Das 'inoffizielle' LEGO®-Technic-Buch: Kreative Bautechniken für realistische Modelle (German Edition)
Author: Kmiec, Pawel 'Sariel'
Date: 2013-06-30T22:00:00+00:00
Publisher: dpunkt.verlag

Das »inoffizielle« LEGO®-Technic-Buch

Kreative Bautechniken für realistische Modelle

Paweł »Sariel« Kmieć

Übersetzung: Volkmar Gronau, Flensburg

Satz: G&U Language & Publishing Services GmbH, www.gundu.com

Copy-Editing: Annette Schwarz, Ditzingen

Lektorat: Dr. Michael Barabas

Herstellung: Birgit Bäuerlein

Umschlaggestaltung: Helmut Kraus, www.exclam.de

Druck und Bindung: Himmer AG, Augsburg

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über dnb.d-nb.de abrufbar.

ISBN

Buch 978-3-86490-067-9

PDF 978-3-86491-334-1
ePub 978-3-86491-335-8

Deutsche Ausgabe der amerikanischen Auflage 2013

Translation copyright für die deutschsprachige Ausgabe © 2013 dpunkt.verlag GmbH

Ringstraße 19 B

69115 Heidelberg

Copyright der amerikanischen Originalausgabe © 2013 by Paweł »Sariel« Kmieć.

Title of American original: The Unofficial LEGO® Technic Builder’s Guide.

No Starch Press, Inc., San Francisco · www.nostarch.com

ISBN: 978-1-59327-434-4

Abbildungen 3-17, 3-18, 3-19, 3-20, 3-21, 3-22, 3-23, 3-24, 3-44, 4-5, 6-11, 10-24, 11-29, 11-37, 14-16, 16-4, 19-3, 19-4, 19-8, 19-14, und 19-15 by Eric »Blakbird« Albrecht

Abbildung 15-13 von Jano Gallo, benutzt gemäß Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported

Bauplanzeichnungen (Abbildungen 19-2, 19-5, 19-6, 19-18, 19-19, 19-20, 20-1, 20-6, 20-7, 20-8, und 20-9) stamen
von The-Blueprints.com.

Autorenfoto von Magda Andrzejewska

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Über den Autor

Paweł »Sariel« Kmieć lebt in Warschau und ist begeistert von LEGO Technic. Als hervorragender Blogger und Technic-Konstrukteur sind seine Schöpfungen in vielen Magazinen und den beliebtesten LEGO-Blogs vorgestellt worden. Selbst das Unternehmen LEGO hat sich von ihm bei der Produktentwicklung helfen lassen. Sariel ist Gast-Blogger auf der offiziellen LEGO-Technic-Seite und seit 2012 LEGO-Botschafter für Polen. Auf YouTube ist er der meistgesehene Technic-Konstrukteur. Seine Modelle findest du unter http://sariel.pl/.

Über den Techniklektor

Eric »Blakbird« Albrecht ist Luftfahrtingenieur im Nordwesten der USA. Er betreibt die weltbekannte Technicopedia, in der er die Geschichte aller Technic-Modelle seit 1977 dokumentiert, die komplett auch in seinen Räumen ausgestellt sind. Eric ist ein fleißiger Anwender der LEGO CAD-Tools und hat mehr als 1000 fotorealistische Zeichnungen offizieller Modelle und MOCs (My Own Creations - Meine eigenen Schöpfungen) erstellt. Er hat dutzende Bauanleitungen für einige der besten Technic MOCs weltweit geschrieben, die aus mehr als 1500 Bauteilen bestanden. Seine Website findest du unter http://www.technicopedia.com.

Inhaltsübersicht

Vorwort

Einleitung

Danksagungen

Teil 1 Grundlagen

Kapitel 1 Grundlagen

Kapitel 2 Grundeinheiten und Bausteine

Kapitel 3 Mit oder ohne Noppen?

