Eine sehr vorbildgetreue ‚Dampf‘-Straßenwalze

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Norbert Germany
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Eine sehr vorbildgetreue ‚Dampf‘-Straßenwalze

#1782

Beitrag von Norbert »

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unter diesem Titel veröffentlichte Norwin Rietsch 2011 einen Beitrag im AMS-Bulletin, der sich mit einer durch Magnetspulen angetriebenen Dampfwalze beschäftigte.

Angesichts der kürzlich stattgefundenen Diskussion über Magnetantriebe für Fahrzeuge in der MBK-Liste stellte er mir frei, seinen Artikel hier zu veröffentlichen, weil er zur Zeit anderweitig vollumfänglich engagiert ist. Das tue ich gerne für ihn, hier ist sein Artikel:

Metallbaukasten-Modelle von Strassenwalzen werden üblicherweise von einem Elektro- oder Uhrwerkmotor angetrieben. Dabei geht aber das Flair einer Dampf-Strassenwalze meist verloren. Das hier vorgestellte Modell (Bild 1) besitzt einen Antrieb durch vier Magnetspulen, deren Kerne (Kolbenstangen) über Pleuel auf eine Kurbelwelle wirken, und imitiert damit recht gut eine Zweizylinder-Dampfmaschine (Bild 2). Alle verwendeten Bauteile sind optimal eingesetzte, original Märklin-Bauteile. Zu beachten wären z.B. die Konstruktion von Kreuzkopf und Kurbelwelle (Bilder 3 und 4). Die Umsteuerung erfolgt – ähnlich wie beim Vorbild – mit einem Handhebel, der den (stillstehenden) Kollektor um ca. 180° verdreht (Bild 5). Dadurch wird die Reihenfolge der Ansteuerung von jeweils zwei Spulen (vorne resp. hinten) umgekehrt. Ähnlich wirkt bei echten Dampfmaschinen eine Umsteuerung, die den Schieber gegenüber dem Kolben versetzt und so die Dampfeinströmung in den Zylinder umkehrt. Als Träger für die rotierenden Kohlebürsten dient ein abgeändertes Kegelzahnrad.
Die Lagerung der vorderen Walze ist ideenreich konstruiert und ergibt ein schlankes, stimmiges Bild (Bild 6). Die Lenkung mittels Schneckentrieb und Kette ist ebenfalls wirklichkeitsgetreu ausgeführt (Bilder 7, 8, 9). Im Betrieb mit 24 Volt erreicht man durch die weiche Umsteuerung ‚vorwärts – rückwärts – vorwärts‘ mit dem Handhebel einen sehr authentischen Walzvorgang.
Alles deutet darauf hin, dass das professionell konstruierte und einwandfrei funktionierende Modell von der Firma Märklin in der Zeit zwischen 1980 (neue Bauteile, z.B. Dachplatte) und 1987 (neue Schrauben) zur Demonstration der Möglichkeiten des Metallbaukastens hergestellt wurde.

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Bild1b.jpg
Bild 1: Dampf-Strassenwalze mit Magnetspulantrieb. Umsteuerungshebel in Stellung ‚rückwärts‘.
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Bild2b.jpg
Bild 2: Vier Magnetspulen (Teil-Nr. 11640) mit durchgehenden Kernen (11651 – 11653); interessante Verdrahtung mit Wellenhaltern (11792).
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Bild3b.jpg
Bild 3: Umsteuervorrichtung: Der Hebel (Verbindungsbolzen 11653), mit dem Kollektor (11665) verschraubt, ist in Stellung ‚vorwärts‘. Die rotierende Bürstenbrücke, in Form eines Kegelrades (10860) mit eingeschraubten Bürstenhaltern, stellt ein Sonderteil dar. Als Kreuzkopf dient eine gekürzte Vermittlungsgabel (11767).
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Bild4b.jpg
Bild 4: Interessant aufgebaute Kurbelwelle mit Schwungrad (Drehteller 11754, 11755).
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Bild5b.jpg
Bild 5: Umsteuerungshebel – Kurbelwelle, Pleuelstangen mit Kreuzköpfen – Schwungrad.
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Bild6b.jpg
Bild 6: Platzsparende Lagerung der vorderen Walze.
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Bild7b.jpg
Bild 7: Spiralen-Antrieb der hinteren Walzen über Zahnrad- und Kettenrad-Getriebe.
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Bild8b.jpg
Bild 8: Schwungradseite mit Lenkung; professionelle Verdrahtung der Spulen mit Schieberösen (11712).
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Bild9b.jpg
Bild 9: Rückansicht bei abgenommenem Dach (Bodenplatte 11147).

Soweit der AMS-Bericht; Norwin und ich sind auf Eure Kommentare gespannt.

Gruß
Norbert
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Georg Germany
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Re: Eine sehr vorbildgetreue ‚Dampf‘-Straßenwalze

#1783

Beitrag von Georg »

Hallo Norbert, hallo Norwin,

Habe ich das richtig verstanden? Das Modell wurde nicht von Norwin sondern wahrscheinlich von Märklin gebaut?
Grüße
Georg

Ich schraube, also bin ich.
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Norbert Germany
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Re: Eine sehr vorbildgetreue ‚Dampf‘-Straßenwalze

#1784

Beitrag von Norbert »

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Hallo Georg,
Habe ich das richtig verstanden? Das Modell wurde nicht von Norwin sondern wahrscheinlich von Märklin gebaut?
Ja, das vermutet Norwin.

Ich bin mir da nicht so sicher, denn eine Spule, die dunkle, hat noch textilummantelte Kabel, ist also aus den 1950ern. Daß es solche bei Märklin 1980 noch gegeben haben könnte ist durchaus möglich, aber man hätte der Optik wegen eher gleich ausehende verwendet. Auch die Abschürfungen am bereits anderweitig verwendeten Schwungrad sprechen dagegen.

Was jedoch sicher ist, diese Maschine hat kein Anfänger gebaut. Sie ist übrigens noch in Norwins Besitz und er kann auf Wunsch weitere Fotos liefern.

