionsmodell überhaupt möglich, nur deshalb kann man auch ohne detaillierte Auslegungsberechnungen überhaupt sicher betreibbare Funktionsmodelle bauen.
    Oder anders ausgedrückt: Käme jemand auf die verwegene Idee, ein maßstäblich vergrößertes „Modell“ einer Lokomotive zu bauen, er würde gleich mehrfach katastrophalen Schiffbruch erleiden!

    Ich finde, es kann nicht schaden, sich der theoretischen Grundlagen dahinter bewusst zu sein. Und sei es nur um zu wissen, bei welchen Eigenschaften der Lokomotive ein Nachrechnen angeraten ist, und wo es verzichtbar ist.
    Wer dennoch überhaupt nichts von „Theorie“ wissen möchte und rein auf seine empirisch bewährte „Praxis“ verweist, muss ja nicht weiterlesen, und muss das Folgende auch nicht kommentieren. Geschenkt. Dennoch sollte auch er dankbar dafür sein, dass ihm die Modellgesetze unwissentlich an allen Ecken und Enden in die Hände spielen.


    LG, Moritz

  • Theorie: Ähnlichkeitsgesetze in der Fahrzeugtechnik

    Bei Modellen, also verkleinerten Ausführungen von technischen Systemen, muss man Modell- oder Ähnlichkeitsgesetze beachten, wenn sich das Modell "ähnlich" zum Vorbild verhalten soll. Am ehesten sind solche Ähnlichkeitsgesetze noch aus der Aerodynamik bekannt, wo es beispielsweise schwierig werden dürfte, ein Verkehrsflugzeug im Maßstab 1:1 in den Windkanal zu hängen. Daher müssen bestimmte Versuchsparameter so gewählt werden, dass die Strömungsverhältnisse am verkleinerten Modell (z.B. gekennzeichnet durch die Reynoldszahl) mit denen des Vorbilds vergleichbar werden.

    Solche Bedingungen gelten auch für die Fahrdynamik von Schienenfahrzeugen, damit man diese z.B. in skalierten Modellversuchen untersuchen kann. Dabei sollte man sich zunächst klarmachen, was sich denn überhaupt ähnlich verhalten soll: Etwa die Schwingungsamplituden (dynamische Ähnlichkeit), die Form und Größe der Kontaktfläche zwischen Rad und Schiene (elastische Ähnlichkeit), das Zeitverhalten, die Spannungen in den Werkstoffen, die Dauerfestigkeit und dergleichen. Aber Ähnlichkeit in all diesen Belangen lässt sich nicht gleichzeitig erzielen, so dass, je nach Zweck des Versuchs, unterschiedliche Skalierungen gewählt werden müssen. Dabei sind innerhalb eines Modells teilweise völlig unterschiedliche Skalierungsmaßstäbe jeweils für Geometrie, Masse, Geschwindigkeit, Zeit, Dichte, Beschleunigungen, Elastizitäten, Kräfte, Leistung usw. zu wählen.

    Auswirkungen auf die Modell- und Gartenbahn

    Dies alles interessiert den Garten- und Modelleisenbahner in der Regel nur wenig. Er wird vor allen anderen Dingen eine möglichst maßstäbliche Bauausführung anstreben, d.h. die korrekte Einhaltung des Längenmaßstabs. Der Längenmaßstab wird üblicherweise auch auf die Fahrgeschwindigkeit angewandt. Das heißt: Auf die von Vorbild und Modell innerhalb einer bestimmten Zeitspanne durchfahrene Strecke ist ebenfalls der Längenmaßstab anwendbar, denn die Drehzahl der Treibräder von Vorbild und Modell sollte der Optik und der Akustik halber gleich sein.
    Auch wenn es einem meist nicht weiter bewusst ist, so hat doch die Festlegung von Längen- und Geschwindigkeitsmaßstab Auswirkungen auf das dynamische Verhalten der Fahrzeuge, denn zwangsläufig wird dadurch die Ähnlichkeit in manch anderer Hinsicht verletzt.

    Dies möchte ich im Folgenden in den Punkten, die ich für den Gartenbahner relevant halte, zu diskutieren versuchen. Dabei werde ich auf die Verhältnisse an einem fiktiven Live-Steam Gartenbahnmodell im Maßstab 1:10 eingehen, der hier stellvertretend für die bei Regelspur-Vorbildern häufig gewählten Maßstäbe 1:11 (bei 127 mm Spurweite) bzw. 1:8 (bei 184 mm Spurweite) dienen soll, aber eine einfachere Umrechnung im Kopf erlaubt.

    Gewichtskräfte und statische Lasten

    Bei einem geometrisch ähnlichen Modell skaliert sich das Volumen mit der dritten Potenz des Längenmaßstabs. Bei gleicher Dichte und Wandstärke des Materials, also z.B. bei einem völlig maßstäblichen Metallmodell, wiegt ein 1:10-Modell ein Tausendstel des Vorbilds.

    Die statischen Lasten aufgrund der Gewichtskraft bewirken Spannungen im Material, wie z.B. Spannungen in tragenden Bauteilen und Pressungen in Lagern. Nun gehen aber die Bauteil- und Lagerquerschnitte nur mit dem Quadrat des Maßstabs nach unten, so dass die Spannungen und Lagerpressungen aus statischen Lasten linear mit dem Längenmaßstab abnehmen und bei unseren Beispielmodell nur ein Zehntel von denen des Vorbilds betragen! Daher ist selbst ein absolut maßstäbliches Modell vergleichsweise robust, und kann z.B. an den Puffern oder am Führerhaus gefahrlos angehoben werden, während beim Vorbild ein unsachgemäßes Anheben des Rahmens bereits zu einem Totalschaden führen kann.

