Die Motoren der Modellbahnloks - Teil: 1 -
     


Die Motoren der Modellbahnloks



Funktionsprinzip eines Elektromotors
Bevor wir uns mit den einzelnen Modellbahnlokmotoren näher beschäftigen, wollen wir uns zuerst mal allgemein die Funktionsweise eines Elektromotors ansehen.
Elektromotore funktionieren nach dem elektromagnetischen Prinzip. Wenn eine Leitung von elektrischem Strom durchflossen wird, bildet sich um diese Leitung ein magnetisches Feld. Dieser Effekt kann ausprobiert werden, indem man einen leichten Magneten (wie z.B. einer Kompassnadel) neben ein stromdurchflossenes Kabel legt (bei Gleichstrom). Der Magnet richtet sich entsprechend aus.
Dieses Magnetfeld kann verstärkt werden, wenn um den Leiter Draht gewickelt wird und somit eine Spule entsteht. Es bildet sich dann an einem Ende ein magnetischer Nordpol, am anderen ein magnetischer Südpol aus.
Wenn eine Spule einen Eisenkern besitzt, verstärkt sich das Magnetfeld gegenüber einer luftgefüllten Spule. Eine Spule mit einem Eisenkern bezeichnet man auch als Elektromagnet --> zum Funktionsprinzip
Elektromagnete kommen auf der Modellbahn vor allem bei Weichenantrieben, elektromagnetischen Entkupplungsgleisen und und bei Signalen zum Einsatz.

Die Wirkungsweise eines Elektromotors ist physikalisch einfach.

Ungleichnamige Pole zweier Magnete ziehen sich an, gleichnamige stoßen sich ab. Dies ist allgemeines Wissen aus der Physik. Wird nun ein Elektromagnet frei drehbar in das Magnetfeld eines Dauermagneten (Permamagnet) gelagert, kann sich der Elektromagnet, je nach Polung des von ihm erzeugten eigenen Magnetfelds, in die eine Richtung oder andere Richtung drehen. Diese Drehung geht jedoch maximal so weit, bis die Spule im Magnetfeld des Dauermagneten ausgerichtet ist.
Um eine volle Drehung zu erreichen, muss in dieser Stellung das Magnetfeld des Elektromagneten umgepolt werden. Dies wird erreicht, indem der Stromfluss in der Spule umkehrt wird. Dazu ist auf derselben Achse des Elektromagneten ein Kollektor angebracht.
Der Kollektor ist ein Schleifring, der die Ankerspule mit Strom versorgt. Der Schleifring ist in zwei Teile aufgeteilt. Die beiden Teile sind untereinander isoliert.
Durch angebrachte Schleifkontakte (Kohlebürsten), wird die Versorgungsspannung übertragen. Beim Drehen des Elektromagneten bzw. des Kollektors wechselt ständig die Stromrichtung in der Ankerspule (je nach Winkelstellung des Kollektors). Dadurch wird ständig die Polung zum Dauermagneten gewechselt und es entsteht durch die immer wieder auftretenden Anziehungskräfte eine Drehbewegung.

Als Bauformen für den Kollektor sind der Trommelkollektor und der Scheibenkollektor gebräuchlich. Deshalb auch die Namensgebung der entsprechenden Motoren.

Beim Trommelkollektormotor wird der Kollektor als Trommel oder Dosenform, beim Scheibenkollektormotor wird der Kollektor als Scheibe ausgeführt. Näheres dann bei den jeweiligen Motorbeschreibungen.
Nachfolgend ist die Wirkungsweise eines Gleichstrom-Elektromotors zu sehen.

Funktionsprinzip
Das Bild stammt von der Homepage - www.der-moba.de - zum Link
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Sehen wir uns mal die einzelnen Teile eines Elektromotors mit der jeweiligen Bezeichnung an:

Funktionsprinzip      Funktionsprinzip
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Man unterscheidet bei den Elektromotoren weiter zwischen

- Scheibenkollektormotor
- Trommelkollektormotor

Der Unterschied zwischen diesen beiden Motorarten ist relativ einfach. Man muss sich nur die Kohlebürsten ansehen. Wenn die Kohlebürstengehäuse wie Stecknadeln aus dem Motorgehäuse herausragen, handelt es sich um einen Scheibenkollektormotor. Sind die Kohlebürstenhalter dagegen tangential zum Motorgehäuse bzw. zur Motorwelle angeordnet sind, so handelt es sich um einen Trommelkollektormotor.