Gruß
Nobert
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Hans-Gerd Germany
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Re: Eine sehr vorbildgetreue ‚Dampf‘-Straßenwalze

#1785

Beitrag von Hans-Gerd »

Hallo Norbert,

vielen Dank für die Bilder von diesem interessanten Modell.

Was bedeutet 2 Spulen mit durchgehendem Kern?
Auf Bild 2 ist zu sehen, dass das Pleuel im Vordergrund am Anschlag ist und sich der Kern irgendwo zwischen den Spulen befindet.
Demnach durchläuft der Kern beide Spulen mit einem relativ geringen Hub - das ist günstig für den Wirkungsgrad.

In diesem Zusammenhang möchte ich noch etwas eher Akademisches beitragen. Die meisten wird es nicht sonderlich interessieren
und dafür bitte ich vorab schonmal um Nachsicht.

Mit dem Beginn der Schrauberei vor etwa 25 Jahren hatte ich mir auch die Märklin-Spule vorgeknöpft. Ich wollte damals wissen,
wie groß die Kraft auf den Eisenkern in Anhängigkeit seiner Position ist.

Befindet sich der Kern vollständig in der Spule, dann ist die Kraft Null - das weiß man.
Befindet sich der Kern maximal außerhalb der Spule (das sind etwa 30 bis 35mm), dann ist die Kraft sehr gering - auch das weiß man.

Um den Verlauf dazwischen empirisch erfassen zu können hatte ich damals die Position des Eisenkerns in 5mm-Schritten verändert
und mit einer Induktivitätsmessbrücke die zugehörige Induktivität gemessen.
Über die magnetische und mechanische Energie lässt sich dann die im jeweiligen Streckenabschnitt (als konstant angenommene)
wirkende Kraft errechnen. Inwieweit die Absolutwerte korrekt sind, sei mal dahingestellt - mir ging es in erster Linie um den Verlauf.

Ein Bild sagt bekanntlich mehr, als 1000 Worte - deshalb hier die Aufzeichnungen von damals:

spule-1.jpg
spule-2.jpg

Diese "Kurve" - welche beim Magnetismus übrigens keineswegs ungewöhnlich ist - zeigt also den Verlauf der Kraft auf den Eisenkern
in Abhängigkeit seiner Position für insgesamt 3 Ströme.

Wenn man den gesamten Hub mit 180 Grad abdeckt, dann sieht man, dass das Maximum nicht in der Mitte liegt.

Reduziert man den Stromflusswinkel auf 135 oder 90 Grad, dann hat man die Möglichkeit den Stromfluss in den Bereich maximaler
Kraft zu legen - bei nur einer Spule ist das kein Problem.

Bei 2 Spulen, die mit gegenüberliegenden Segmenten eines Kollektors gesteuert werden, mag das auch noch funktionieren.

Bei 4 Spulen, die mit nur einem Kollektor gesteuert werden, wird man jedoch nicht alle Spulen in den günstigsten Bereich legen
können, weil er eben nicht in der Mitte des Hubes ist. Abgesehen von der zusätzlichen Reibung könnte es in diesem Fall zumindest
theoretisch günstiger sein, 2 Kollektoren zu verwenden. Ausprobiert habe ich das allerdings noch nicht.

Man kann die Kurve sicher auch analytisch ermitteln, das war mir aber damals schon zu lästig und das möchte ich auch heute ggfs.
denjenigen Interessenten überlassen, die das besser können.

Um jetzt nochmal auf besagte Dampfwalze zu kommen:
Bei dieser Konstruktion mit relativ kleinem Hub erspart man sich die "kraftlosen" Randbereiche, sodass diese Maschine tatsächlich
einen recht guten Wirkungsgrad haben müsste. Sehr pfiffig gemacht - werde ich bei meiner nächsten Maschine berücksichtigen.

Grüße aus dem Rheinland
Hans-Gerd
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Dilettant Germany
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Re: Eine sehr vorbildgetreue ‚Dampf‘-Straßenwalze

#1788

Beitrag von Dilettant »

Das Modell begeistert mich, vielen Dank für's Zeigen.
Ich hätte mir seinerzeit gewünscht, dass Märklin sowas propagiert hätte, in einer Zeit des beginnnenden Niedergangs der Märklin Metallbaukästen.
Wenn es damals von Märklin dies Walze als Bausatz gegeben hätte, ich würde gekauft haben.

VG

Friedemann
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Norbert Germany
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Re: Eine sehr vorbildgetreue ‚Dampf‘-Straßenwalze

#1790

Beitrag von Norbert »

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Hallo Hans-Gerd,

vielen Dank für Deinen interessanten Beitrag.

Aus Bild 3 geht hervor, daß jeweils zwei benachbarte Kontaktflächen des Kollektors miteinder verbunden sind, also einen 90° Sektor bilden.
Zusätzlich gibt es eine 2. Kohlenbürste, die schätzungsweise um 45° gegenüber der 1. versetzt ist. Damit beträgt der Stromflußwinkel 135° plus etwa 2° – 4°, die durch den Durchmesser der Bürsten bedingt sind.

Der Befestigungsabstand der jeweils zusammen arbeitenden Spulen beträgt 3" = 76,2 mm (= Loch 2 bis Loch 8 der schmalen Rechteckplatte (11311, 50/11), gezählt von rechts). Bei einem gemessenen waagrechten Abstand von 35,2 mm zwischen dem Spulenende und der Mitte der Befestigungslöcher ergibt sich ein Abstand von 76,2 mm – 2 x 35,2 mm = 5,8 mm ≈ 6 mm zwischen den Spulenenden.

Der Märklin Spulenkern (11651, 1302a) ist 38 mm lang. Ausgehend von einer optimalen Positionierung des Kerns, die in beiden Spulen gleiche maximale Eintauchtiefen ergibt, ragt der Kern in Mittelstellung (38 mm - 6 mm) / 2 = 16 mm tief in beide Spulen.