    So gesehen ist man auf der sicheren Seite. Dennoch werden viele Wandstärken des Modells meist übermaßstäblich massiv ausgeführt, sei es fertigungsbedingt, oder vor allem deswegen, weil beim Vorbild nicht einkalkuliert war, dass "King Kong" am Fahrzeug herumzerrt oder sich gar daraufsetzt. Daher ist ein Modell meist massiver gebaut, also schwerer, als sich rechnerisch aus dem Längenmaßstab ergeben würde: Das im (ungefähren) Maßstab 1:10 gehaltene Zimmermann-Modell der Baureihe 80 wiegt 103 kg, ist also fast doppelt so massiv gebaut wie das 54 Tonnen schwere Original.

    Sonderfall Dampfkessel

    Zur höheren Massivität des Modells trägt in nicht unerheblichem Maße der Dampfkessel bei. Prinzipiell könnte ein exakt maßstäblicher Dampfkessel, aus dem selben Material wie das Vorbild gefertigt, auch den selben Innendruck ertragen: Sowohl Angriffsflächen des Dampfs wie auch wirksame Materialquerschnitte skalieren sich gleichermaßen mit dem Quadrat des Längenmaßstabs. Aber zum Glück wird niemand die Wandstärke des Kessels maßstäblich dimensionieren, also beispielsweise (gegenüber 20 mm starkem Kesselblech des Vorbilds) nur 2 mm stark, schließlich hätte man dann keinerlei Reserven gegen Korrosion und Abzehrung.

    Außerdem gibt man sich im Modell meist mit einem geringeren Kesseldruck zufrieden: Im Vorbild sind bis etwa 16 bar, bei Gartenbahnen bis 8 bar üblich (wieso das überhaupt möglich ist, dass man mit einem geringeren Druck auskommt, dazu im folgenden Absatz mehr). So gesehen sind wir erfreulicherweise beim Modelldampfkessel durch die übermaßstäblich starken Bleche und durch den geringeren Betriebsdruck gleich doppelt auf der sicheren Seite, der Sicherheitsfaktor wird gegenüber dem Vorbild um ein Mehrfaches höher sein.

    Keinesfalls lässt sich die Anzahl und Anordnung der Heiz- und Rauchrohre maßstäblich übernehmen, da die Strömungsverhältnisse im Modellkessel völlig andere sind. Maßstäbliche Rohre von wenigen Millimetern lichter Weite würden auf das Feuer wie das Netz einer Grubenlampe wirken und es ersticken. Weil also die Anzahl der Rohre erheblich geringer ist als beim Original, fällt die Heizfläche deutlich kleiner aus als das eigentlich maßstäbliche Hundertstel des Vorbilds. Da aber der zu verdampfende Kesselinhalt nur ein Tausendstel und die benötigte Leistung nur ein Zehntausendstel des Vorbilds beträgt (auch dazu später mehr), ist dies überhaupt nicht tragisch, und abermals spielt die Verkleinerung zu unseren Gunsten.

  • Kraftschlussausnutzung von Dampfloks

    Setzen wir bei unserem 1:10-Dampflokmodell den gleichen Reibwert zwischen Rad und Schiene wie beim Vorbild voraus: Dann würde der Kolben, den gleichen Dampfdruck angenommen, ein Hundertstel der Kolbenkraft des Vorbilds aufbringen, die Lokomotive könnte aber gemäß ihres Gewichts nur ein Tausendstel der Zugkraft des Vorbilds überhaupt auf die Schiene bringen! So gesehen scheint das Modell um den Faktor 10 (um den Längenmaßstab) "übermotorisiert". Rein theoretisch könnten wir den Kesseldruck mit dem Längenmaßstab skalieren, es würde für gleiche Reibwertausnutzung also ein Zehntel des Vorbild-Dampfdrucks genügen. Doch freilich würde ein derartig geringer Druck in der Praxis aus einer ganzen Reihe von Gründen nicht ausreichen:

    • Ein Modell wird, wie bereits erwähnt, meist massiver gebaut sein und beispielsweise doppelt so viel Reibkraft wie maßstäblich auf die Schiene bringen
    • Meist wird der Kolbendurchmesser etwas kleiner als maßstäblich sein, die Zylinderwandungen zugunsten einfacher herzustellender Dampfkanäle dafür dicker. So hat zum Beispiel der Kolben der Baureihe 55 von Zimmermann mit 45 mm Durchmesser nur gut die Hälfte der Fläche eines eigentlich maßstäblichen Kolbens mit 60 mm Durchmesser.
    • Die wirksame Länge der Reibung verursachenden Kolbenringe und Packungen beträgt beim Modell ein Zehntel, die Kolbenfläche aber nur ein Hundertstel der des Vorbilds. Daher wird beim Modell mehr innere Reibung anfallen, als dies maßstäblich wäre.

    Rechnet man all dies zusammen, erscheint der ungefähr halbe Kesseldruck des Vorbilds sinnvoll gewählt, und am Ende hat das Modell bei vollem Schieberkastendruck nun doch die ungefähr gleiche Schleuderneigung wie das Vorbild.