Unterschied Trommelkollektor/Scheibenkollektor
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Die Modellbahnmotorbauarten
Das nachfolgende Bild stellt die häufigsten Modellbahnmotorenbauarten dar. Eine der bedeutensten Hersteller von Kleinmotoren (Gleichstrom) ist Mabuchi. Diese Motoren sind auch in einer Vielzahl von Modellbahnloks enthalten.

Tabelle
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Der Wechselstrommotor bzw. Allstrommotor
Der Wechselstrommotor wird bei der Modelleisenbahn heute nur noch beim sog. Märklinsystem angewandt (Dreileitersystem Wechselstrom). Dieser Motor kann aber nicht nur mit Wechselstrom, sondern auch mit Gleichstrom betrieben werden. Deshalb wird dieser Motor auch als Allstrommotor bezeichnet.

Eine kurze Bemerkung zum Mittelleiterprinzip:
Das Mittelleiterprinzip von Märklin (übrigens auch bei Trix-Express) hat den Vorteil einer besseren Festlegung der Zuleitungsgeometrie und ist unabhängig davon, ob analog mit Gleichstrom, Wechselstrom oder digital mit Gleichstrom gefahren wird (bei letzterem mit aufmodulierten Datentelegrammen). Das Mittelleitergleis verfügt über den Vorteil der geometrischen Symmetrie, bezogen auf die Längsachse des Gleises. Nur mit diesem Prinzip sind die im Großbetrieb immer wieder vorkommenden Gleisgeometrien - Kehrschleife und Gleisdreieck - ohne sehr aufwändige Kunstschaltungen möglich. Beim weit verbreiteten Zweileitergleis gibt es bei diesen Gleisfiguren ohne weitere Vorkehrungen erst mal einen Kurzschluss. Im Übrigen entspricht das Prinzip "Hinleitung = separate Stromschiene, Rückleitung = beide Schienen" dem großen Vorbild aller elektrischen Bahnen. Hierbei ist der "Hinleiter" (wiederum unabhängig vom im jeweiligen Land verwendeten Stromsystem!) entweder die (mittig angeordnete) Oberleitung oder eine seitlich angebrachte dritte Schiene, die Stromschiene.

Sehen wir uns nun solche Allstrommotoren bzw. Wechselstrommotoren an.
Der Allstrommotor, der sowohl mit Gleich- oder Wechselstrom betrieben werden kann, besteht aus folgenden Teilen:
    - Dem Eisenkern, auf den eine Feldspule mit Mittelanzapfung gewickelt ist. Die Wicklung der Feldspule besteht aus Kupferlackdraht. Der hauchdünne Lacküberzug des Drahtes sorgt für eine elektrische Trennung der Drähte untereinander.

    Allstrommotor - Feldspule
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    - Dem drehbaren Anker mit den gewickelten Spulen, der sich zwischen den Polschuhen des Eisenkerns befindet. Die Spule des Ankers wird dann magnetisch, wenn durch die Feldspule Strom fließt. Der Anker und die Feldspule sind hintereinandergeschaltet. Man nennt dies einen Reihenschlussmotor, so dass die Mittelanzapfung der Feldspule mit einem Ende der drehbaren Ankerwicklung verbunden ist.

    Allstrommotor - Anker
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    - den Fahrtrichtungsschalter, wird auch Umschaltrelais genannt,

    Allstrommotor - Umschaltrelais
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Die Funktionsweise des Allstrommotors
Die Drehrichtung des Motors ist davon abhängig, wie die Magnetfeldrichtung (Nord- und Südpol) des Ankers zur Magnetfeldrichtung der Feldspule steht. Wird die Betriebsspannung bei dem Motor umgepolt, so wird der bisherige Nordpol zum Südpol und der bisherige Südpol zum Nordpol und zwar zeitgleich im Anker und in der Feldspule. Die Ankerwicklung dreht sich also in einem magnetischen Wechselfeld, das seine Polung (wegen der Reihenschaltung von Ankerwicklung und Feldspule) im selben Takt ändert, wie sich die Stromrichtung in der Ankerwicklung ändert. Die Drehrichtung bleibt somit immer gleich, wodurch dieser Motor sowohl mit Wechsel- als auch mit Gleichstrom gleichermaßen gut läuft.
Durch das Umpolen der Feldspule (hier kommt das Fahrtrichtungsrelais zum Einsatz) erfolgt die Umkehr der Drehrichtung. Der Strom wird hierbei entweder der einen oder der andern Feldspulenhälfte zugeführt, die sich zur Mittelanzapfung gegensinnig verhalten. Auch die Magnetfelder der beiden Feldspulenhälften verhalten sich gegensätzlich, so dass auch die Relation zwischen dem Magnetfeld der Feldspule und dem der Ankerwicklung wechselt. Die Umschaltung (zwischen den Feldspulenhälften) übernimmt das sog. 24-V-Relais Stromstoßrelais, das sich ebenfalls in der Lokomotive befindet. Märklin Trafos besitzen deshalb einen sog. Stromstoßschalter. Dieser wird entweder ausgelöst durch das Drücken des Fahrreglers oder durch ein starkes Lonkdrehen des Fahrreglers bei der Stellung "0".