Die Pleuelstange greift am inneren Loch der Kurbel mit Gegengewicht (11776, 122) an, wodurch sich ein Hub von 1"  = 25,4 mm ergibt. Damit ergeben sich folgende Eintauchtiefen:
  • Minimal : 16 mm - 12,7 mm = 3,3 mm, ... somit herausragende Länge: 38 mm - 3,3 mm = 34,7 mm
  • Mittelstellung: 16 mm, .............................. somit herausragende Länge: 38 mm - 16 mm = 22 mm
  • Maximal : 16 mm + 12,7 mm = 28,7 mm, somit herausragende Länge: 38 mm - 28,7 mm = 9,3 mm
Wegen der schrägstehenden Pleuelstange ist der Winkelunterschied der Kurbel von den Extrempositionen zur Mittellage nicht genau 90°, sondern etwas größer (Minimum - Mitte) oder etwas kleiner (Mitte – Maximum), was aber keine große Rolle spielen dürfte.

Nach Hans-Gerds Messung tritt beim Weg zwischen Mitte und Maximum, also einer Kurbeldrehung von ≈ 90° die größte Kraft auf. Da der Stromflußwinkel aber ≈ 135° beträgt, werden auch die schwacheren Kräfte im nicht optimalen Bereich genutzt. Vielleicht ist das der Grund für die von Norwin geschilderte weiche Umsteuerung. Das ließe sich leicht feststellen, wenn eine Kohlenbürste probeweise entfernt würde.
Bei 4 Spulen, die mit nur einem Kollektor gesteuert werden, wird man jedoch nicht alle Spulen in den günstigsten Bereich legen
können, weil er eben nicht in der Mitte des Hubes ist.
Das ist richtig, dürfte m. E. aber bei der reichlichen Überdeckung des 135° Stromflußwinkels keine große Rolle spielen. Durch die Drehbarkeit des Kollektors hat man es außerdem in der Hand beide Spulenpaare gleich suboptimal einzustellen. Ob man es im praktischen Betrieb merkt, sei dahingestellt.

Gruß
Norbert
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Hans-Gerd Germany
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Re: Eine sehr vorbildgetreue ‚Dampf‘-Straßenwalze

#1792

Beitrag von Hans-Gerd »

Hallo Norbert,

vielen Dank für die ausführliche Erläuterung, die ich mir erstmal zu Gemüte führen musste.

Es ist sicher richtig, dass eine solche Maschine bei 135° Stromfluss weicher läuft - die Kraft fängt dann auf relativ niedrigem Niveau an und nimmt in Richtung Spulenmitte kontinuierlich zu.

Bei 90° Stromfluss im optimalen Bereich dürften die Schläge auf das Gestänge deutlich stärker und auch deutlich hörbar sein. Auch Geräusche sind mit Verlusten verbunden, sodass man das allgegenwärtige Spiel in diesem Fall möglichst verringern sollte.

Heute habe ich versucht herauszufinden, ob es tatsächlich einen Einfluss auf den Wirkungsgrad haben könnte, wenn man den Stromfluss von 135° auf 90° verringert und dadurch die "kraftlosen" Randbereiche meidet. Dazu habe ich die Fläche unter der "Kraft-Kurve", welche ja der Energie W = F * s entspricht, für einen Strom von 2A jeweils für 135 und 90 Grad im optimalen Bereich "numerisch integriert" - also scheibchenweise ausgemessen und mit Papier und Bleistift zusammenaddiert.

Dass der mittlere Strom bei 90 Grad um ein Drittel abnimmt, ist klar.
Interessanterweise ist aber auch die Energie um etwa ein Drittel kleiner - die "kraftlosen" Bereiche scheinen also gar nicht so kraftlos zu sein.

Zufall?
Ich denke ja, denn wenn man den 90°- Stromflusswinkel in einen ungünstigen Bereich legt, dann fließt ja weiterhin Strom, aber die Maschine bleibt irgendwann stehen, weil der Wirkungsgrad zu klein geworden ist.

Jedenfalls scheint der Einfluss auf den Wirkungsgrad deutlich geringer zu sein, als ich bisher angenommen hatte. Dann kann man - sofern möglich - auch 135° Stromfluss einstellen und bekommt dafür einen weicheren Rundlauf.

Aber zum Schluss noch eine ganz andere Frage an die Dampfwalzen-Experten: Gibt oder gab es für ein solches Modell tatsächlich Vorbilder?
Meines Wissens haben z. B. Locomobile üblicherweise nur eine Ein-Zylinder-Dampfmaschine, die ggfs. über das Schwungrad anzuwerfen ist.
Und gerade bei einer Dampfwalze, die ja häufig vorwärts und rückwärts fährt, ginge eine Fahrtrichtungsänderung mittels Kupplung und/oder Getriebe doch wesentlich schneller und einfacher, als die Dampfmaschine zu stoppen, umzusteuern und dann wieder hochlaufen zu lassen.

Grüße aus dem Rheinland
Hans-Gerd


PS:
Wenn man es auf die Spitze treiben will, dann kann man die einzelnen Punkte der Kraft-Kurve heutzutage z. B. auch in eine Excel-Tabelle eingeben und eine schöne Kurve annähern lassen. Dann lassen sich auch mit viel geringerem Aufwand weitere Berechnungen durchführen. Wär vielleicht etwas für den Winter ...
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Re: Eine sehr vorbildgetreue ‚Dampf‘-Straßenwalze

#1793

Beitrag von usknw »

Hallo Hans Gerd
schau mal nach youtube Videos der Great Dorset Steam Fair.
Da siehst Du auch 2 Zylindeverbundmaschinen bei den ganzen Rummelplatz, Pfug und Straßenzugmaschinen. Und die ziehen einiges weg, besonders auf der Anfahrt zum Treffen.
Gruß

Uwe aus 67433 NW
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Georg Germany
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Re: Eine sehr vorbildgetreue ‚Dampf‘-Straßenwalze

#1795

Beitrag von Georg »

Hallo Hans-Gerd,
ja, es gab Zweizylinder Dampfwalzen.
Je größer die Walze, desto eher hat man den Platz und auch den Bedarf für eine Zweizylindermaschine.
Bei Gewichten weit über 10 Tonnen waren starke Maschinen, die auch jederzeit von alleine in die richtige Richtung anliefen notwendig.
Eine Google-Suche nach Henschel DAW25 bringt zum Beispiel:
http://strassendampf.de/project/henschel-daw-25/

Und noch eine englische Maschine in der Schweiz:
https://dampffreunde.ch/wordpress/?page_id=29