Kapitel 4 Achsen, Lagerbuchsen und Gelenke

Teil 2 Mechanik

Kapitel 5 Grundlagen von Zahnrädern und Getrieben

Kapitel 6 Ketten und Riemenscheiben

Kapitel 7 Hebel und Koppelgetriebe

Kapitel 8 Eigene mechanische Lösungen

Kapitel 9 Das Pneumatiksystem von LEGO

Kapitel 10 Pneumatische Geräte

Kapitel 11 Robuste Konstruktionen

Teil 3 Motoren

Kapitel 12 LEGO-Motoren - eine Bestandsaufnahme

Kapitel 13 Das LEGO Power-Functions-System

Teil 4 Mechanik für Fortgeschrittene

Kapitel 14 Lenksysteme für Radfahrzeuge

Kapitel 15 Radaufhängungen

Kapitel 16 Kettenfahrzeuge und Aufhängungen

Kapitel 17 Getriebe

Kapitel 18 Addierer und Subtrahierer

Teil 5 Modelle

Kapitel 19 Form und Funktion

Kapitel 20 Modelle richtig skalieren

Kapitel 21 Die Modellierung

Nachwort

Index

Inhaltsverzeichnis

Vorwort

Einleitung

Danksagungen

TEIL 1 GRUNDLAGEN

1
Grundlagen

Geschwindigkeit und Drehzahl

Drehmoment

Leistung

Reibung

Traktion

Rollwiderstand

Spiel

Wirkungsgrad

Begriffe aus der Fahrzeugtechnik

Antriebswelle

Antriebsstrang

Endantriebsstrang

Lenkanschlag

Wendekreis

FWD, RWD, 4×4, 4WD und AWD

Gewichtsverteilung

Schwerpunkt

Bodenabstand

2
Grundeinheiten und Bausteine

Der Technic-Stein

Stifte zum Verbinden und Drehen

Balken – die Alternative ohne Noppen

Die halbe Noppenlänge als Mindestbaumaß

Zwei Tricks zum Bauen mit halben Noppenlängen

3
Mit oder ohne Noppen?

Die Entwicklung des LEGO-Systems

Konstruktion mit Noppenelementen

Noppenkonstruktionen sichern

Vorteile von Noppenkonstruktionen

Nachteile von Noppenkonstruktionen

Noppenlose Konstruktionen

Starre noppenlose Verbindungen

Vorteile von noppenlosen Konstruktionen

Nachteile von noppenlosen Konstruktionen

Die Baustile kombinieren

Anregungen durch Technic-Bausätze

Steine und Balken verbinden

Geradzahlige und ungeradzahlige Noppenlängen

4
Achsen, Lagerbuchsen und Gelenke

Achsen

Standardachsen

Modifizierte Achsen

Flexible Achsen

Lagerbuchsen

Halbe Lagerbuchse

Reguläre Lagerbuchsen

Lagerbuchsen mit langem Stift

Kardangelenke

TEIL 2 MECHANIK

5
Grundlagen von Zahnrädern und Getrieben

Antriebsräder, angetriebene Räder und Laufräder

Übersetzungsverhältnis

Wirkungsgrad von Zahnrädern

Zahnspiel

Die Drehrichtung bestimmen

Bestandsaufnahme der verfügbaren Zahnräder

Schnecke

Zahnrad mit 8 Zähnen

Einzelkegel mit 12 Zähnen

Doppelkegelrad mit 12 Zähnen

Zahnrad mit 14 Zähnen

Zahnrad mit 16 Zähnen

Zahnrad mit 16 Zähnen und Kupplung

Einzelkegelrad mit 20 Zähnen

Einzelkegelrad mit 20 Zähnen und Stiftloch

Doppelkegelrad mit 20 Zähnen

Zahnrad mit 24 Zähnen

Zahnrad mit 24 Zähnen und Kupplung

Zahnrad mit 24 Zähnen und Krone

Zahnrad mit 36 Zähnen

Zahnrad mit 40 Zähnen

Differenzialgetriebe

Drehscheiben

Knebelrad

Hailfire Droid

Veraltete Zahnräder

6
Ketten und Riemenscheiben

Ketten

Riemenscheiben

Flaschenzugsysteme

Einfache Flaschenzüge

Differenzialflaschenzüge

Potenzflaschenzug

7
Hebel und Koppelgetriebe

Hebel

Arten von Hebeln

Vom Hebel zum Koppelgetriebe

Koppelgetriebe

Tschebyscheff-Getriebe

Hoeken-Getriebe

Storchenschnabel

Peaucellier-Inversor

Sarrus-Getriebe

Scott-Russell-Getriebe

Nürnberger Schere

Watt-Getriebe

8
Eigene mechanische Lösungen

Ein robusteres Differenzial

Differenzialsperren

Ein selbst gebautes Differenzial

Achse mit Differenzialsperre

Ratschen

Lineare Kupplung

Exzentermechanismen

Scotch-Yoke-Kurbeltrieb

Scotch-Yoke-Kurbeltrieb

Oldham-Kupplung

Eine Oldham-Kupplung

Schmidt-Kupplung

Schrittmotoren

Malteserkreuzgetriebe

Malteserkreuzgetriebe

Rückfahrleuchten

Blinklichter

Wendesignale

Anspruchsvolle Fahrtrichtungsanzeiger

Doppelachsen-Drehscheibengetriebe

Doppelachsen-Drehscheibengetriebe

Ein robustes Kardangelenk

Kardangelenk

9
Das Pneumatiksystem von LEGO

Das alte System

Das neue System

Bestandsaufnahme der Pneumatik-Bauteile

Pneumatikpumpe (alt)

Pneumatikpumpe (neu)

Kleine Pneumatikpumpe (neu)

Verteilerblock (alt)

Ventil mit Noppen

Noppenloses Ventil (neu)

Großer Zylinder (alt)

6L-Zylinder (alt)

Kleiner Zylinder (neu)

Großer Zylinder mit viereckigem Unterbau (neu)

Großer Zylinder mit rundem Unterbau (neu)

Pneumatikleitungen und -schläuche

T-Stück (alt)

T-Stück (neu)

Schlauchanschluss mit Achsverbinder (neu)

Zylinderklammern

Lufttank

Das Manometer

Das pneumatische System modifizieren

Nicht von LEGO stammende Schläuche

Nicht von LEGO stammende Lufttanks

Federn entfernen (Herstellen eines Motorkompressors)