    Antriebsleistung

    Selbst solch ein doppelt zu kompaktes 1:10-Modell muss, wenn es bei maßstäblicher Geschwindigkeit an der Reibschlussgrenze fährt, nur ein Fünftausendstel (Massemaßstab mal Geschwindigkeitsmaßstab) der Antriebsleistung des Vorbilds abgeben. Mit einer Rostfläche von einem Hundertstel des Vorbilds, einem Feuervolumen von ca. einem Tausendstel und einem Kessel von vergleichsweise bescheidenem Wirkungsgrad sollte dies gut möglich sein, so dass man ev. sogar noch mit dem Regler wird drosseln müssen, und auch einer wirtschaftlichen Fahrweise kein allzu hohe Beachtung schenken muss.

    Dynamische Kräfte

    Dynamische Kräfte entstehen als Trägheitskräfte in Folge von Beschleunigungen. Hier interessieren uns Fliehkräfte im Triebwerk und Fahrwerksschwingungen ganz besonders (auf Besonderheiten der Längsdynamik beim Anfahren oder Bremsen wird im Anschluss gesondert eingegangen).

    Machen wir es kurz: Die statische Gewichtskraft skaliert sich mit der dritten Potenz des Längenmaßstabes, die Trägheitskräfte jedoch mit der vierten Potenz. Sie sind also beim 1:10-Modell im Verhältnis zu den statischen Kräften nur ein Zehntel so stark wie dies maßstäblich wäre, sie sind also weitgehend vernachlässigbar. Auch hier sind wir also auf der sicheren Seite.

    Beispiel Massenausgleich: Fliehkräfte bewirken dynamische Radlastschwankungen infolge von Unwuchten (z.B. Treib- und Kuppelstangen). Ins Verhältnis zur statischen Radlast gesetzt gehen diese aber (bei vorbildlicher Raddrehzahl) mit dem Längenmaßstab nach unten. Daher reicht es meist schon, wenn ein Massenausgleich beim Modell nur näherungsweise vorgenommen wird, die Gegengewichte in den Rädern haben somit eher nur optische Berechtigung. Wahrscheinlich werden eh nur die allerwenigsten Modellbauer den Massenausgleich nachgerechnet haben.
    Die Materialbeanspruchung aufgrund dynamischer Kräfte sinkt mit dem Quadrat des Längenmaßstabes, beträgt also nur noch rund ein Hundertstel! Hier sind wir also sehr, sehr komfortabel auf der sicheren Seite und können uns (ganz im Gegensatz zum Vorbild!) Auslegungsberechnungen auf dynamische Beanspruchung komplett schenken.

    Damit dynamische Ähnlichkeit herrschen würde, d.h. dass das Verhältnis zwischen Trägheitskräften und Gewichtskräften genauso groß wäre wie beim Vorbild, müssten wir die Geschwindigkeit übrigens genau wie die Schiffsmodellbauer mit der Quadratwurzel des Längenmaßstabes skalieren. Konkret hieße das, dass die im Original 45 km/h schnelle Baureihe 80 im Maßstab 1:10 nicht 4,5 km/h, sondern 14,2 km/h schnell fahren müsste; die Raddrehzahl müsste dabei nicht 220 U/min, sondern 700 U/min betragen! Dynamisch gesehen befinden wir uns jedoch bei bei vorbildgemäßer Raddrehzahl gewissermaßen in einer immerwährenden Langsamfahrstelle, müssen uns also auch kaum vor Entgleisungen aufgrund dynamischer Kräfte fürchten. Wiederum sind wir komfortabelerweise auf der sicheren Seite gelandet und können nur deswegen mit teilweise abenteuerlich vereinfachten Fahrwerkskonstruktionen durch eigentlich viel zu enge Gleisbögen fahren, noch dazu ohne Überhöhung.

    Längsdynamik: Beschleunigen, Bremsen und Steigungen

    Ein nur sehr schwer zu lösender Widerspruch steckt in der Längsdynamik, und wenn man z.B. in Testberichten von H0-Lokomotiven sieht, welche Aufmerksamkeit der Auslaufstrecke des Fahrzeugs gewidmet wird, so ist dies Ausdruck dessen. Der Widerspruch besteht darin, dass wir, um eine Steigung hinaufzufahren, das Antriebsmoment der Maschine und den Reibwert zwischen Rad und Schiene voll ausnützen müssen, das gleiche Moment in der Ebene aber zu viel zu extremen, unmaßstäblichen Beschleunigungen führen würde:

    Die maximale Beschleunigung eines Zuges (also wenn die Treibräder immer knapp vor dem Schleudern sind) ist vom Reibwert zwischen Rad und Schiene sowie vom Verhältnis zwischen Reibgewicht der Lok und dem Gesamtgewicht des Zuges abhängig: Eine laufachslose, 100 kg schwere Tenderlok mit einem ebenfalls 100 kg schweren Bedienwagen wäre bei einem Reibwert von 0,2 zu einer Beschleunigung von 0,1 g oder 1 m/s² im Stande. Damit dauert eine Beschleunigung auf 4,5 km/h oder 1,25 m/s (im Maßstab 1:10 entsprechend 45 km/h Vorbildgeschwindigkeit) gerade einmal 1,25 Sekunden, und es wird dabei ein Weg von nur 78 Zentimetern (wahrscheinlich nicht einmal eine Loklänge!) zurückgelegt.

    Das Vorbild, das bei gleichem Reibwert und gleicher Gewichtsverteilung mit genau den selben 1 m/s² beschleunigt, benötigt bis auf 45 km/h hingegen 12,5 Sekunden und 78 Meter (wollten wir maßstäblich ähnliche Beschleunigungswege erzielen, müssten wir übrigens, wie im vorigen Abschnitt bereits ausgeführt, mit dynamisch ähnlicher Modellgeschwindigkeit fahren, also bei unserem Beispiel mit 14,2 km/h statt 4,5 km/h).