Die Drehrichtungsumkehr wird entweder nur im Anker oder nur in der Feldspule vollzogen, dadurch wird die Stromrichtung geändert. Bei Märklinmotoren ist dazu die Feldspule um den Strator (U-förmig) zweidrähtig gewickelt, so dass tatsächlich zwei Feldspulen vorhanden sind. Mit dem ständig wechselnden Magnetfeld sorgt der Anker für seine Rotation, da die Magnetfelder sich vom Statormagnetfeld abstoßen. Mit den zwei gegenläufige Wicklungen des Stators, kann mit jeder Wicklung eine andere Drehrichtung des Ankers bestimmen werden. Damit die Fahrtrichtung geändert werden kann, benötigt man - wie bereits erwähnt einen "Fahrtrichtungsumschalter". Der "Fahrtrichtungsschalter" in Märklin-Loks ist technisch ein bistabiles Stromstoßrelais, dass mit einer Überspannung von ca. 24 V betrieben wird.

Die Firma Märklin baute diesen Allstrommotor bis zur Einführung des Digitalsystems als sog. Reihenschlussmotoren in ihre Loks ein. Bei einem Reihenschlussmotor werden die Läufer- und die Ständerspulen (Feldspule und Anker) elektrisch hintereinander an derselben Stromquelle betrieben. Der zeitliche Verlauf des Stroms durch Ständer- und Läuferspule ist daher identisch. Somit wird motorintern eine Rückkopplung des Läuferstroms zum Ständerstrom verwirklicht, was das Laufverhalten erheblich beeinträchtigt.
Bei dem Wechselstrommotor oder Allstrommotor wird somit der Dauermagnet (auch Permanentmagnet genannt) durch eine Feldspule ersetzt.

Wechselstrommotor     Märklinmotor
Link zu www.modellbau-wiki.de

Weitere Informationen zum Märklin Motor gibt es unter "Märklin-Motoren"





Die Gleichstrommotoren
    Gleichstrommotoren besitzen in der Regel einen Permanentmagneten anstatt einer Feldspule. Ferner besitzt er einen Anker mit drehbarer Spule. Der Permanentmagnet (Dauermagnet) erzeugt dabei ein konstantes magnetisches Feld. Zwischen seinen Polschuhen befindet sich der drehbare Anker mit der darauf gewickelten Spule. Der Ankerkörper besteht aus einem Blechpaket. Fließt nun der Strom über die Kohlebürste und den Kollektor durch die Spulenwicklung des Ankers, so baut sich dort ein Magnetfeld auf. Abhängig von der Stromrichtung wird dabei der eine Ankerkopf zum positiv- und der andere zum negativ geladen Dauermagneten gezogen. Da sich gleiche Polungen abstoßen und ungleiche anziehen, dreht sich der Anker im Feld des Dauermagneten solange, bis sich z.B. der Pluspol des Permanentmagneten und der Minuspol der Ankerwicklung gegenüberstehen. Der Anker würde nun in dieser Stellung verweilen, wenn nicht der Kollektor in diesem Moment die Ankerwicklung umpolt und dadurch den bisherigen Minuspol der Spule auf Pluspol umpolt. Der Motor kann dadurch kontinuierlich drehen. Durch Vertauschen der Polarität der anliegenden Gleichspannung ändert sich die Drehrichtung des Motors. Die Gleichstrom-Lokmotoren haben zur besseren Überwindung dieses toten Punktes in der Regel einen mehrpoligen Ankerr (meist dreipolig oder fünfpolig). Nachstehend ist die Animation eines zweipoligen Gleichstrommotors zu sehen. Das Bild habe ich von der Homepage des Gymnasiums Donauwörth und es zeigt eindrucksvoll die Wirkungsweise.

    Animation-Gleichstrommotor
    Bild stammt von service.projektlabor.tu-berlin.de
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    Gleichstrommotor          Bestandteile-Gleichstrommotor
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    Gleichstrommotor    
    Bild stammt von www.modellbau-wiki.de - zum Link
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    Das Anschlussschema von Gleichstrommotoren ist einfach. Beschäftigen wir uns zuerst mal mit den Motoren die auf das Zweileitergleichstromnetz ausgelegt sind. Das nachfolgende Schema verdeutlicht den analogen Anschluss innerhalb der Lok.