Das Umschalten von Vorwärts- auf Rückwärtsfahrt erfolgt bei der Dampfmaschine mit dem selben Hebel, mit dem auch die Dampfzufuhr geregelt wird. (Bei der Dampflok ist es das Steuerrad, mit dem die Dampfzufuhr/Steuerzeiten über z.B. die Heusinger-Steuerung geregelt wird. Mit dem Regler wird nur die Menge geregelt.) Das erfolgt ganz weich und ohne Rucke. Auch bei heutigen Walzen mit Dieselmotor erfolgt der Antrieb meistens hydraulisch, um ein weiches Umschalten zu ermöglichen. Der Untergrund beim Walzen ist ja unter Umständen noch nicht fest und kann keine großen Kräfte in horizontaler Richtung aufnehmen.
Ein Umschalten der Fahrtrichtung über Getriebe wäre aufwendig (Schaltung und Kupplung) und würde ausschließlich im Stillstand und mit Geräusch funktionieren
Grüße
Georg

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Re: Eine sehr vorbildgetreue ‚Dampf‘-Straßenwalze

#1797

Beitrag von Hans-Gerd »

Hallo Uwe, Georg,

vielen Dank für die Hinweise und Informationen.

Ist ja unglaublich, was man hier alles lernen kann :-)

Grüße aus dem Rheinland
Hans-Gerd
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Georg Germany
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Re: Eine sehr vorbildgetreue ‚Dampf‘-Straßenwalze

#1798

Beitrag von Georg »

... und hier noch ein nettes Video vom Bayerischen Rundfunk über eine Dampfwalze (Einzylinder-Maschine) im Einsatz:


Bei mir erschien die niederbayerische Landessprache mit synchronisierten Untertiteln. Youtube kann alles. :))) :))) :)))
Grüße
Georg

Ich schraube, also bin ich.
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Re: Eine sehr vorbildgetreue ‚Dampf‘-Straßenwalze

#1804

Beitrag von wdh »

Hallo Norbert, Hans-Gerd,

ein wunderbares Funktionsmodell, vielen Dank für die ausführliche Vorstellung!
Auch die Analyse und die Überlegungen bezüglich des Magnetantriebs habe ich (als Elektro-Ingenieur) mit großem Interesse gelesen, sehr schön 8-)
Bei 90 ° Kurbelversatz müsste ein Kollektor mit 8 (4 x 2) Ansteuersegmenten ausreichen. Die 2 Spulenpaare wirken dann bei 90 ° + Ansteuerung wie zwei doppeltwirkende Dampfzylinder beim Vorbild, die mit etwa 50 % Füllung betrieben werden. Bei einer Ansteuerung von mehr als 90 ° sollte die Maschine sogar aus jeder Stellung selbständig anlaufen können!
Über die Funkstörungen wollen wir uns hier besser nicht unterhalten - die spielen vermutlich auch heute bei digitalen Radios eine geringere Rolle als damals bei MW und LW ;)
Der Bericht beflügelt mich, endlich mal Projekte für einen einfachen, selbstanlaufenden 3-Spulen - Magnetmotor oder einen V 6 zu bauen. Dazu ein Bild eines von mir vor Jahren gebauten äußerst einfachen aber wirkungsvollen und selbstanlaufenden 3-Zylinder Dampfmotors.
Zur Ansteuerung eines solchen Magnetmotors wäre ein dreiteiliger Kollektor (aus einem Elektromotor) ideal. Nur so eine Idee.

Beste Grüße
Wulf-Dieter
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Re: Eine sehr vorbildgetreue ‚Dampf‘-Straßenwalze

#1806

Beitrag von Hans-Gerd »

Hallo WDH,

einen einfachen "Drilling" hatte ich vor 20 Jahren auch schonmal gebaut - nur so zur Demonstration ohne Anspruch auf Aussehen, hat aber gut funktioniert.
Der Kollektor war hierbei ein Drahtbügel, welcher der Reihe nach über Bronzekontakte aus der EMV geführt wurde (auf dem 2. Bild leider nur schlecht erkennbar).
drilling-1.jpg
drilling-2.jpg

Ob 3 oder 6 "Zylinder" mit Märklin-Kollektoren realisierbar sind, weiß ich nicht - vielleicht mit 3 Kollektoren (24 Segmente), die über geeignete Untersetzungen anzutreiben sind.


Die theoretische Betrachtung der Kraft- und Energieverhältnisse an einem solchen Spulen-Motor ist übrigens nicht so einfach, wie es scheinen mag.
Mit dem Kraftverlauf in der Spule ist es ja nicht getan - man muss das Ganze ja auch noch mit dem (unsymmetrischen) Kurbeltrieb "verheiraten", wenn man irgendetwas optimieren will.
Wenn es nicht so unübersichtlich wär, dann hätte ich es vielleicht damals schon in Angriff genommen. Es hat zwar keinen nennenswerten praktischen Nutzen, würde aber bestimmt Spaß machen.

Den etwas eckigen Kraftverlauf, den ich damals skizziert hatte, habe ich noch etwas "nachgeschärft" und in eine Tabellenkalkulation eingetragen. Demnach lässt sich mit Polynomen 6. Ordnung eine sehr gute Annäherung erreichen, ob man etwas damit anfangen kann, weiß ich noch nicht.
spule-3.jpg

Grüße aus dem Rheinland
Hans-Gerd
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Re: Eine sehr vorbildgetreue ‚Dampf‘-Straßenwalze

#1808

Beitrag von Georg »

Hallo Hans-Gerd,

warum nimmst Du nicht 4 Spulen über Kreuz angeordnet?
Da wäre doch vom Lochbild der Märklin-Teile her einfacher gewesen.
Ich denke nicht, dass es an der vierten Spule mangelte. ;-)
Grüße
Georg

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Re: Eine sehr vorbildgetreue ‚Dampf‘-Straßenwalze

#1814

Beitrag von Hans-Gerd »

Hallo Georg,

vielen Dank für den Hinweis, aber als ich diesen Drilling vor 20 Jahren gebaut habe, da hatte ich tatsächlich nur 3 Spulen, von denen eine auch noch selbst gemacht war - es ist die Obere mit dem weißen Spulenkörper aus Delrin.