    Beschleunigungs- bzw. Anhalteweg skalieren sich also (bei optisch maßstäblicher Geschwindigkeit) mit dem Quadrat des Längenmaßstabes: Wenn das Modell im Maßstab 1:10 ausgeführt ist, betragen Beschleunigungs- bzw. Anhalteweg nur ein Hundertstel des entsprechenden Wegs beim Vorbild. Und verschafft das natürlich enorme Sicherheit hinsichtlich des Bremsweges, und nur deshalb ist es überhaupt möglich, dass auf den meisten Gartenbahnanlagen ohne (Vor-)Signalisierung und ohne Streckenblock rein auf Sicht gefahren wird!

    Zusammenfassung Skalierungsfaktoren

    Abschließend sind die einzelnen Skalierungsfaktoren für die diversen physikalischen Größen noch einmal in folgender Tabelle als Potenzen des Längenmaßstabes zusammengefasst:

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  • Guten Abend Moritz,

    vielen Dank für deine Zusammenstellung und die interessanten Herleitungen.

    Bei einigen Prämissen ("... Trägheitskräfte skalieren jedoch mit der vierten Potenz ---") suche ich noch nach dem mathematischen Ansatz, ohne aber die Angaben in Zweifel ziehen zu wollen. Den Text des Threads habe ich mir als PDF archiviert, um ihn auch in Zukunft schnell zur Hand zu haben.

    Obwohl, wie du schreibst, in kleinem Maßstab das Meiste ohne besondere Berechnung funktioniert, versuche ich immer bei meinen Konstruktion auch eine Berechnung. In deinem Beitrag finden sich nun einige äußerst schlüssige Ansätze und Herleitungen. Für deine Mühe mächte ich mich ganz herzlich bedanken!

    Viele Grüße
    Werner

  • Bei einigen Prämissen ("... Trägheitskräfte skalieren jedoch mit der vierten Potenz ---") suche ich noch nach dem mathematischen Ansatz, ohne aber die Angaben in Zweifel ziehen zu wollen.

    Nehmen wir als Beispiel für Massenkräfte die Fliehkräfte von Unwuchten (z.B. des Gestänges):

    Die Fliehkraft ist die Unwuchtmasse mal deren Wirkradius mal das Quadrat der Winkelgeschwindigkeit. Die Masse geht mit dem Maßstab hoch 3 nach unten, der Radius mit dem einfachen Maßstab, die Winkelgeschwindigkeit ist gleich. Die Masse eines 1:10 Modell-Radsatzes beträgt ein Tausendstel des Vorbilds, die Fliehkraft einer maßstäblichen Unwucht aber nur ein Zehntausendstel.

    Eine 30-prozentige Radlastschwankung wäre beim Vorbild schon echt heftig; beim Modell beträgt sie dann aber nur 3% der Radlast und ist so gut wie vernachlässigbar.

    Liebe Grüße, Moritz

  • Einen Teil der bisher in Kauf genommenen Abweichungen betreffend Dynamik kann man umgehen, nämlich über die Fahrgeschwindigkeit, indem man einen Trick anwendet.

    Wenn ich Publikumszüge sehe, dann stört mich immer noch die viel zu kurze Beschleunigungszeit. In weit unter einer halben Minute ist die Streckengeschwindigkeit erreicht, gefühlt vergehen bis dahin nur wenige Radumdrehungen.

    Ausser künstlich die Schwungmasse des Zuges zu erhöhen, gibt es noch einen ganz anderen Ansatz.

    Angenommen, man möchte eine originalgetreue Gestängedrehzahl, aber auch einen originalgetreuen Beschleunigungs- und Bremsweg (nur als Beispiel, noch etwas extremer wären originalgetreue _Zeiten_ statt _Wege_): Dazu wäre ohne künstliche Schwungmassen höhere Fahrgeschwindigkeiten nötig, im Beispiel nachträglich um die Wurzel des Massstabs vergrössert, das ergibt bei gleichem Reibwert gleiche Wege bei Beschleunigungsvorgängen.

    Wenn man nun aber ohne Vergrössern der Treibräder eine originalgetreue Gestängedrehzahl haben will, bleibt nur eine Übersetzung zwischen Gestänge- und Treibraddrehzahl. Auf den ersten Blick recht abwegig, - aber nicht bei Aussenrahmen-Loks! Dort lässt sich nämlich eine Hohlwelle mit Treibrädern umsetzten, die über ein Planetengetriebe mit der gestängeseitigen Antriebswelle verbunden ist. Naheliegend trägt die Antriebswelle den Planetenradsatz und die Hohlwelle das Sonnenrad, der Aussenring des Planetengetriebes wird gegen Drehen abgestützt.

    Mit dieser Anordnung kommt man auf eine Übersetzung von 2,6 oder minimal weniger, also fast in den Bereich des Massstabs einer DRGW K36 auf Spur 7. Auf Spur 5 kann man sogar damit die theoretische Idealübersetzung treffen (hier Wurzel aus 7, dem ungefähren Verkleinerungsmassstab).