    Gleichstrommotor
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    Diese Gleichstromschaltungen findet man bei Lima, Roco, Piko, Fleischmann etc.

    Beim ehemaligen Hersteller Trix-Express findet man das Dreileitergleichstromprinzip. Dieses Prinzip besteht darin, dass der Mittelleiter der Stromführende Leiter ist und die beiden Gleise den Minus oder der Pluspol abgeben, je nach Trafostellung. Sehen wir uns hier mal das Anschlussscheme an:

    Gleichstrommotor
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Die Motorkollektoren
Der Kollektor ist ein wichtiger Bestandteil des Elektromotors, da er für die Umpolungen der Ankerwicklungen verantwortlich zeichnet. Ohne einen Kollektor könnte sich weder ein Allstrommotor noch ein Gleichstrommotor drehen. Deshalb ist es interessant sich mal mit den Motorkollektoren zu beschäftigen, da diese auch regelmäßig gereinigt werden sollten.

Der Scheibenkollektormotor
Als erstes nehmen wir uns den Scheibenkollektormotor vor. Dieser Kollektor ist, wie der Name schon sagt scheibenförmig ausgebildet. Der Scheibenkollektormotor war in den älteren Lokmodellen weit verbreitet. Dieser Motor wurde z.B. bei Märklin-Loks bis zum Jahre 1971 eingebaut. Somit kann man den Scheibenkollektormotor getrost als den ältesten Kollektortyp benennen. Eine Scheibenkollektor kann sehr schnell erkannt werden, da die die sog. Schleifkohlen auf den Stirnseiten der Motoren zu erkennen sind. Der Vorteil des Scheibenkollektor ist, dass er im Gegensatz zum Trommelkollektor nur wenig Platz verbraucht und die Motoren relativ "kurz" gehalten werden können.
Die scheibenförmige Fläche des Kollektors ist in drei Segmente aufgeteilt. Damit die Verschmutzung des Kollektors sich in Grenzen hält wird vielfach zur Stromübertragung mit einer Kohle und einer Bürste gearbeitet. Die Schleifkohle besteht aus Graphit oder Kohle, während die Bürste aus Kupferdraht gefertigt ist. Auch bei Märklin Allstrommotoren findet man diese Anordnung.

Scheibenkollektormotor     Bürste und Kohle
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Es gibt Scheibenkollektormotoren die als Allstrommotoren ausgebildet sind (siehe Märklin). Es gibt aber auch Scheibenkollektormotoren die mit Gleichstrom betrieben werden. So hat die Firma Lima in ihren Modellen überwiegend Scheibenkollektormotoren eingebaut. Der Vorteil dieser Motorenart ist die schmale Ausführung. Diese Motore können somit in die Drehgestelle von Elektroloks bzw. Dieselloks ohne Probleme eingebaut werden. Lima hat bei allen bekannten Elektroloks und Dieselloks diese Motoren in die Drehgestelle eingebaut.

Lima Scheibenkollektor
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Der Trommelkollektormotor
Der Trommelkollektormotor ist wie der Name schon sagt trommelförmig. Die englische Abkürzung für den Trommelkollektormotor lautet DCM = drum collector motor. Der Trommelkollektormotor hat mittlerweile den Scheibenkollektormotor ersetzt. Der Trommelkollektormotor ist allerdings in der Regel länger als der Scheibenkollektormotor.
Beim Trommelkollektormotor ist der Kollektor walzenförmig ausgebildet. Die Kohlebürstenhalterungen sitzen demensprechend tangential am Motorgehäuse. Die meisten Trommelkollektormotoren sind Gleichstrommotoren. Es gibt aber von diesem Typ auch Wechselstrommotoren, die auch in Märklin Loks Einzug gehalten haben (siehe Bild).