Pneumatische Federung

Die Pneumatik in eine Hydraulik umwandeln

10
Pneumatische Geräte

Motorkompressoren

Schwenkkompressor

Motorventile

Automatische Ventile

Motorventil

Automatisches Ventil

Automatischer Druckschalter

Pneumatikmotoren

Ein-Zylinder-Motor

Zwei-Zylinder-Pneumatikmotor

Zwei-Zylinder-Motor mit Pleueln

Vorzeigeprojekte

Eine funktionierende Wasserdruckpumpe

11
Robuste Konstruktionen

Ursachen für das Auseinanderbrechen

Schwache Glieder finden

Zu verstärkende Stellen

Richtige Vorgehensweise zur Verstärkung

Weitere Regeln zur Verstärkung

Verstärkte Differenzialgehäuse

Vier verstärkte Differenzialgehäuse

Verstärkte Schneckengetriebegehäuse

Drei verstärkte Schneckengetriebegehäuse

Tragstrukturen

Binderiegel, Chassis und Fahrzeugrahmen

Fachwerk

Die haltbarsten Teile auswählen

TEIL 3 MOTOREN

12
LEGO-Motoren - eine Bestandsaufnahme

2838 – Der erste 9-V-Motor

71427 – Ein beliebter und leistungsfähiger 9-V-Monitor

43362 – Ein leichteres 9-V-Modell

47154 – Ein 9-V-Motor mit halb durchsichtigem Gehäuse

Mikromotor

NXT-Motor

E-Motor von Power Functions

M-Motor (Medium) von Power Functions

L-Motor von Power Functions

XL-Motor von Power Functions

Servo-Motor von Power Functions

RC-Motor

13
Das LEGO Power-Functions-System

Manuelle Motorsteuerung

Fernsteuerung von Motoren

Stromquellen

AA-Batteriekasten

AAA-Batteriekasten

Akkumulator

Empfänger

Fernbedienungen

Die einfache Fernbedienung

Fernbedienung mit Drehzahlregler

Fernbedienungen umbauen

Reglerrad für eine einfache Fernbedienung

Seitliche Hebel für eine einfache Fernbedienung

Lenkrad für eine Fernbedienung mit Drehzahlregler

Linearaktoren

Großer Linearaktor

Kleiner Linearaktor

Linearaktoren und Pneumatikzylinder im Vergleich

Verlängerungskabel

Sonstige Elemente

Schalter

LED-Lampen

TEIL 4 MECHANIK FÜR FORTGESCHRITTENE

14
Lenksysteme für Radfahrzeuge

Einfache LEGO-Lenksysteme

Selbstzentrierende Lenkung

Ackermann-Lenkgeometrie

Einfacher Spurhebel mit Ackermann-Geometrie

Konvergenz von Achsen

15
Radaufhängungen

Angetriebene Achsen

Aufhängungssysteme: Konzepte und Kategorien

Aufhängungsarten

Doppelquerlenker-Aufhängung

Tatra-Aufhängung

Pendelaufhängung

Längslenkeraufhängung (Schwebeachsenaufhängung)

Angetriebene und aufgehängte Achsen

Pendelaufhängung mit Drehscheibe

Stabilisierte Pendelaufhängung

Portalachse (Vorgelegeachse)

Stabilisierte Pendelaufhängung mit Portalachse

Eine Tatra-Aufhängung, die mit vier Stoßdämpfern stabilisiert wird

Eine unabhängige Aufhängung

Eine Schwebeachse mit vier Verbindungen

Gelenkte und aufgehängte Achsen

Eine gelenkte Pendelachse

Eine unabhängig gelenkte Achse

Angetriebene, gelenkte und aufgehängte Achsen

Eine unabhängige Achse

Pendel-Portalachse in Schwerlastausführung

Pendelachse mit Schneckengetriebe

16
Kettenfahrzeuge und Aufhängungen

Gummiketten

Hartplastikketten

Kettenantriebssysteme

Aufhängungen

Rollenbock

Längslenkeraufhängung mit Stoßdämpfern

Längslenkeraufhängungen mit Torsionsstäben

Experimentieren mit Laufrädern

17
Getriebe

Getriebetypen

Antriebsringe bei LEGO-Getrieben

Getriebemodelle

2-Gang-Getriebe (synchronisiert)

Lineares 2-Gang-Getriebe für große Kräfte

2-Gang-Getriebe für RC-Motor

2-Gang-Orbitalgetriebe

2-Gang-Ratschengetriebe

3-Gang-Getriebe (linear)

4-Gang-Doppelachsengetriebe

4-Gang-Getriebe (synchronisiert)

5-Gang-Getriebe (linear)

10-Gang-Getriebe (synchronisiert)

Stufenloses Getriebe

Verteilergetriebe

2-Gang-Getriebe (synchronisiert)

Lineares 2-Gang-Getriebe für große Kräfte

2-Gang-Getriebe für RC-Motor

2-Gang-Orbitalgetriebe

2-Gang-Ratschengetriebe

3-Gang-Getriebe (linear)

4-Gang-Getriebe (synchronisiert)

10-Gang-Getriebe (synchronisiert)

Stufenloses Getriebe

18
Addierer und Subtrahierer

Festkopplung

Koppeln über Addierer

Drehmomente mit einem Addierer kombinieren

Mehr als zwei Motoren verwenden

Subtrahierer

Warum Subtrahierer?

Längssubtrahierer

Ein Längssubtrahierer

Quersubtrahierer

Ein Quersubtrahierer

Ein noppenloser Quersubtrahierer

TEIL 5 MODELLE

19
Form und Funktion

Autos

Lkw

Motorräder

Kettenfahrzeuge

Luftfahrzeuge

Flugzeuge

Hubschrauber

20
Modelle richtig skalieren

Baupläne

Bezugspunkte

Skalierung

21
Die Modellierung

Die Größe

Räder

Andere runde Elemente

Farben

Der Teufel steckt im Detail

Schräge Winkel bauen

Intelligent bauen

Der nächste Schritt: deine Modelle steuern

Nachwort

Index

Vorwort

Der LEGO-Stein wurde 1999 vom Fortune Magazine zum »Spielzeug des Jahrhunderts« gewählt und später auch von der britischen Vereinigung der Spielwarenläden und schlug damit den Teddybär als langjährigen Favoriten. Warum?

Mit LEGO zu spielen macht Spaß, hat aber auch einen echten Lerneffekt. Mehr als jedes andere Spielzeug ermöglicht es LEGO, deine Vorstellungen Wirklichkeit werden zu lassen. Wenn du dieses Buch liest, wirst du verstehen, was ich damit meine.

LEGO-Technic erweitert das traditionelle LEGO-System um wunderbare neue Möglichkeiten. Die drei Kernkonzepte hinter LEGO-Technic – Authentiziät, Funktionalität und Herausforderung (die von LEGO als AFC bezeichnet werden) – ermöglichen den Bau authentischer, wirklichkeitsgetreuer Modelle mit vielen Originalfunktionen.

Moderne LEGO-Technic-Baukästen wenden diese Prinzipien am weitestgehenden an, die Herausforderung kommt beim Bauen. Viele Konstrukteure empfinden es als schwierig, mit diesem System eigene Modelle zu entwickeln. Hierbei hilft dieses Buch. Es macht Spaß, mit Technic zu konstruieren, die Aufgabe kann aber auch sehr komplex werden.

Paul hat die Geheimnisse der Technic-Konstruktion so gut dargestellt, wie ich es mir nur vorstellen kann, und ich freue mich, dass dieses Wissen jetzt auch anderen LEGO-Konstrukteuren und -Fans zur Verfügung steht. Du findest viele Beispiele, Tricks und praktische Ratschläge für den Bau robuster und nützlicher Mechanismen. Du findest auch detaillierte Informationen über die Geschichte und Entwicklung von LEGO-Technic, z.B. über die Entwicklung des Pneumatik-Systems.