Ansonsten plane ich keinen weiteren Motor dieser Art, sondern versuche nur, die eine oder andere theoretische Betrachtung anzustellen, weil es mich interessiert.

Grüße aus dem Rheinland
Hans-Gerd
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Re: Eine sehr vorbildgetreue ‚Dampf‘-Straßenwalze

#1823

Beitrag von wdh »

Hallo Hans-Gerd,
dein Drilling ist wunderhübsch ausgeführt! Immerhin läuft der von selbst an, oder?
P.S. Jetzt hat es sich gelohnt, dass ich bei Ebay-Angeboten stets darauf geachtet habe, dass z,B. bei gebrauchten 103 / 1013 oder auch 1032 die Spule dabei war!
Die Beschäftigung mit dem Thema Magnetmotoren hat mir soviel Freude gemacht, dass ich neben dem Ausloten verschiedener Konstruktion auch eine Maschine mit 2 doppelt wirkenden Spulen entworfen und gebaut habe :idea: . Die Wirkung ähnelt der einer 2 zylindrigen Dampfmaschine, die aber nur mit 50 % Höchstfüllung betrieben werden kann. Dazu habe ich den gemäß deinen Messungen kräftigsten Bereich zwischen etwa 17 und 5 mm gewählt. Dieser wird für Hin- und Rückweg mit jeweils 90 ° symmetrisch bestromt :idea: . Immerhin ergibt sich so ein sehr gleichmäßiges Drehmoment selbst ohne Schwungrad :-) . Selbstanlauf aus den 4 Totpunkten ist so leider nicht möglich, sehr wohl aber dazwischen.
Die Einschaltdauer ED beider Spulen beträgt somit je Spule 50 %, was einem Effektivwert, der für die Erwärmung maßgeblich ist, von gut 70 % des Spulenstroms entspricht. Die Maschine läuft dauerhaft ab 0,8 A Gesmtstromaufnahme, wozu weniger als 15 V aus dem Märklin-Fahrtrafo ausreichen, um 300 rpm im Leerlauf zu drehen. Mit 24 V rast die Maschine dann richtig los!
Einfach wirkende Zylinder werden bei einem Kurbelradius von 1 Loch (12,7 mm) zweckmäßig für einen Kraftweg von 21 mm (28 -7), entsprechend 135 ° (3 Lamellen des Kollektors) oder auch 80 % "Füllung" eingestellt :idea:
Das möglichst exakte Ausrichten der beiden um 90 ° versetzten Kurbeln insbesondere in Hinblick auf den leichten Rundlauf ist unerlässlich!
Die Märklin-Kurbeln weisen durchaus kleine Fluchtfehler auf und müssen nach Abstecken sehr fest verschraubt werden. Siehe dazu auch ein Foto.
So habe ich auch die äußeren Lagerstützen einstellbar ausgeführt.
Neu sind die einfachen Kreuzkopf-Gleitbahnen, die nur bei Rechtslauf, gesehen von der Schwungradseite wirksam sind! So wird übermäßige Reibung und Verschleiß der Spulenkerne in den Spulen sicher vermieden. Und bitte an ein paar Tropfen Öl denken!
Beim Kollektor habe ich jeweils zwei Segment paarweise verbundenen. Die jeweils 180 °gegenüberliegenden Paare sind verbunden und mit Leitungen zu den beiden Spulen versehen. Der Kollektor sitzt lose auf der Welle und kann mittels Hebel fein eingestellt werden. Das Bürstenschild sitzt ganz außen auf der Kurbelwelle und ist mittels Nocken auf dieser fixiert. Der Märklin - Nocken weist zufällig eine passende Mitnehmer-Bohrung auf :-) , durch die ein kleine Schraube passt. Die Lösung ähnelt der für die Dampfwalze gewählten.
Die angehängten Bilder zeigen den recht einfachen Aufbau. Es wurden ausschließlich Märklin-Teile benutzt.
Die angehängten Skizzen vertiefen noch etwas das Thema und zeigen weitere Möglichkeiten auf.
Vielleicht baut ja doch noch jemand solche oder andere Motoren?

Beste Grüße von
Wulf-Dieter
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Re: Eine sehr vorbildgetreue ‚Dampf‘-Straßenwalze

#1825

Beitrag von Hans-Gerd »

Hallo WDH,

ehrlich gesagt weiß ich nicht mehr, ob mein 3-Zylinder-Motor damals selbst angelaufen ist.
Ich hatte damals 3 Spulen und wollte einfach nur ausprobieren, wie er läuft.

Aber ich finde es interessant, dass Du Dich jetzt auch so intensiv mit diesem Thema beschäftigst;
vielen Dank für die Bilder und Skizzen.

Ich habe auch noch nicht aufgegeben, komme aber nicht gut voran.
Der Kurbeltrieb kann die Kraft ja nur teilweise in Drehmoment umwandeln. Grundsätzlich ist das
eine sinusförmige Abhängigkeit, diese wird aber vom Pleuelstangenverhältnis verbogen und das
Maximum entsprechend verschoben.
Die Kraft hatte ich damals in 5mm-Stufen ermittelt, aber auch der Kolbenweg wird durch das
Pleuelstangenverhältnis beeinflusst.
Und der Einfluss von unterschiedlichen bzw. unterschiedlich eingestellten Stromflusswinkeln
soll ja auch dargestellt werden mit möglichst wenig Eingaben in die Berechnung.
Das alles muss irgendwie zusammengebracht werden.

Insgesamt viel Aufwand für wenig Nutzen und eher eine Beschäftigung für den Winter.
Letztendlich wird man - sofern möglich - eine solche Maschine auf maximale Drehzahl einstellen
oder - wenn das nicht möglich ist - zufrieden sein müssen, dass sie überhaupt läuft.

Jetzt muss ich meinen Nachtrag doch noch etwas umformulieren:
Du schreibt, dass für die Erwärmung der Effektivwert maßgeblich ist. Das ist prinzipiell natürlich
richtig, aber für die Erwärmung ist letztendlich die umgesetzte Leistung maßgeblich.
70% der Spannung multipliziert mit 70% des Stromes ergibt 50% Leistung. Diesen Wert erhält man
ebenso durch Multiplikation von Gleichspannung x Gleichstrom x Einschaltdauer ED.