Trommelkollektor für Wechselstrom      Trommelkollektor von Trix-Gleichstrom      Trix-Perma-Motor
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Der Glockenankermotor
Eine Sonderform des Gleichstrommotors stellt der eisenlose Glockenankermotor dar. Er ist besser unter der Bezeichnung Faulhaber-Motor (nach dem Erfinder Dr. Faulhaber) bekannt. Der Glockenankermotor begann ab dem Jahre 1980 im Modelleisenbahnbau Fuß zu fassen und hat sich mittlerweile voll etabliert. Funktion und Schaltung entsprechen dem oben beschriebenen Gleichstrommotor; allerdings ist der Aufbau völlig anders.
Der sich drehende Anker des Motors besteht nicht aus Kupferdraht, der um die Pole eines Eisenkerns gewickelt wird, sondern aus einer Spule ohne tragendes Gerüst, die durch eine Kunstharz-Tränkung in Form gehalten wird. Die Spule sitzt in Form eines Bechers oder einer Glocke zusammen mit dem Kollektor auf der Antriebswelle. Bei diesem glockenförmigen Anker gibt es beim Rotor somit keinen Eisenkern, Innerhalb dieses rotierenden Bechers befindet sich der sehr starke zylindrische Permanentmagnet. Der Permanentmagnet besteht aus dem Magnetwerkstoff Neodym-Eisen-Bor (mit dem Seltenerd-Metall Neodym) Er ist Teil des Stators und ragt in das Innere der Spule hinein.

Die Stromübertragung erfolgt mittels Goldbürsten, die nur eine geringe Bremswirkung für den Rotor darstellen. Der Wirkungsgrad des Glockenankermotors liegt zwischen 57 bis 86 %. Die Reibung ist so klein, dass beim Drehen des Motors er einige Umdrehungen macht bis er ausläuft. Eine kleine Schwungmasse stellt dabei schon einen großen Energiespeicher dar, da dieser Motor die kinetische Energie (Bewegungsenergie) beim Ausrollen des Fahrzeuges nicht selber verbraucht. Die Lok rollt dadurch sanft aus.

Durch den eisenlosen Aufbau des Rotors bildet der Motor kein Rastmoment aus. Er dreht somit vollkommen frei. Da im Gegensatz zu allen anderen Elektromotoren im Betrieb keine Eisenteile ummagnetisiert werden müssen, ist dieser Motor frei von Eisenverlusten und erreicht bei hohen Drehzahlen höhere Wirkungsgrade. Insbesondere sein Rotations-Trägheitsmoment ist wesentlich geringer, weshalb damit hochdynamische, leichte Antriebe realisiert werden können. Insbesondere bei Lilliput-Lokmodellen und auch der Egger-Modellbahn ist dieser Motor eingebaut und fährt völlig ruckfrei und auch langsam.
Ein Nachteil besteht aber: Reparaturen an diesem Motortyp sind nur schwer möglich, da er gekapselt ist.

Der Motor besitzt allerdings einen sehr guten Wirkungsgrad. Zudem ist sehr zuverlässig. Insbesondere im Digitalbetrieb kann er seine Vorteile voll zur Geltung bringen.

Die Glockenankermotoren sind für die unterschiedlichsten Spannungen (ab 3 V) lieferbar. Bei H0-Loks finden hauptsächlich Typen mit einer Nennspannung von 12 V Verwendung, deren Stromaufnahme typabhängig zwischen 90 bis 300 mA liegt. Der Gleichstromwiderstand beträgt dabei 10 bis 120 Ohm. Da Glockenankermotoren mit mechanischen Schwungscheiben auf den normalen Heimanlagen einen fast schon zu langen Auslauf haben und über den stromlosen Haltebereich vor einem Signal hinausaus rollen könnnen (wenn keine Wagen angehängt sind), empfiehlt sich der Einbau einer elektronische Bremse.

Da der Motor im verhältnis zu den anderen Motoren teuer ist, wird er in der Regel bei den Modellbahnherstellern nur bei teueren und großen Loks eingebaut. Bei älteren Motoren ist er selbstverständlich auch nicht zu finden.

Glockenankermotor
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Der C-Sinus-Motor
Der C-Sinus Motor ist derzeit die modernste Gattung der Lokmodellmotoren. Dieser wird besonders bei den teuren Modellen verbaut.
Der C-Sinus Motor besitzt in Gegensatz zu den anderen Motoren keinen Kollektor mehr. Er arbeitet nach dem Prinzip der Synchronmotoren. Ein durch mehrere Spulen erzeugtes rotierendes Magnetfeld nimmt den Rotor mit. Die Elektronik erzeugt in den 9 Spulen somit ein rotierendes Magnetfeld, das die Glocke mitnimmt. Eine Ansteuerelektronik, die meistens im Digitaldecoder enthalten ist, steuert die Statorspulen so an, dass sich ein rotierendes äußeres Magnetfeld ergibt, dem der Rotor folgt.

Der Vorteil:
Es werden keine Kohlen zur Stromübertragung benötigt und der Motor ist wartungsfrei.
Eine glänzende Metallglocke ist das Kennzeichen eines derartigen Motor.