    Die Übersetzung macht zugleich einen grösseren Zylinderdurchmesser erforderlich, was zu einem originalähnlicheren Auspuffschlag führen dürfte und eine originalgetreuere Gestaltung der Ein- und Austrittsquerschnitte im Steuerzylinder belohnt. Würde der Kesseldruck ebenfalls um die Wurzel des Massstabs verkleinert, bräuchte man (theoretisch zu einfach betrachtet) genau originalgetreue Kolbenabmessungen. Oder anders gesagt, der Kolbendurchmesser ist bei dieser Lösung z. B. bei 8 bar Betriebsdruck zumindest sehr viel originalähnlicher als sonst.

    Natürlich muss auch der Kessel mehr leisten und verzeiht daher weniger Dilettantismus bei seiner Auslegung als sonst.

    Für mich wäre eine solche K36 auf Spur 7, jedoch etwas "gefreelanced" mit höher gelegtem Kessel, und dabei mit Ölbrenner Bauart WDH die Krönung. Vorausgesetzt man findet ein Plätzchen, wo man mit der höheren Geschwindigkeit schwere Züge fahren darf.

    Mit den obigen Einstellungen wäre die Zeit für Beschleunigen und Bremsen immer noch etwas kürzer als beim Original, aber der dynamische Eindruck sollte dem Original schon extrem viel näher kommen als alles Bisherige. Sicher eine absolut faszinierende Erscheinung ;)

    Wie heist jemanndt mitt ein Stöckchen in Popöchen? "Darm-Pflock-Führer"!

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  • Hallo Stephan,

    Deine Vorgelege-Achsen sind ein sehr interessanter Gedanke! Es wäre noch zu klären, ob es auf den Betrachter zumindest beim Anfahren nicht ebenfalls irritierend wirken würde, wenn Kurbeldrehzahl und Längsbewegung des Fahrzeugs nicht zusammenpassen, ähnlich wie bei den eine zeitlang in den USA beliebten Spinner-Radkappen, die ihren Reiz aus genau dieser Irritation beziehen.

    Ausser künstlich die Schwungmasse des Zuges zu erhöhen, gibt es noch einen ganz anderen Ansatz.

    Apropos künstliche Erhöhung der Schwungmasse:

    Bei Echtdampf-Loks der Spurweite G verwendet man dazu teilweise ein verstecktes Getriebe nebst Schwungrad, ähnlich wie bei Spielzeugautos mit sog. Friktionsantrieb. Siehe z.B. hier: https://www.wilsonlocomotives.com/product/ssp-slomo-0-4-0

    Nachdem die Getriebeübersetzung quadratisch in die so. reduzierte Masse (um die das Schwungrad die gefühlte Fahrzeugmasse erhöht) eingeht, muss solch ein Schwungrad gar nicht einmal sonderlich groß sein: Ein verstecktes Schwungrad, mit der Übersetzung 10 auf die Räder übersetzt, ist genauso wirksam wie Hundert derartige Schwungräder, die direkt mit den Treibrädern verbunden wären!

    Ich habe gerade mal für mein fiktives 1:10-Gespann aus 100 kg Lok und 100 kg Bedienwagen aus Posting #3 überschlagen: Hier würde z.B. ein 12 kg schweres Schwungrad (Stahlzylinder, Dicke 10 cm, Durchmesser 14 cm) mit der Übersetzung 12 genügen, um auf eine vorbildliche Beschleunigungszeit und eine maßstäbliche Beschleunigungsstrecke zu kommen.

    Findet sich im Rahmen der Lok kein Platz für solch ein Schwungrad, oder will man den freien Durchblick nicht verschandeln, wäre wohl der Bedienwagen der passende Ort dafür, zumal dort am wenigsten Radschlupf zu erwarten ist.

    noch etwas extremer wären originalgetreue _Zeiten_ statt _Wege_

    Apropos Zeit:

    Ein anderer, wahrscheinlich eher theoretischer Ansatz, den längsdynamischen Widerspruch zu lösen, wäre die Einführung eines Zeitmaßstabs:

    Wenn man eine um die Wurzel des Längenmaßstabs beschleunigten Modellzeit einführt (so dass eine echte Sekunde z.B. drei Modellsekunden enthält) und "dynamisch schnell" fährt, lösen sich alle Widersprüche wie von selber, und dynamisch passt alles (Drehzahl, Zeit, Weg, Beschleunigung) perfekt zusammen, bis hin zur Schlagzahl des maßstäblich verkleinerten Pendels der Bahnhofs-Hauptuhr und den vertikalen Fahrwerks-Eigenfrequenzen bei maßstäblichem Federweg.

    Davon hat bloß ein Besucher des Fahrevents nichts, weil er natürlich nicht in Modellzeit denkt. Wenn man aber ein Video der Fahrt z.B. um den Faktor 3 verlangsamt abspielt, passt alles perfekt. Ein Trick, der bei Filmproduktionenn mit verkleinerten Modellen tatsächlich beachtet werden muss: https://de.wikipedia.org/wiki/%C3%84hnl…endungsbeispiel

    Moritz

  • Falls es jemanden interessiert, hier der Rechenweg zur Auslegung eines Schwungrads zur Trägheitssimulation:

    Damit unter der Prämisse gleicher Reibwertausnutzung die Beschleunigung auf eine maßstäbliche Geschwindigkeit die selbe Zeit benötigt, muss gelten:

    m_Zug + m_red = m_Zug / Maßstab

    Darin sind: m_Zug die Masse des Zugs, m_red die aus dem Schwungrad stammende längsdynamisch wirksame virtuelle Zusatzmasse, Maßstab der Längenmaßstab des Modells als Bruch (z.B. 1:10 = 1/10 = 0,1)

    Bei einem 200 kg schweren Zug im Maßstab 1:10 müssen also noch 1800 kg dazukommen.