Grüße aus dem Rheinland
Hans-Gerd
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Re: Eine sehr vorbildgetreue ‚Dampf‘-Straßenwalze

#1831

Beitrag von Hans-Gerd »

Hallo in die Runde,

meine theoretische Betrachtung besagter Märklin-Spule ist soweit erstmal abgeschlossen.

Entstanden ist das Ganze unter folgenden Bedingungen und Annahmen:

- Datengrundlage ist die seinerzeit ermittelte Kraft auf den Spulenkern in Abhängigkeit seiner Position bei einem Strom von 2A,
- betrachtet wird ein System mit einer einzigen Spule,
- der Kurbelradius sei konstant r = 12,7mm (Hub = 25,4mm), die Länge der Pleuelstange l sei variabel,
- die Darstellung der einzelnen Größen erfolgt in Abhängigkeit des Kurbelwinkels α,
- Kern in Spulenmitte (beidseitig gleich großer Überhang) entspricht α = 0°, bei 25,4mm Hub wird α = 180° erreicht,
- Reibungsverluste und Massenträgheitseffekte werden vernachlässigt,
- die Berechnungen erfolgten überwiegend mit APPLE NUMBERS und teilweise auch mit MS EXCEL.


Das vorläufige Ergebnis ist im Diagramm Bild 1 dargestellt.
Es zeigt den Verlauf des Drehmoments in Abhängigkeit des Kurbelwinkels bei einer Pleuelstangenlänge l = 50,8mm (5-Loch-Band).

Bild 1.jpg

Wie zu sehen ist, enthält das Diagramm 2 Kurven, die idealerweise nur eine Kurve sein sollte.
Die blaue Kurve ergibt sich aus der Berechnung der einzelnen Punkte und die rote Kurve ist das zugehörige Näherungspolynom.
Es zeigt gewisse Abweichungen, obwohl es mit maximaler Dezimalstellenzahl von EXCEL ermittelt wurde. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass man solche Polynome stets mit maximal möglicher Stellenzahl (bei EXCEL bis zu 30) berechnen sollte, andernfalls gibt es sehr schnell Ungenauigkeiten, die alles zunichte machen. APPLE NUMBERS kann diese Genauigkeit leider nicht liefern.

Die Rotationsenergie ergibt sich aus der Fläche unter der Kurve gemäß W = Integral (M(α) x d(α)) mit α im Bogenmaß. Da die Darstellung mit Winkelgraden anschaulicher ist, habe ich sie beibehalten, die Berechnung der Energie erfolgt aber im Bogenmaß.
Bei einzelnen Punkten kann die Integration numerisch angenähert werden und liefert zwangsläufig gewisse Abweichungen.
Eleganter, einfacher und i. d. R. auch genauer ist die analytische Integration des Näherungspolynoms - wenn es denn einigermaßen stimmt.

Leider konnte die Betrachtung bislang nur auf eine Pleuelstangenlänge von 50,8mm beschränkt werden. Für andere Längen ist das Näherungspolynom erneut zu berechnen und hierzu fehlt mir momentan der Zugriff auf MS EXCEL. Diesbezüglich wär eine numerische Integration vielleicht flexibler. Werde ich noch probieren.

Mit Hilfe des Integrals kann man die Grenzen für die in Frage kommenden Stromflusswinkel so lange variieren, bis die Fläche unter der Kurve innerhalb dieser Grenzen maximal ist.
Bei 135° (3 Kollektorsegmente) liegt dieser Bereich demnach zwischen 19 und 154° (orange Linien) Kurbelwinkel und bei 90° (2 Segmente) zwischen 30 und 120° (grüne Linien) Kurbelwinkel.
Man sieht auch, dass das Maximum der Drehmomentkurve nicht in der Mitte der jeweiligen Bereiche liegt - wenn mehrere Spulen mit einem Kollektor gesteuert werden sollen, dann wird man u. U. nicht alle Spulen im optimalen Bereich bestromen können.

Auch ein Vergleich der Rotationsenergie mit dem zugehörigen Strom ist möglich.
Bei 135° Stromfluss beträgt die Energie 30,1 Nmm bei einem Stromfluss von 100% (3 Kollektorsegmente).
Bei 90° Stromfluss beträgt die Energie 26 Nmm bei einem Stromfluss von 2/3 x 100% (2 Kollektorsegmente).
Einer Verringerung der Energie um 14% steht eine Abnahme des Stromes um satte 33% gegenüber, was einen besseren Wirkungsgrad ergibt.

Da sich dieses Thema inzwischen ziemlich weit von der ursprünglichen "Dampfwalze" entfernt hat bin ich geneigt, ein separates Thema in einer passenden Kategorie zu öffnen und alles inklusive der Gleichungen nochmal zusammenzustellen. Wie wird das denn allgemein gesehen?

Grüße aus dem Rheinland
Hans-Gerd
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Re: Eine sehr vorbildgetreue ‚Dampf‘-Straßenwalze

#1832

Beitrag von Georg »

Hallo Hans-Gerd,

du schreibst: "- Kern in Spulenmitte (beidseitig gleich großer Überhang) entspricht α = 0°, bei 25,4mm Hub wird α = 180° erreicht".

Üblicherweise wird bei Kolbenmaschinen 0°KW im oberen Totpunkt OT angesetzt und 180° später sind dann der untere Totpunkt UT.

Wenn Du 0° bei halbem Kolbenhub annimmst (was nicht 90° KW sind) wäre der Koben (bei Dir der Spulenkern) nach 180° wieder irgendwo fast in der Mitte der Spule, aber etwas tiefer als bei 0°.
Das Diagramm sieht für mich auch eher aus, als ob bei 0° KW der Kolben/Spulenkern im OT wäre und dann bei 180° im UT.
Halber Hub ist nicht gleich zu setzen mit einer halben Umdrehung (90°) der Kurbelwelle.