Beim bürstenlosen Motor besteht der Läufer aus einem Permanentmagneten. Die Statorspulen werden von einer Elektronik im Kreis angesteuert. Unter der sog. Glocke befinden sich 9 Stratorspulen, die fest montiert sind. Die Glocke selbst ist, wie bereits gesagt, ein Dauermagnet und besitzt 12 Pole. Da es keine elektrische Verbindung zur Spule gibt, benötigt man auch keine Kohlebürsten und Federn. Es gibt auch keinen Kollektor mehr.

Sinus-C-Motor        Glockenankermotor
Das Animationsbild stammt von der Homepage - www.der-moba.de -
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Die Voraussetzungen für ein gutes Fahrverhalten - die Mechanik -
Das wichtigste Teil einer Modellbahnlok ist natürlich der Motor, denn ohne ihn kann sie eben nicht fahren. Genauso wichtig sind aber noch andere Komponenten in der Modellbahnlok und hier ist insbesondere das Getriebe zu nennen. Erst das Getriebe ermöglicht die abgestimmte Kraftübertragung vom Motor zu den Rädern. Durch die Technik ist es heute auch bei "billigen" Loks wirtschaftlich möglich, eine hohe Präzision in der Nachbildung des äußeren Erscheinungsbildes der Vorbilder zu erhalten.
Leider mangelt es aber oft - insbesondere bei den billigen Loks - an der ordentlichen Ausbildung bzw Konstruktion der Laufwerke und der Antriebsanlagen (leider aber nicht nur bei billigen Loks). Manche Hersteller glauben, dass eine gute Elektrik einen mechanischen Mangel beim Getriebe ausgleichen kann. Dies ist ein Irrtum, der sich schnell beim Betrieb der Lok herausstellt. Modellbahnhersteller kommen und kamen auch deshalb in finanzielle Schwierigkeiten (Lima, Arnold, Märklin etc.) weil sie diesem Irrglauben folgten und durch Einsparungen beim Getriebe und den Motoren größere Gewinnmargen erzielen wollten.
Um einen zumindest befriedigenden Betrieb (auch im Langsamfahrbereich) zu erhalten, sollten die angetriebenen Fahrzeuge folgende Kriterien erfüllen.

Das Fahrwerk
Ein gut durchkonstruiertes Fahrwerk sollte folgende Eigenschaften aufweisen:
— Radsätze mit ausreichendem individuellen Seiten- und Höhenspiel
— frei einstellbare Drehgestelle (bei vierachsigen Wagen) die auch den Wagen sauber im Gleis führen.
- Trennung von Trag- und Führungsfunktion am Drehzapfen
— möglichst große Achsabstände
— niedriger Schwerpunkt und gleichmäßige Gewichtsverteilung
— Allrad-Stromabnahme
— Antrieb aller vom Vorbild her vorgegebenen Treibachsen mit möglichst wenig Haftreifen.

Der Antrieb bzw das Getriebe

— schnell laufender, in der Leistung dem Modell angepasster Motor mit höherer Drehzahl, aber ohne magnetische Hemmung (schräge Ankernutung oder „eisenlosem“ Anker)
— hohe Getriebeübersetzung, um „maßstäbliche“ Höchstgeschwindigkeiten und stetige Zugkraft bei niedrigen Rangiergeschwindigkelten zu ermöglichen.
— ausreichendes Schwungmoment, um kurze Unterbrechungsstellen an Weichen etc. ruckfrei überfahren zu können.
- spielfrei geführte, verschleißarme, sauber gebuchste Lager für guten, dauerhaften Zahneingriff. Diese Forderungen sind grundsätzlich sowohl mit Stirnradgetrieben als auch mit Schneckengetrieben zu erfüllen.


Die Getriebearten
Für jede Getriebebauart gibt es Vor- und Nachteile, die bei der konstruktiven Durchbildung der Triebfahrzeuge unbedingt zu beachten sind. Dabei ist zu unterscheiden zwischen einem:

- Stirnradgetriebe
- Schneckengetriebe

Das Stirnradgetriebe ist eine Getriebeform, die durch parallele Achsen charakterisiert ist. Einfachste Bauform ist das einstufige Stirnradgetriebe, das aus zwei Wellen, auf denen je ein Zahnrad sitzt, besteht. Es können jedoch durch Hinzufügen weiterer Zahnräder und Zwischenwellen auch mehrstufige Getriebe gebildet werden.