Das inoffizielle LEGO-Technic-Handbuch hilft jungen Konstrukteuren, in die kreativen Möglichkeiten von LEGO-Technic einzusteigen. Wenn du Anfänger bist, sollest du mit den aufregenden Einführungskapiteln beginnen. Wenn du fortgeschritten bist, hebt dich dieses Buch auf die nächste Stufe. Wenn du schon ein erfahrener Konstrukteur bist, bietet dir dieses Buch die kleinen Extras, mit denen du noch besser wirst. Obwohl ich schon recht erfahren mit LEGO-Technic bin, konnte ich aus diesem Buch eine ganze Menge lernen. Ich hoffe, dir geht es genauso.

Ich lernte Paul und seine Arbeit 2007 kennen, kurze Zeit nachdem ich mich entschlossen hatte, ein Blog über LEGO-Technic namens TechnicBRICKS zu schreiben. Sein Genie offenbarte sich mir, als wir einige seiner Geräte der Fangemeinde vorstellten, z.B. das Pneumatikventil, das PF Speed Remote-Add-on, das die Benutzung einfacher und intuitiver macht, und die trefflichen automatischen Blinker, die er in seinen großen Trucks verwendet, um nur einige zu nennen.

In diesem Buch lernst du Bautechniken aus den Augen eines der erfahrensten Konstrukteure kennen. Auch wenn Paul über keinen Studienabschluss verfügt (er kommt aus dem Lager der Linguisten und ist im weitesten Sinne Künstler) zeigen sein Interesse an Mechanik und seine Erfahrungen mit LEGO-Steinen den einzigartigen Lernwert von LEGO-Technic auf.

Außerdem ist er eine stetige Quelle guter Ideen für neue Modelle, die seinen Fingern entspringen. All das macht ihn zu einem der besten LEGO-Konstrukteure. Paul hat Baufahrzeuge, Autos, Buggies, Motorräder, Hot Rods, große Trucks und vieles mehr gebaut. Bei vielen davon setzt er einen realistischen Bauansatz bis ins Extrem um: originalgetreues Aussehen, viele interne Funktionen und unendlich viele Details. Darin liegt sein größtes Können: aus dem Ungewöhnlichen etwas Normales zu machen. Ich bin sicher, dass Paul in die vorderste Reihe der Technic-Konstrukteure gehört.

Ich hoffe, du findest dieses Buch ebenso wertvoll für deine Konstruktionen wie als Nachschlagewerk für zukünftige Projekte.

Fernando Correia

Chefredakteur, TechnicBRICK.com

Lissabon 2012

Einleitung

Das Buch, das du jetzt lesen wirst, wurde mit einer einfachen Zielsetzung geschrieben: Alles weiterzugeben, was ich über LEGO-Technic in den letzten 20 Jahren gelernt habe. Natürlich stellte sich heraus, dass »alles« einfach zu viel für ein einzelnes Buch war, weshalb ich einiges weglassen musste. Das Buch wurde für den modernen Konstrukteur geschrieben – also jemand, der die heutigen LEGO-Baukästen besitzt, enthält aber auch Informationen über Bauteile, die aus älteren Kästen stammen. Wenn du erwachsen bist und den Spaß am Bauen mit kleinen Plastikteilen wiederentdeckst, findest du in diesem Buch Hilfe und Anregungen.

Wage dich auch an die Themen heran, die ich in diesem Buch weglassen musste. Es handelt sich dabei um Sackgassen in der Entwicklung von LEGO-Technic und äußerst spezielle, moderne Bauelemente. LEGO MINDSTORMS und LEGO NXT werden kaum erwähnt, da es bereits zahlreiche andere Bücher dazu gibt.

Statt dir Bauanleitungen für vollständige LEGO-Modelle zu liefern, bietet dir diese Anleitung Grundlagen für eigene Abenteuer mit LEGO-Technic. Es werden die Grundlagen für das Bauen mit LEGO-Technic erläutert, indem Details von Mechanismen gezeigt werden, wie Getriebe oder Aufhängungen, die du in deine eigenen Modelle einbauen kannst. LEGO-Baukästen enthalten normalerweise komplette Bauanleitungen, aber keine Erklärung, wie die Sache funktioniert. Ich glaube, dass es bei LEGO darum geht, deine eigene Kreativität zu entwickeln und nicht, Bauanleitungen zu folgen.

Bitte betrachte die Projekte in diesem Buch nicht als abgeschlossen oder als optimale Lösungen. Es gibt immer etwas zu puzzeln und zu verbessern. Einige der Modelle in diesem Buch verwenden recht einfache LEGO-Steine, für diejenigen, die nicht alle LEGO-Kästen besitzen. Wenn du aber neuere oder ausgefeiltere LEGO-Steine besitzt, kannst du experimentieren und aufstocken. Ist deine Steinesammlung noch klein, kannst du durch kreativen Einsatz von Teilen so manches wettmachen.

Dieses Buch stützt sich auf die LEGO-Teilenummern, -Bezeichnungen und -Farben. Ich habe mich dabei auf BrickLink gestützt (www.bricklink.com/). Nicht nur, weil es die größte und genaueste Datenbank für Teile ist, sondern auch, weil der Katalog quasi der Markt für LEGO-Steine ist. Jedes Teil und jeder Bausatz, den du bei BrickLink findest, kann mit nur ein paar Mausklicks gekauft werden, egal wo du dich befindest.

Es ist mein größter Wunsch, dass dieses Buch deine Erwartungen erfüllt. Vergiss jedoch nicht, dass es dir nur die nötigen Werkzeuge an die Hand gibt. Der Rest ist deine Sache. Etwas Neues zu erschaffen und zu sehen, dass es wie gewünscht funktioniert, ist viel erfüllender, als mit dem teuersten LEGO-Kasten nachzubauen. Viel Spaß beim Bauen.

Danksagungen

Als ich dieses Buch geschrieben habe, hatte ich das Privileg, von der LEGO-Fangemeinde eine riesige und selbstlose Unterstützung zu bekommen. Ich konnte auf eine Reihe prominenter Konstrukteure zählen, deren Hilfe und Expertise dieses Buch deutlich verbessert hat. Zuallererst möchte ich Eric »Blakbird« Albrecht für seine Geduld bei den Korrekturen an meinem Text danken, für sein Verständnis und für seine hilfreichen Anmerkungen, aus denen leicht ein weiteres Buch hätte entstehen können. Weiter möchte ich Phillipe »Philo« Hurbain danken, der wiederholt zu meiner Rettung anrückte und dessen großartige (und kostenlose) Arbeiten für jeden Technic-Konstrukteur eine Bereicherung sind. Ich bin mir sicher, dass ich ohne Fernando »Conchas« Correia und sein TechnicBRICK-Blog dieses Buch nicht hätte schreiben können, wo meine Konstruktionen oft vorgestellt wurden, so dass ich Anerkennung und Rückmeldungen aus der weltweiten Gemeinschaft bekommen konnte.