    Es muss gelten:

    m_red * r_Achs^2 = J_schwg * i^2

    Darin sind: r_Achs der Radius der Achse, von der sich der Schwungradantrieb ableitet in Metern, J_schw das Massenträgheitmoment des Schwungrads in kg*m^2, i die Übersetzung zwischen Schwungrad und Achse als Schwungraddrehzahl geteilt durch Achsdrehzahl.

    Bei 1800 kg geforderter Zusatzmasse und einem Achsdurchmesser von 10 cm muss demnach J_schwg * i^2 = 4,5 kg*m^2 betragen.

    Das Massenträgheitsmoment eines Zylinders beträgt J = 0,5 * m * r^2. Ein Rad von 12 kg Masse und 14 cm Durchmesser hat ein Trägheitsmoment von 0,03 kg*m^2. Mit einer Übersetzung von 12 kommt man also ungefähr hin.

    Moritz

  • Solange die Lok nicht modellmässig hektisch durchdreht, sieht die Dynamik damit ganz ordentlich aus. Sicherheitstechnisch gibt es allerdings einen Klärungspunkt: Mit dieser Trägheit ist natürlich bei vorbildgerechter Bremskraft der Bremsweg originalgetreu lang. Will man den kürzestmöglichen Bremsweg erreichen können, dann braucht man dazu ein Mehrfaches dieser Bremskraft, was die Dosierbarkeit im originalgetreuen Bremsbetrieb massiv verschlechtert.

    Oder - man baut zur Schwungmasse hin eine Rutschkupplung ein, die bei Bremsmomenten etwas oberhalb der max. originalgetreuen Bremskraft anfängt zu rutschen. Dann reicht ungefähr das Doppelte der max. originalgetreuen Bremskraft für eine Schnellbremsung, während die Schwungmasse dann nach dem Anhalten des Zugs noch etwas weiterläuft gegen die Rutschkupplung.

    Natürlich müssen dazu alle am Bremsen beteiligten Achsen die gleichen Trägheitsverhältnisse aufweisen, und das reicht vermutlich praktisch trotzdem nicht, wenn nicht die Rutschkupplungen untereinander und in verschiedenen Betriebszuständen sehr gleichmässige Werte aufweisen. Denn Unterschiede darin wirken sich sehr stark aus, da die Bremsen ja etwa mit der doppelten statischen Blockierkraft anliegen bei einer Schnellbremsung. Das Ganze wird sich also letzlich nur bei Zügen mit unveränderlichen Achslasten halbwegs brauchbar nutzen lassen - wenn man nicht mit originalgetreuen Bremswegen zufrieden ist und nicht auf Schnellbremsungen verzichten will.

    Die einzige Alternative könnte noch sein, die Schwungmassen zum Schnellbremsen komplett auszukuppeln, aber das könnte für eine übliche gewünschte Ausfallsicherheit zu kompliziert werden.

    So ist mein Ansatz mit Planetengetrieben und Aussenrahmenbauweise am Ende eher noch eine (vergleichsweise) ziemlich einfache Sache, zudem wohl mit viel ansprechenderem Auspuffschlag. Nur der Mindestbremsweg ist dann eben nicht weniger als originalgetreu - allerdings fährt man ja nicht an jeder Stelle mit originalgetreuer Gestängedrehzahl, sondern oft langsamer, daher ist der Bremsweg hier kein allgemeingültiges KO-Kriterium.

    Auch die Fliehkräfte in Kurven sind bei dieser Lösung realistischer - hier stimmt vieles, während bei der Schwungmassenlösung eher nur weniges stimmt. Spätestens sobald dort die Haftungsgrenze erreicht ist, ist die Vorbildtreue vorbei.

    Wie heist jemanndt mitt ein Stöckchen in Popöchen? "Darm-Pflock-Führer"!

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  • Oder - man baut zur Schwungmasse hin eine Rutschkupplung ein, die bei Bremsmomenten etwas oberhalb der max. originalgetreuen Bremskraft anfängt zu rutschen. Dann reicht ungefähr das Doppelte der max. originalgetreuen Bremskraft für eine Schnellbremsung, während die Schwungmasse dann nach dem Anhalten des Zugs noch etwas weiterläuft gegen die Rutschkupplung.

    Oder noch viel einfacher, man baut, wenn das Schwungrad eh im Bedienwagen sitzt, dort eine Notbremse ein, die direkt auf das schnellaufende Schwungrad wirkt.

    Moritz

  • Ich bin von angehängten Wagen mit Schwungrädern ausgegangen, was Bremsleitungen dazwischen mit sich bringt.

    Ein einziges Schwungrad im Bedienwagen passt ja nur zu einem bestimmten Zuggewicht, solange keine variable Übersetzung vorhanden ist.

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  • Vollkommen richtig. Aber man muss es ja mit der Maßstäblichkeit der Längsdynamik nicht komplett übertreiben:

    Ein Schwungrad im Bedienwagen hätte zumindest schon mal den Vorteil, dass das alleinfahrende Gespann aus Lok und Bedienwagen nicht raketengleich davonzischt, sobald der Regler aufgezogen wird.

    Kommt ein Wagenzug dazu, vielleicht sogar ein vollbesetzter, beschleunigt die Fuhre insgesamt natürlich noch träger, wenngleich maßstäblich gedacht eigentlich wieder zu rasch.

    Aber ob diesen Unterschied der geneigte Betrachter oder Fahrgast überhaupt aufzulösen und zu goutieren vermag?