Getrieberad      Getrieberad
Stirnradgetriebe einer Lima Lok -- Vergrößern - Bild anklicken


Das Stirnradgetriebe besitzt einen guten Wirkungsgrad. Der immer vorhandene Reibungsverlust zwischen Motor und Getriebe (Motorantriebsleistung) ist relativ gering. Es hat auch die größte Lebensdauer, weil die Lager- und Zahnbeanspruchung niedrig ist. Das Stirnradgetriebe ist auch nicht selbshemmend (bleibt bei Stromunterbrechung nicht abrupt stehen). Allerdings besteht ein Durchdrehen der Räder.

Die Nachteile des Stirnradgetriebes liegen in den bei Modellbahnen vorhandenen konstruktiven Beschränkungen.

In einer Stufe gestattet das Stirnradgetriebe ein Übersetzungsverhältnis von höchstens 5:1, da bestimmte Mindestwerte für die Zähnezahl des Ritzels, dem sogenannten „Modul" und in der Folge für den Durchmesser des „Großrades“ eingehalten werden müssen.
Bei dem für die Spur H0 z.B. eingeführten Modul (m = 0,4) hat das Ankerritzel auf der Motorwelle mit mindestens 10 Zähnen einen Durchmesser von 10 x 0,4 = 4,0 mm.
Das Großrad mit 50 Zähnen entsprechend 5 : 1 bereits einen Durchmesser von 50 x 0,4 = 20 mm. Dieser Durchmesser entspricht fast dem Treibraddurchmesser einer Dampflok BR 01 oder BR 18.

Es sind also mindestens zweistufige, in der Regel drei- bis vierstufige Getriebe erforderlich, um die zur Erfüllung der obigen Forderungen notwendigen Übersetzungen um die 30 : 1 zu erreichen.

Die mehrstufigen Getriebe erfordern zusätzliche Lagerstellen für die Getriebräder und bringen einen erhöhten Wirkungsgradverlust. Hinzu kommt, dass jedes Zahnrad mehr auch eine zusätzliche Geräuschbildung mit sich bringt.

Ein weiterer Nachteil ist, dass bei dieser Getriebart eine genaue Abstandsfixierung der Räder erforderlich wird. Radsätze mit einem Höhenspiel sind hier konstruktiv wirtschaftlich nicht zu realsieren.

Stirnradantrieb     Stirnradantrieb
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In der bei den Modellbahnherstellern üblichen Konstruktion (z.B. Lima, Märklin) mit querliegenden Motor - mit der dann fest vorgegeben seitlichen Anordnung der Zahnräder neben den Treibrädern - besteht dann keine Möglichkeit mehr, die Treibräder mit Höhenspiel auszuführen, ohne den Zahneingriff in das nächstfolgende Zahnrad zu gefährden. Eine Unterteilung des Triebwerks in mehrere Baugruppen (z.B. Drehgestelle bei E-Loks und Triebwagen), ist nur mit hohem technischen Aufwand möglich (zwei oder mehr Motoren, Gelenkkonstruktionen).

Schneckenantrieb
Das Schneckengetriebe besteht aus einer mit einem oder mehreren Schraubengängen versehenen Welle, der Schnecke, und einem darin kämmenden schrägverzahnten Rad, dem Schneckenrad. Die Achsen der beiden Zahnräder sind um 90° versetzt. Ideales Einsatzgebiet für ein derartiges Getriebe sind dort, wo in einem Schritt hohe Untersetzungen (bis 150) und eine Selbsthemmung gefragt sind. Die Selbsthemmung des Getriebes tritt durch die Gleitreibung zwischen Schnecke und Schneckenrad ein. Sie tritt allerdings nur bei geringen Gangzahlen der Schnecke auf.

Nun fragt sich der Modellbahner natürlich, weshalb dieses Schneckengetriebe für eine Modellbahnlok geeignet sein soll, da eine Selbsthemmung im Modellbahnbetrieb natürlich nicht gerade Freude auslöst. Entgleisung der Wagen etc. können die Folge sein.

Der Vorteil ist aber eben die Möglichkeit der großen Übersetzung. Das Übersetzungsverhältnis berechnet sich aus der Gangzahl der Schnecke (nennen wir es z1) und der Zähnezahl des Schneckenrades (nennen wir es z2). Bereits in einer Stufe ist die benötigte Übersetzung erzielbar, da bei einer sog. „eingängigen" Schnecke das Übersetzungsverhältnis nur von der Zähnezahl des mit ihr kämmenden Zahnrads abhängt, welche ja bis zu 40 betragen kann, entsprechend einem 16 mm Durchmesser.