Ich möchte meinen Eltern danken, die diese Karriere vor mehr als 20 Jahren gefördert haben, als sie mir das beste Spielzeug der Welt schenkten, ohne auch nur eine Ahnung zu haben, wohin das führen würde.

Vielen Dank auch an die talentierten Konstrukteure, die mich inspiriert, mir geholfen oder auf andere Weise zu diesem Buch beigetragen haben, inbesondere Paul »Crowkillers« Boratko, Jetro de Château, Jennifer Clark, Kris Kelvin, Arjan »Konajra« Kotte, Peer »Mahjqa« Kreuger, Erik Leppen, David Luders, Marek »M_Longer« Markiewicz, Emil »Emilus« Oklinski, Marcin »Mrutek« Rutkowski, Ingmar Spijkhoven, und Maciej »dmac« Szymanski.

Auch bin ich der LEGO-Community Polen, LUGPol, dankbar, die mit mir durch Dick und Dünn gegangen ist und die eine Heimstatt für viele hervorragende und inspirierende Konstrukteure, Menschen und Projekte ist. Dafür, dass sie mich immer weiter vorangetrieben und mir gezeigt hat, welche Welt sich hinter LEGO Technic verbirgt.

Vielen Dank an Monica Pedersen und Gaute Munch von LEGO, die mir gezeigt haben, dass auch Großunternehmen ein menschliches Gesicht haben.

Ich schulde Tyler Ortman, Alison Law und dem Rest des No-Starch-Teams großen Dank, die meine Arbeit über Jahre begleitet und ihr Interesse in Gesprächen, Vorschlägen und Herausforderungen gezeigt haben.

Ich hoffe, dieses Buch ist dir eine ebensogroße Hilfe wir deine Unterstützung mir.

TEIL I

Grundlagen

1

Grundlagen

In diesem Kapitel werden die Grundprinzipien beschrieben, die wir beim Bauen nutzen werden. Dabei geht es nicht darum, alles abzudecken, was ein Maschinenbauer oder Physiker wissen muss, sondern darum, dir praktisches Wissen zu vermitteln. Das Ziel besteht darin, dich mit den Gesetzen der Physik bekannt zu machen, die bei der Konstruktion funktionierender LEGO-Mechanismen eine Rolle spielen. Beginnen wir also mit den Grundlagen.

Geschwindigkeit und Drehzahl

Die Geschwindigkeit gibt an, wie schnell sich ein Objekt bewegt. Ein augenfälliges Beispiel dafür ist die Angabe, welche Strecke ein Fahrzeug in einer bestimmten Zeit zurücklegen kann. Dies ist die sogenannte lineare oder Fahrgeschwindigkeit, die in Kilometern pro Stunde (km/h) gemessen wird.

Es gibt jedoch noch eine andere Art von Geschwindigkeit, nämlich die Winkelgeschwindigkeit oder Drehzahl, die angibt, wie schnell sich ein Objekt dreht. Die meisten LEGO-Mechanismen werden von rotierenden Achsen angetrieben, deren Drehbewegungen mithilfe von Rädern oder Kettenfahrwerken in eine lineare Geschwindigkeit übersetzt werden. Daher müssen wir uns mit der Drehzahl auskennen. Die Drehzahl wird in Umdrehungen pro Minute (U/min) gemessen. Die verschiedenen LEGOMotoren weisen unterschiedliche Drehzahlen auf, von weniger als 20 U/min bis zu mehr als 1000 U/min.

Drehmoment

Das Drehmoment gibt an, welche Drehkraft auf ein Objekt angewendet wird. Wenn beispielsweise ein LEGOMotor eine Achse antreibt, wendet er ein Drehmoment auf diese Achse an. Je mehr Drehmoment ein Motor anwendet, umso stärker wird die Drehung und umso mehr Widerstand ist erforderlich, um den Motor anzuhalten. Ein Motor, der ein ausreichendes Drehmoment erzeugt, um ein 1 kg schweres Fahrzeug anzutreiben, kann beispielsweise stoppen, wenn damit versucht wird, ein 2 kg schweres Fahrzeug in Gang zu setzen.

In der Welt von LEGO Technic wird das Drehmoment von LEGOMotoren in Newtonzentimetern (N·cm) gemessen. Das Drehmoment, das ein Motor liefern kann, weist bei gegebener Stromquelle einen konstanten Wert auf. Beispielsweise erzeugt der schwächste LEGOMotor ein Drehmoment von 0,5 N·cm, der stärkste von 16,7 N·cm. Wenn du einen Mechanismus dagegen manuell antreibst, ändert sich die Sache: Hier hängt der Betrag des Drehmoments jeweils davon ab, wie viel Körperkraft du selbst aufwendest.

Es ist sehr wichtig, das Drehmoment richtig zu verstehen, damit du die Möglichkeiten von Motoren und der von ihnen angetriebenen Mechanismen sowie die Belastungsgrenzen von LEGO-Steinen abschätzen kannst. Hohe Drehmomente sorgen für eine Belastung, die LEGO-Steine beschädigen und zerstören kann. Wie du solche Beschädigungen vermeiden kannst, erfährst du in Kapitel 11. Außerdem werden wir uns dort mit einem noch wichtigeren Thema beschäftigen, nämlich dem Zusammenhang zwischen Drehmoment und Drehzahl.

Leistung

In diesem Buch steht Leistung für mechanische Leistung. Diese erhalten wir durch die Multiplikation des Drehmoments mit der Drehzahl. Leistung wird gewöhnlich in Watt (W) angegeben. Je nach Typ weisen die LEGOMotoren eine unterschiedliche Leistung auf, die von 0,021 W bis 2,38 W reichen kann. Der Begriff der Leistung ist eigentlich ziemlich komplex, wir werden ihn hier hauptsächlich als Vereinfachung verwenden, wenn wir »Drehzahl und Drehmoment zusammen« meinen.