    Moritz

  • Interessantes Thema, wo ich erst jetzt dazu gekommen bin es zum lesen.
    Genau dieses Problem der Skalierungsfaktoren hat mich beim Auswahl eines Vorbildes ein paar mal von vorne Anfangen lassen. Alle Sachen die in 1:1 spannend sind und echte Herausforderungen sind, gibt es im Modell nicht. Selbst wenn man das nur im Ansatz am Anfang einer Konstruktion überschlägt stellt man da sehr schnell fest, dass es Sinnlos ist.

    So Sachen wie eine Ventilsteuerung und andere ausgeklügelte Steuerungen, Giesl-Ejektor, Kylchap etc. oder eine Heinl-Pumpe, ein Friedmann-Lager usw. kann man zwar im Modell bauen, sind aber leider komplett Sinnbefreit. Die Probleme die sie lösen gibt es in dem Maßstab schlichtweg nicht. Und man kann auch ihre Funktion (abgesehen davon dass sie funktionsfähig sind) nicht beurteilen, weil ja auch der Betrieb leider gar nichts mit den Vorbildern in 1:1 zu tun hat. X/

    Da ist der Frust riesengroß wenn man sich daran eigentlich wieder einmal abarbeiten will...
    wenn der Frust dann jedoch nachlässt sieht man auch die Möglichkeiten die das bietet.

    Man kann die größten Fehlkonstruktionen der Dampflokgeschichte als Modell auf die Schiene bringen, ohne dass man da echtes scheitern befürchten muss.
    Es ist komplett egal was man als Vorbild wählt, da es im Modell sowieso ganz was anders ist, die Probleme die sich auftun, nichts mit dem Vorbild zu tun haben.

    Mein Favorit ist also als Folge dieses Weges, gerade ein Vorbild auf das ich vor 2-3 Jahren noch nie gekommen wäre. Eine Schmalspurlok mit eigentliche einem viel zu kleinen Kessel im Vorbild, und ein paar interessanten technischen Lösungen. Als Modell dürfte sie dann jedoch sehr gut passen... :)

    Zum Thema Schwungmaße :
    Genau diese Idee hatte ich nach dem besuch des Echtdampf-Hallentreffen in Friedrichshafen.
    Aber dann aus den genannten Gründen wieder schnell verworfen ^^

    Nach ein paar anderen Ideen am Wegesrand bin ich derzeit bei einem "Hydrodynamische Retarder" gelandet. ;)
    Der erste Ansatz ist mit einer Pumpe, welche von den Achsen des Bedienwagens angetrieben wird, das Speisewasser (oder einen Teil davon) im Bedienwagen im Kreis zu pumpen. Die Last steuert man über eine regelbares Ventil. (konstanter Druck = Konstante Last, wenn ich da keinem Irrtum aufgelaufen bin?) An dem Ventil vorbei gibt es einen Bypass der über eine Steuerleitung (angeschlossen nach dem Regler), geöffnet und geschlossen wird (wie die Druckausgleichautomaten der BBÖ).
    * Somit könnte man die Last stufenlos regeln.
    * der Bremsweg verlängert sich nicht.
    * durch einen zusätzlichen manuellen Hahn im Bypass könnte man die Bremse auch als "Retarder" bei geschlossenem Regler im Gefälle nutzen.
    * die Wärme der "Energievernichtung" wird ins Speisewasser eingebracht.
    * die Pumpe könnte (je nach Dimensionierung) auch als zusätzliche Speiseeinrichtung dienen. (natürlich nur mit einem Bruchteil der geförderten Menge)

    Ich bin aber noch nicht dazu gekommen das Ganze einmal durchzurechnen um dann in weiterer Folge zu schauen ob man das auch irgendwie konstruktiv vernünftig umsetzen kann.

  • Du kannst den Schieberkastendruck mit verkleinerter Wirkfläche auf ein Ventil geben, das den Hydraulik- Bremsdruck steuert. Das erspart dir das ständige Nachjustieren der Bremse. Ohne das wird es wohl nicht zufriedenstellend für alle Situationen hinzukriegen sein. Und Bergfahrten sind dann sowieso nochmal mit anderen Einstellungen verbunden, die weitere Regulierungs- Eingriffsmöglichkeiten nahelegen.

    In meinen Augen ist Bremsen keine gute Wahl, auch nicht mit der vorgeschlagenen Regelung.

    Das Aufheizen des Wasservorrats wird zuerst die Strahlpumpen lahmlegen und dann irgendwann vielleicht auch andere Speisepumpen. Erst danach würde das zunehmende Verdampfen den Temperaturanstieg nennenswert begrenzen, falls die Aussenflächen nicht reichen.

    Wie heist jemanndt mitt ein Stöckchen in Popöchen? "Darm-Pflock-Führer"!

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  • Wie gesagt, ich habe mir das bis jetzt noch nicht durchgerechnet, und es war nur die erste Idee.

    * Auch Schwungräder anzutreiben ist nichts anderes als Bremsen, vor allem wenn sie dann beim bremsen wieder auskuppeln oder ähnliches will. Nur ist das ganze schlecht regelbar.

    * Ist es kompletter Blödsinn den Bremsdruck an den Schieberkastendruck zu koppeln. Somit würde beim Anfahren mit wenig Schieberkastendruck und viel Füllung weniger gebremst was in keinster Weise der Fahrdynamik des Anfahrens mit einem schweren Zug entspricht. Oder irgendeiner anderen Fahrdynamik.