Es kann auch, wo nötig, leicht eine Stirnrad-Getriebe-Stufe vorgeschaltet werden und damit jede beliebig hohe Übersetzung im Rahmen der Vorgaben des Modellbahnbetriebes realisiert werden. Auch die Anwendung "zweigängiger" Schnecken, die das Übersetzungsverhältnis halbiert, ist leicht möglich.

Schneckenantrieb     Schneckenantrieb
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Motor mit Schnecke einer Lima-Lok                                        Motor und Schneckengetriebe einer Trix-Lok


Der Schneckenantrieb gibt leider die Anordnung des Motors mittig in Fahrzeug-Längsrichtung zwingend vor. Es können aber dadurch die Probleme des Treibradhöhenspiels und der Triebwerksunterteilung einfacher gelöst werden als beim Stirnradantrieb. Das Schneckenrad kann in Mitte des Treibradsatz angebracht werden. Es bleibt im Eingriff mit der Schnecke, auch wenn der Treibradsatz um diesen Mittelpunkt „kippt“ und damit das Höhenspiel der Treibräder sicherstellt. In Kombination mit auf dem Spurkranz schleifenden Stromabnahme-Federn ist sogar auf einfache Weise eine „Federung“ der Radsätze zu erreichen. Mit Hilfe von Gelenkwellen (siehe z.B die älteren Dieselloks von Piko), ist jede gewünschte Aufteilung des Triebwerks auf Drehgestelle bzw geteilte Rahmen möglich. Die bei Stirnrad-Antrieben (Ellok- und Diesellok-Modellen) häufig anzutreffende Konstruktion (Lima, Piko, Trix-Express) mit nur einem angetriebenen und einem antriebslosen Drehgestell, könnte somit entfallen.

Das im antriebslosen Drehgestell für die Zugkraft fehlende „Reibungsgewicht“ muss immer durch ein überhöhtes Ballastgewicht über dem Triebdrehgestell, sowie durch Bereifung der Treibräder ausgeglichen werden. Diese nicht sinnvolle und für den Fahrbetrieb nicht zweckdienliche Lösung könnte dann entfallen.

Schneckenantrieb

Da in den Modellbahnloks in der Längsrichtung immer mehr Einbauvolumen vorhanden ist als in Querrichtung, wird z.B. bei den kleinen Baugrößen N, TT und Z ausnahmslos von den Herstellern der Schneckenantrieb verwendet.

Der Nachteil des Schneckenantriebs ist allerdings im Betrieb nicht zu unterschätzen, nämlich - wie bereits ausgesagt - seine Selbsthemmung. Ohne ein inneres Schwungmoment bleibt der Schneckenantrieb bei Antriebsausfall (z. B. durch Stromunterbrechung) ruckartig stehen. Vor allem im Rangierbetrieb ist dies nicht spassig.

Der Modellbahner sollte deshalb bei der Anschaffung von Modellen mit Schneckenantrieb immer darauf achten, dass eine Schwungmasse auf der Welle - möglichst der Ankerwelle - aufgebracht ist. Loks ohne diese Schwungmassen besitzen keine attraktive Laufeigenschaft. Nun kann noch diskutiert werden, wieviel Schwungmasse notwendig und sinnvoll sind. Auf jeden Fall sollte die Schwungmasse so abgestimmt sein, dass die Lok bei Rangiergeschwindigkeit noch sicher über die Weichen kommt.

Zuviel Schwungmasse für die Lok ist aber auch nicht sinnvoll, da dies bei Signalen und Blockstrecken zu Problemen führt (zu große Sperrstrecken werden dann erforderlich)

Auch bei den sog. eisenlosen Motoren sollte auf die Schwungmasse nicht verzichtet werden. Für die Glockenanker-Motoren (eisenlosen Motoren) hat sich bei den Modellbahnern das Fabrikat „Faulhaber“ eingebürgert. Es gibt allerdings auch Motoren anderer Fabrikate ähnlicher Konstruktion mit vergleichbaren guten Eigenschaften.

Zun Schluss soll demjenigen Modellbahner, die ggf selbst Getriebe fertigen will noch eine technische Formeln an die Hand gegeben werden.

Ganz allgemein gilt folgende Beziehung zwischen der Motordrehzahl, Getriebeübersetzung und gewünschter Modell-Höchstgeschwindigkeit:

Formel
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Legende
n = Motordrehzahl des Modells (in U/min)
V = Geschwindigkeit des Vorbilds (in km/h)
Ü = Übersetzungsverhältnis, z. B. 30
D = Treibrad-Durchmesser (in mm)
M = Maßstabzahl, z. B. 87 für H0. 160 für N

Mit dieser Formel kann bei Einsatz der entsprechenden Parameter ein Getriebe konstruiert werden.



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