Die Leistung eines LEGOMotors wird von der Spannung seiner Stromquelle (also seiner Batterie) bestimmt. Die meisten modernen LEGOMotoren sind für eine Spannung von 9 V ausgelegt. Sie können zwar mit niedrigerer Spannung betrieben werden (wobei sie eine geringere Leistung zeigen), eine höhere Spannung jedoch kann sie beschädigen.

Reibung

Wenn zwei oder mehr Oberflächen Kontakt miteinander haben und gegeneinander verschoben werden, tritt Reibung auf – eine Kraft, die der Bewegung Widerstand entgegensetzt. Reibung kannst du immer beobachten, wenn zwei LEGO-Bauteile einander berühren und sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit bewegen. Das wiederum bedeutet, dass sämtliche LEGO-Mechanismen durch Reibung zwischen den beteiligten Komponenten beeinträchtigt werden. Durch Reibung geht ein Teil der Eingangskraft verloren, die wir auf das System anwenden, wodurch sowohl das Drehmoment als auch die Drehzahl sinken.

Je stärker die Teile gegeneinandergedrückt werden, umso höher wird die Reibung. Außerdem hängt sie von der Art der Oberfläche ab: Glatte, feste Oberflächen führen zu einer geringeren Reibung als raue und weiche. Die Reibung kann verringert werden, indem man die Oberflächen durch ein Schmiermittel trennt, z.B. Fett.

In LEGO-Mechanismen entsteht Reibung vor allem zwischen ineinandergreifenden Zahnrädern, zwischen einer rotierenden Achse und dem Lochstein, in dem sie gelagert ist, und zwischen Rädern und der Oberfläche, auf der sie sich bewegen. Wenn aufgrund einer großen Anzahl beweglicher Teile die Reibung insgesamt zu groß wird, kann das einen Mechanismus funktionsunfähig machen und die LEGO-Bauteile verschleißen oder sogar beschädigen. (Reibung tritt natürlich auch in statischen, nicht beweglichen Verbindungen zwischen LEGO-Steinen auf und sorgt dafür, dass sie zusammenhalten!)

Traktion

Es gibt eine maximale Haftungskraft zwischen zwei Oberflächen. Überschreitet die Zugkraft, mit der diese Oberflächen gegeneinander bewegt werden sollen, diesen Wert, rutschen sie voneinander weg. Im Zusammenhang mit Reifen nennen wir diese maximale Reibungskraft Traktion (oder Grip). Reifen mit guter Traktion rutschen nicht so leicht über Oberflächen wie Reifen mit geringer Haftung.

Die Traktion hängt vor allem von der Härte und der Form der Reifen sowie von dem Material ab, aus dem sie hergestellt sind. Beispielsweise haben Gummireifen immer eine bessere Traktion als massive Plastikräder, da Gummi im Gegensatz zu Hartplastik weicher ist und besser haften bleibt. Unterschiede in der Form zeigen sich im Querschnitt und im Profil. Die Haftung ist besser, wenn der Reifen eine größere Kontaktfläche mit der Straßenoberfläche hat, und diese Kontaktfläche wiederum wird durch den Querschnitt und das Profil des Reifens bestimmt. Wie Abbildung 1-1 zeigt, haben Reifen mit flachem Querschnitt und einem seichten Profil eine größere Aufstandsfläche auf flachen, glatten Oberflächen als Reifen mit rundem Querschnitt und einem tiefen Profil.

Abbildung 1-1: Ein Reifen mit flachem Querschnitt und flachem Profil (links) hat besseren Kontakt mit einer flachen Oberfläche als ein Reifen mit rundem Querschnitt und einem tiefen Profil (rechts).

Dagegen haben Reifen mit rundem Querschnitt und tiefem Profil auf unregelmäßigen, lockeren und schlammigen Oberflächen einen besseren Kontakt. Aus diesem Grund wird der erste Typ von Reifen gewöhnlich für Sportwagen gewählt, die auf festem Asphalt fahren, und der zweite Typ für Offroad-Fahrzeuge, die auf rauem Terrain unterwegs sind. Schließlich ist auch die Reifenbreite von Bedeutung, da breitere Reifen eine größere Aufstandsfläche haben.

Meistens sollen Reifen eine so gute Haftung haben wie möglich. Eine Ausnahme liegt etwa vor, wenn die Reifen tatsächlich rutschen sollen, z.B. um einem Fahrzeug eine Gleitbewegung zu erlauben. Der LEGO-Bausatz 8366 für den Rennwagen Supersonic RC wird mit zwei Arten von Hinterreifen geliefert, nämlich Gummireifen für das normale Fahrverhalten und massiven Plastikreifen zum Gleiten.

Rollwiderstand

Der Rollwiderstand bezeichnet den Widerstand, der beim Rollen eines Objekts über eine Oberfläche entsteht. Dies ist vor allem für Räder wichtig. Massive Räder weisen alle einen ähnlichen Rollwiderstand auf. Bei Rädern mit Reifen jedoch hängt er sehr stark von den Eigenschaften der Reifen ab. Weiche und breite Reifen wie diejenigen aus Abbildung 1-2 haben einen größeren Rollwiderstand als harte und schmale Reifen. Der Widerstand hängt auch vom Gewicht des Fahrzeugs ab, da es die Reifen verformt und dadurch ihren Rollwiderstand erhöht. Zusätzlich wird der Widerstand auch durch die Art der Oberfläche bestimmt, auf der sich die Räder bewegen. Glatte, flache, feste Oberflächen wie Asphalt oder Glas senken den Rollwiderstand, lockere, matschige, weiche und klebrige Oberflächen dagegen, z.B. Sand, Schlamm oder Gras, erhöhen ihn.

Abbildung 1-2: Typische Offroad-Reifen sind weich und gedrungen und weisen einen sehr hohen Rollwiderstand auf. Offensichtlich machen sie das durch ihr Aroma wieder wett!