    * Warum sollte man die Bremse während dem Fahren nachjustieren? (wenn man jetzt von der Funktion der Zusatzbremse im Gefälle absieht) Das Zuggewicht ändert sich beim Vorbild ja auch nicht während der Fahrt. Mit einem Federbelasteten Ventil, vorgespannt über einen Kniehebel mit mehrstufiger Verriegelung würde ich aber auch da kein Problem sehen.

    * Da du gleich von "lahmgelegte Strahlpumpen und Speisepumpen" redest, hast du offensichtlich noch gar nicht überschlagen wie viel Wärme überhaupt umgesetzt wird. Meine "Milchmädchenrechnung" möchte ich hier nicht präsentieren, vor allem da ich mir noch nicht überlegt habe was sich da thermodynamisch überhaupt abspielt und mit welchen Wirkungsgraden und Verlusten man da überhaupt rechnen kann.
    Definitiv kann jedoch nicht mehr Energie erzeugt werden, wie ich über das Reibungsgewicht des Bedienwagens abnehmen kann.

    Darüber hinaus habe ich eindeutig geschrieben dass man auch nur einen Teil des Speisewassers nehmen könnte, und da sehe ich überhaupt kein Problem. Auch beim Vorbild gibt es viele Speisepumpen die mit einem Heißwasserspeicher arbeiten von wo auch die Injektoren nicht ansaugen.
    Wie gesagt, mit einer reinen Milchmädchenrechnung bin ich darauf gekommen dass ich die entsprechende Wassermenge die ich zur Kesselspeisung bei dieser Leistung der Lok brauche maximal um 20°C erhöhen kann. Der gesamte Wasservorrat von ca. 30 Liter um 0.25°C bei einer Minute Vollbremsung erwärmt werden würde. Wie groß so ein Zwischenbehälter sein könnte, habe ich noch nicht überlegt.

    (HIER WURDE EIN ABSATZ VOM ADMIN ENTFERNT - 14.01.2024 09:20)

  • Hallo,

    Eigentlich haben nur Dampfstrahlpumpen ein Problem mit vorgewärmten Speisewasser.

    Bei Kolbenpumpen wird sogar vorgewärmtes Speisewasser in den Kessel gepumpt, um zum einen den Wirkungsgrad des Kessels zu erhöhen und um andererseits Schäden am Kessel durch kaltes Speisewasser zu vermeiden, welche durch Wärmespannungen entstehen.

    Vielleicht sollte das Speisewasser in einem separaten Behälter vorgewärmt werden und nicht im normalen Wassertank.

    Ähnlich wurde es bei den Kondensloks gemacht, die den Abdampf auf 90°C abgekühlt haben und das nun entstandene Kondensat in einem separaten Behälter zwischengespeichert haben, von dem es mit einer Kolbenspeisepumpe dann wieder in den Kessel gelangte.


    VG Dirk

    M.A. Verick:
    Die gefährlichsten Massenvernichtungswaffen sind die Massenmedien. Denn sie zerstören den Geist, die Kreativität und den Mut der Menschen, und ersetzen diese mit Angst, Misstrauen, Schuld und Selbstzweifel.

  • Wie gesagt, ich habe mir das bis jetzt noch nicht durchgerechnet, und es war nur die erste Idee.

    * Auch Schwungräder anzutreiben ist nichts anderes als Bremsen, vor allem wenn sie dann beim bremsen wieder auskuppeln oder ähnliches will. Nur ist das ganze schlecht regelbar.

    * Ist es kompletter Blödsinn den Bremsdruck an den Schieberkastendruck zu koppeln. Somit würde beim Anfahren mit wenig Schieberkastendruck und viel Füllung weniger gebremst was in keinster Weise der Fahrdynamik des Anfahrens mit einem schweren Zug entspricht. Oder irgendeiner anderen Fahrdynamik.

    Wenn du richtig gelesen hättest, wäre dir aufgefallen, dass das Auskuppeln mir nicht wirklich praktikabel erscheint und eine grössere als "originalgetreue" (bzgl. Anhalteweg, nicht Anhaltezeit) Verzögerung nur für Notfälle vorgesehen ist.

    Und was meinst, du um wieviel sich die Vortriebskraft zwischen 40 und 80% Füllung unterscheidet? Bei gleichem angenommenem Einströmdruck bei Weitem nicht mal um den Faktor 1:2! Gerade im Gegenteil, je grösser der Unterschied, kann man somit das Gegendruckventil für etwas über Null Vortriebskraft bei 40% auslegen und dann gegen die dampfdruckabhängige Bremse mit der Steuerung sehr fein gegenjustieren. Danke für den Hinweis auf variable Füllungsgrade!

    Und zum Aufheizen der "Bremsflüssigkeit": Eine BR24 in 5" kommt auf 200 Watt Antriebsleistung, das sind etwa 10% eines handelsüblichen Wasserkochers. Vielleicht wird damit bei der Fahrt in der Ebene ohne nennenswerte Zugkraft, bei voller hydraulischer Bremsung, tatsächlich nicht der Siedepunkt in einem vollen Tender erreicht, aber dort hatte ich auch geschrieben "falls die Aussenflächen nicht reichen". Ich habe gar nicht behauptet, das ich mir etwas durchgerechnet hatte.

    (HIER WURDE EIN ABSATZ VOM ADMIN ENTFERNT - 13.01.2024 16:42)

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    2 Mal editiert, zuletzt von Stephan_A (13. Januar 2025 um 11:32)