Ich weiß nicht. wie exakt Du damals die Kräfte gemessen hattest. Aber wir reden hier hier von Spielzeug mit relativ großen Toleranzen. Von daher würde ich die beiden Kurven als gleich ansehen. Eine Spule oder ein Kern aus einer anderen Fertigungscharge bringt wahrscheinlich größere Abweichungen im Kurvenverlauf.

Ich habe für mich aus Deinen Ausführungen gelesen, dass eine Stromzufuhr aus zwei Segmenten ausreicht und ein drittes Segment nur etwas mehr bringt, aber nicht die erwarteten (von 2 auf 3) 50% mehr.

Danke für diese theoretischen Betrachtungen! .I
Grüße
Georg

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Norbert Germany
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Re: Eine sehr vorbildgetreue ‚Dampf‘-Straßenwalze

#1833

Beitrag von Norbert »

.
Hallo Hans-Gerd,

vielen Dank für Deine ausführlichen Untersuchungen und die Präsentation der ermittelten Ergebnisse, die zweifellos plausibel sind und eine für praktische Verhältnisse ausreichende qualitative Beurteilung der Spulenwirkung in Abhängigkeit vom Stromflußwinkel und seiner Lage, bezogen auf die Kolbenstellung bzw. den Drehwinkel der Kurbelwelle (KW), erlauben.

Mir stellen sich derzeit folgende Fragen:
  • welche Unterschiede zeigt ein Betrieb der Spule mit AC im Vergleich zum DC-Betrieb
  • wie breit ist die zu erwartende Streuung der Spuleneigenschaften bei Verwendung mehrerer Exemplare

Gerne würde ich die Beantwortung übernehmen, aber aktuell habe ich wegen anderer 'Baustellen' leider keine Zeit dazu.

Als Meßverfahren stelle ich mir einen einfachen Aufbau vor, bei dem die Kraft auf den mit 2 mm oder 5 mm Strichen versehenen Spulenkern durch eine Federwaage gemessen wird: man läßt einen bestimmten Strom durch die Spule fließen, zieht an der Federwaage und notiert die an den jeweiligen Strichmarken angezeigte Kraft.

Bei AC-Betrieb ist lästig, daß der Strom nachgeregelt werden muß. Man kann ihn aber auch bei gleichbleibender Spannung ebenfalls messen und so die eingespeiste Leistung ermitteln. Für den praktischen Betrieb (= konstante Spannung) müßten sich so noch realistischere Leistungs- und Energiewerte ermitteln lassen.

Die Approximation des aus den Messungen ermittelten Mittelwerts oder der 1-Sigma-Kurven durch ein Polynom höherer Ordnung wird immer die von Dir geschilderten Genauigkeitsprobleme zeigen. Aus diesem Grund schlage ich vor, Spline-Funktionen 3. Ordnung zu verwenden, die sich zwar von Abschnitt zu Abschnitt ändern, aber meiner Erinnerung nach deutlich 'gutmütiger' sind.

Deine abschließende Frage
Wie wird das denn allgemein gesehen?

kann ich zwar nicht beantworten, aber ich fände es gut und ermuntere Dich ausdrücklich dazu, diese Zusammenstellung hier zu veröffentlichen.

Gruß
Norbert
.
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Re: Eine sehr vorbildgetreue ‚Dampf‘-Straßenwalze

#1834

Beitrag von Hans-Gerd »

Hallo Georg, Norbert,

- Das Diagramm sieht für mich auch eher aus, als ob bei 0° KW der Kolben/Spulenkern im OT wäre und dann bei 180° im UT.
- Halber Hub ist nicht gleich zu setzen mit einer halben Umdrehung (90°) der Kurbelwelle.

Ja, das ist auch so gemeint - Kern in Spulenmitte bedeutet OT. Da der Kern etwa 10mm länger ist, als der Spulenkörper, ragt er in dieser Position idealerweise beidseitig jeweils 5mm heraus.
Dass ein halber Hub nicht gleich 90° ist, wurde bei der Betrachtung berücksichtigt. Insofern hätte ich gern noch einen Vergleich mit einer sehr langen Pleuelstange gezeigt, kann das Näherungspolynom derzeit aber nicht genau genug berechnen, weil ich keinen Zugriff auf EXCEL habe. NUMBERS rechnet nur mit 15 Stellen und das reicht offenbar nicht aus.
Aber vielleicht könnte es jemand für mich machen? ich würde dann eine entsprechende Wertetabelle erstellen - aber erst heute Abend.

Wie genau ich die Kräfte damals messen konnte, weiß ich nicht. Und Du hast völlig recht - es handelt sich um ein Spielzeug mit einer großen Streuung, aber die Tendenz wird vermutlich grundsätzlich erhalten bleiben und sich allenfalls Werte ändern.

Es ist richtig, dass das 3. Kollektorsegment nur noch unterproportional zur Rotationsenergie beiträgt - das liegt an den kleinflächigen Randbereichen und war auch in etwa zu erwarten.

@ Norbert:
Momentan habe ich nicht viel Zeit und werde später noch darauf eingehen.

Gruß
Hans-Gerd
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Re: Eine sehr vorbildgetreue ‚Dampf‘-Straßenwalze

#1835

Beitrag von Georg »

Hallo Hans-Gerd,
danke, alles klar. Ich hatte mich mit Deiner Festlegung vom OT vertan.
Grüße
Georg

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Re: Eine sehr vorbildgetreue ‚Dampf‘-Straßenwalze

#1836

Beitrag von usknw »

Hallo
ich vermisse etwas die Angaben zur Erwärmung der Spulen. Bereits 1A über längere Zeit halte ich für nicht praktikabel, da sie dann manchmal schon die Drahtfarbe ändert.
Im Hessenpark haben eine Schaukel und ein Schaukelpferd im Dauerbetrieb recht schnell Spulentemperaturen erreicht, die Abkühlpausen erforderten.
Und die Kabel mit 0,14mm2 werden schon bei 1,5A auch unangenehm warm; beim Kurzschluß eines Titantrafos, der stärker als der Märklintrafo ist wird die Kabelisolierung schon weich...
Man sollte mE das bei den Versuchen berücksichtigen, um das Modell dann auch sinnvoll ohne Schaden arbeiten zu lassen.
Gruß

Uwe aus 67433 NW
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Re: Eine sehr vorbildgetreue ‚Dampf‘-Straßenwalze

#1837

Beitrag von Hans-Gerd »

Hallo Norbert, Uwe,


> welche Unterschiede zeigt ein Betrieb der Spule mit AC im Vergleich zum DC-Betrieb
> wie breit ist die zu erwartende Streuung der Spuleneigenschaften bei Verwendung mehrerer Exemplare.