Der Rollwiderstand ist ein wichtiger Faktor bei der Auswahl von Rädern und Reifen, spielt meistens jedoch eine weniger wichtige Rolle als die Traktion. Es gibt nur wenige Arten von LEGO-Reifen, bei denen du dir Gedanken über den Rollwiderstand machen musst. In den meisten Fällen wirst du einen leicht erhöhten Rollwiderstand für eine bessere Haftung gern in Kauf nehmen. Gute Traktion muss fast immer mit zusätzlichem Rollwiderstand bezahlt werden.

Spiel

Der Begriff Spiel beschreibt kleine Lücken zwischen ineinandergreifenden Bauteilen, z.B. zwischen zwei Zahnrädern, wie du sie in Abbildung 1-3 erkennen kannst. Bei praktisch jeder LEGO-Technic-Verbindung tritt ein gewisses Spiel auf. Zu viel davon ist jedoch in höchstem Maße unerwünscht. Wenn du einen Mechanismus in Gang setzt, anhältst oder in den Rückwärtsgang schaltest, sorgt das Spiel für eine gewisse Verzögerung der Reaktion auf dein Kommando. Viel Spiel sorgt für eine längere Verzögerung, was den gesamten Mechanismus ungenau und träge macht.

Denke beim Bauen daran, dass sich das Spiel vieler beweglicher Teile summiert und sich im Gesamtmechanismus anhäuft. Ein Mechanismus mit vier Zahnrädern hat daher mehr Spiel als ein Mechanismus mit nur zwei Zahnrädern. Eine Möglichkeit, um das Spiel zu verringern, besteht darin, den Mechanismus so einfach wie möglich zu konstruieren. Außerdem kannst du Bauteile mit viel Spiel, z.B. Zahnräder, durch spielarme wie Pneumatikzylinder (siehe Kapitel 9) oder Linearaktoren (siehe Kapitel 13) ersetzen.

Abbildung 1-3: Das Spiel, hier in Form einer Lücke zwischen den Zähnen zweier ineinandergreifender Zahnräder, ist besonders bei Rädern mit acht Zähnen sehr hoch.

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad beschreibt, wie viel von der Kraft, die wir auf einen Mechanismus anwenden, tatsächlich genutzt wird und wie viel in Form von Reibung verloren geht. Gewöhnlich wird er in Form eines Prozentwerts angegeben. Beispielsweise bedeutet ein Wirkungsgrad von 50%, dass ein Mechanismus letzten Endes nur die Hälfte der Kraft nutzt, die wir auf ihn ausüben, während die andere Hälfte verloren geht.

Der Wirkungsgrad von LEGO-Mechanismen ist gewöhnlich niedrig, da LEGO-Bauteile einfach gestaltet sind und keine anspruchsvollen mechanischen Lösungen zur Senkung der Reibung aufweisen (z.B. Kugellager). Den Wirkungsgrad eines LEGO-Mechanismus genau zu messen, ist sehr schwierig, weshalb wir uns stattdessen einfach darauf konzentrieren, die Reibung so gering wie möglich zu halten.

Die einzige Möglichkeit zur Verbesserung des Wirkungsgrads ist eine Senkung der Reibung in unserem Mechanismus. Am einfachsten geht das dadurch, dass wir die Anzahl der beweglichen Teile verringern. Auch das Gewicht ist ein entscheidender Faktor, da schwere bewegliche Teile mehr Reibung aufweisen als leichte. Da größere Teile schwerer sind, spielt auch die Größe eine Rolle. Im Allgemeinen hat ein Mechanismus einen umso höheren Wirkungsgrad, je einfacher und leichter er ist.

Begriffe aus der Fahrzeugtechnik

Auf den letzten Seiten hast du ein gutes Verständnis der grundlegenden physikalischen und ingenieurwissenschaftlichen Prinzipien erhalten, die für verschiedene Konstruktionen wichtig sind. Als Nächstes werfen wir einen Blick auf die Grundprinzipien von Fahrzeugen. Die es sich bei den meisten LEGO-Technic-Bausätzen und Eigenbauten um Fahrzeuge handelt, werden wir die entsprechenden Begriffe überall in diesem Buch verwenden.

Antriebswelle

Eine Antriebswelle ist ein mechanisches Bauteil, gewöhnlich eine Achse, das Kraft vom Motor auf einen Mechanismus überträgt. Es verbindet – nicht unbedingt direkt – zwei Komponenten: eine, die Kraft erzeugt, und eine zweite, das sie empfängt. In einem Auto gibt es gewöhnlich eine Antriebswelle, die das Getriebe mit einer oder beiden Achsen verbindet. Sie stellt also eine indirekte Verbindung vom Motor über das Getriebe zum Empfangsmechanismus her, in diesem Fall zu den Rädern.

Antriebswellen können Gelenkkupplungen und verschiebbare Elemente enthalten, wie du sie in Abbildung 1-4 siehst. Diese Teile ermöglichen Änderungen der Richtung und Entfernung zwischen Kraftquelle und Empfangsmechanismus.

Antriebsstrang

Der Antriebsstrang ist eine Gruppe von Bauteilen, die Kraft erzeugen und im Fahrzeug verteilen. Dazu gehören gewöhnlich der Motor, das Getriebe, die Antriebswelle, die Achsen und die Endantriebe (Räder, Ketten oder Propeller). Welche Bauteile sich im mittleren Abschnitt des Antriebsstrangs befinden, ist von Fall zu Fall verschieden – beispielsweise kann es sein, dass kein Getriebe vorhanden ist. Die beiden Enden sind jedoch immer der Antriebs-motor und der Endantrieb.

Endantriebsstrang

Der Endantriebsstrang umfasst die drei letzten Bauteile: die Antriebswelle, die Achse und den Endantrieb. Mit anderen Worten, der Endantriebsstrang ist der Antriebsstrang ohne Motor und Getriebe. Bei einem Fahrrad besteht der Antriebsstrang aus dem Radfahrer (der als Motor fungiert), den Pedalen, den Zahnrädern, der Kette und dem Hinterrad als Endantrieb. Der Endantriebsstrang dagegen umfasst nur die Kette und das Hinterrad.