Interessante Fragen, deren Beantwortung ich tatsächlich gern Dir überlassen würde :-)
Wenn ich mich nicht an die Messung von damals erinnert hätte, dann hätte ich dieses Thema wahrscheinlich nie wieder aufgegriffen. Deshalb möchte ich es ehrlich gesagt auch nicht noch weiter vertiefen.

Mit den Näherungspolynomen ist das so eine Sache.
In NUMBERS und auch in EXCEL werden sie als "Trendlinien" bezeichnet und sind bis zum 6. Grad möglich - an sich eine einfache Angelegenheit, aber es ist halt nur eine Annäherung.

Mit einer Spline-Interpolation wäre es vermutlich genauer.
Allerdings bin ich mit EXCEL und Co. bei weitem nicht so vertraut beurteilen zu können, ob eine solche stückweise Annäherung möglich ist, wie es ggfs. funktioniert und mit welchem Aufwand das verbunden ist.
Da sich andererseits die Ungenauigkeit der Trendlinie offenbar hauptsächlich im unteren (und eher uninteressanten) Bereich bemerkbar macht, würde ich mich mit dem Status qou zufrieden geben.


@ Uwe:
Die Erwärmung der Spulen ist grundsätzlich ein Problem, aber ein solcher Motor wird in den seltensten Fällen eine "Dauerlaufmaschine" sein, sondern eher der Demonstration dienen.

Der Spulenstrom von in diesem Beispiel 2A wird bei einem solchen Motor in der Regel über maximal 3 Kollektorsegmente geliefert - mehr macht erstmal keinen Sinn. 3 von 8 Segmenten pro Umdrehung entsprechen 37,5% - der Mittelwert des Stroms beträgt also nur 0,75A.


Grüße aus dem Rheinland
Hans-Gerd
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Norbert Germany
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Re: Eine sehr vorbildgetreue ‚Dampf‘-Straßenwalze

#1838

Beitrag von Norbert »

.
Hallo Hans-Gerd,
Interessante Fragen, deren Beantwortung ich tatsächlich gern Dir überlassen würde
Ich werde versuchen, mich daran zu erinnern, wenn ich mal mehr Zeit haben werde.
Deshalb möchte ich es ehrlich gesagt auch nicht noch weiter vertiefen.
Das kann ich gut verstehen, denn es ist ein sehr spezielles Thema.

Für die davon 'Angefressenen' vielleicht trotzdem interessant. Deshalb die folgenden Zeilen.

Vorhin habe ich in alten Unterlagen nachgeschaut und ein 1985 selbst geschriebenes HP-Basic Programm zur Nullstellensuche bei Polynomen gefunden, das nach einer Abhandlung von E.H. Bareiss in Ralston/Wilf, Mathematical Methods for Digital Computers, 1966, programmiert wurde. Der Autor stellte dem Artikel folgendes, hier von mir übersetztes Zitat von J. H. Wilkinson (1963) voraus:

Die Tendenz, Schwierigkeiten, die beim Arbeiten mit allgemeinen Polynomen auftauchen zu unterschätzen, ist möglicherweise die Folge eigener Erfahrungen mit der klassischen Analysis. Da ist es selbstverständlich, ein Polynom als eine sehr wünschenswerte Funktion zu betrachten, da sie in jedem endlichen Bereich begrenzt ist und Ableitungen jeglicher Ordnung besitzt. In der Numerik jedoch haben Polynome Koeffizienten, die mehr oder wenig beliebig sind und es ist mühsam, in automatischen Prozeduren mit ihnen umzugehen.

Vor 60 Jahren waren die Computer Welten von den Leistungen heutiger Maschinen entfernt und es war nachgerade zwingend erforderlich ausgefeilte Rechenverfahren zu finden, die mit den nach heutigen Maßstäben dürftigen Ressourcen in endlicher Zeit valuable Ergebnisse zu erzielen vermochten. Nachstehend das Flußdiagramm der RSSR (=Root-Squaring an Sub-Resultant) genannten Berechnungsmethode. Die Umsetzung in HP-Basic erfordert ca. 330 Zeilen.
.
RSSR Flußdiagramm.jpg
Flußdiagramm der RSSR Routine

Gerade bei Polynomberechnungen treten Differenzen sehr kleiner, fast gleich großer Zahlen auf, was bei ungenügender Stellenzahl zur Auslöschung wichtiger Informationen führt oder gar als Null interpretiert wird. Deshalb gab es schon beim klassischen FORTRAN die Option, Ergebnisse mit DOUBLE PRECISION berechnen zu können, was deutlich mehr Rechenzeit erforderte. Diese Gesetzmäßigkeiten gelten natürlich auch heute noch, so daß Deine Forderung, Hans-Gerd, nach hoher Stellenzahl nachvollziehbar ist.

Dagegen basiert die Ermittlung von Meßpunkt-Zwischenwerten durch eine Spline-Funktion auf der Annahme, daß sich die Punkte durch ein biegsames Kurvenlineal verbinden lassen, was bei nicht abrupten Vorgängen fast immer möglich ist. Die Koeffizienten der abschnittsweise gültigen Polynome 3. Ordnung werden gemäß der Bedingungen ermittelt, daß die Kurven an den Meßpunkten stetig und mit gleicher Steigung ineinander übergehen. Ein entsprechendes Programm aus gleicher Zeit hat ca. 50 Zeilen:
.
SPLINE-Funktion HP-Basic.png
.
Eine Realisierung mit EXCEL oder NUMBERS dürfte daher nicht allzu aufwendig sein.

Die Frage ist aber, ob es sich lohnt wegen der zu ewartenden marginalen Verbesserungen einen solchen Aufwand zu betreiben.
Schaun mer mal.

Gruß
Norbert
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