Lenkanschlag

Der Lenkanschlag legt den maximalen Einschlagwinkel fest, also den größten Winkel, um den die Räder einer lenkbaren Achse gedreht werden können. Gewöhnlich ist ein größerer maximaler Einschlagwinkel besser, da das Fahrzeug dann engere Wendemanöver fahren kann. Ein allzu weiter Lenkanschlag jedoch ist auch nicht wünschenswert, da sich die Fahrtrichtung des Fahrzeugs dadurch rasch ändern kann, was es weniger stabil macht und eine erhebliche Belastung auf das Lenksystem ausübt. In Abbildung 1-5 siehst du ein Modell mit einem großen maximalen Einschlagwinkel.

Wendekreis

Der Wendekreis gibt den Radius der engsten Kehrtwende an, die das Fahrzeug fahren kann. Beachte, dass der Rumpf des Fahrzeugs häufig über die Räder hinausragt, weshalb der Wendekreis einschließlich Rahmen (von Wand zu Wand) bestimmt werden kann, aber auch ohne ihn, wobei nur die Räder berücksichtigt werden (von Bordstein zu Bordstein).

Der Wendekreis wird von mehreren Faktoren beeinflusst, darunter vom Lenkanschlag, vom Radstand und der Anzahl lenkbarer Achsen. Je kleiner der Wendekreis, umso besser, da das Fahrzeug dann auf engem Raum manövrieren kann. Manche Fahrzeuge wie Panzer und andere Kettenfahrzeuge können auf der Stelle drehen, haben also einen Wendekreis von null.

Abbildung 1-4: Ein verschiebbares Element der Antriebswelle aus zwei Achsen und drei Keilriemenscheiben (den dünnen, grauen Scheiben) und weiteren drei Achsen darin. Die drei Achsen übertragen die Rotation auf alle Scheiben und können innerhalb der Scheibe auf der rechten Seite verschoben werden, wodurch sich die effektive Länge der Antriebswelle im laufenden Betrieb ändern lässt.

Abbildung 1-5: Mein Greifstaplermodell verfügt über eine Hinterachse (rechts) mit einem sehr großen maximalen Einschlag. Da Greifstapler dazu dienen, Container im Beladebereich von Häfen zu stapeln, müssen sie in der Lage sein, auf engem Raum zu manövrieren.

FWD, RWD, 4×4, 4WD und AWD

FWD, RWD, 4×4, 4WD und AWD sind Abkürzungen, die die Anordnung der angetriebenen Achsen in einem Fahrzeug beschreiben. Ein Auto, bei dem nur die Vorderachse angetrieben wird, verfügt über einen Vorderradantrieb oder Frontantrieb (FWD für Front Wheel Drive). Wird dagegen nur die Hinterachse angetrieben, spricht man vom Hinterradantrieb (RWD).

Bei einem 4x4-Fahrzeug sind alle vier Räder angetrieben. Bei LEGO-Fahrzeugen nimmt dies die Form eines Vierradantriebs (4WD) an, bei dem die Motorleistung gleichmäßig auf alle Räder aufgeteilt wird. Echte 4x4-Fahrzeuge können jedoch auch einen Allradantrieb (AWD) aufweisen, bei dem die Verteilung der Leistung durch elektronische Komponenten ständig an die Fahrbedingungen angepasst wird. Das lässt sich mit LEGO-Bauteilen nur äußerst schwer erreichen.

An eine Bezeichnung wie 4x4 kann noch eine dritte Zahl angehängt werden. Geländefahrzeuge oder Jeeps haben einen 4x4x2-Antrieb, was bedeutet, dass es insgesamt vier Räder gibt, von denen alle vier angetrieben, aber nur zwei lenkbar sind. Solche Bezeichnungen sind vor allem für Fahrzeuge mit vielen angetriebenen und lenkbaren Achsen wichtig, z.B. bei Mobilkränen und gepanzerten Truppentransportern. Beispielsweise haben viele kleine Transportpanzer einen 6x6x4-Antrieb, was für sechs Räder steht, wobei alle sechs angetrieben und vier lenkbar sind.

Gewichtsverteilung

Die Gewichtsverteilung, vor allem die Front-und Hecklastigkeit, hat erheblichen Einfluss auf die Leistung von Fahrzeugen.

Vor allem wirkt sie sich auf die Haftung und damit auf die Handhabung des Fahrzeugs aus. Nimm als Beispiel ein Auto mit zwei Achsen, einer Lenkachse vorn und einer Antriebsachse hinten. Ist dieses Auto frontlastig, sorgt das für eine bessere Lenkhaftung, da auf den Vorderrädern ein höheres Gewicht lastet. Bei Hecklastigkeit dagegen ist die Beschleunigung besser, da die Hinterräder durch das höhere Gewicht eine größere Traktion aufweisen.

Bei Fahrzeugen mit vier Rädern wird die Gewichtsverteilung durch einen Quotienten aus Prozentwerten angegeben. Eine Gewichtsverteilung von 40:60 bedeutet, dass 40% des Fahrzeuggewichts auf der Vorderachse lasten und die restlichen 60% auf der Hinterachse. Bei Offroad-Fahrzeugen mit Vierradantrieb wird eine Gewichtsverteilung von 50:50 als ideal angesehen. HochleistungsRennwagen mit mittig montierten Motoren dagegen haben gewöhnlich mehr Gewicht im Heck.

Die Gewichtsverteilung ist auch für Kettenfahrzeuge wichtig. Da Ketten auf glatten Oberflächen nur eine schlechte Haftung haben, wirkt sich die Gewichtsverteilung stark darauf aus, wie gut das Fahrzeug Kurven nehmen und Hindernisse überklettern kann. Beispielsweise kann sich ein frontlastiges Kettenfahrzeug nicht auf der Stelle drehen, da der Drehpunkt nach vorn verlagert ist. Aufgrund der besseren Haftung des Vorderendes ist dieses Fahrzeug dagegen sehr gut beim Erklimmen von Anhöhen.

Schwerpunkt

Der Schwerpunkt ist der Mittelpunkt der Gewichtsverteilung eines Objekts. Er kann sich im geometrischen Mittelpunkt des Objekts befinden – wie etwa bei einer massiven Kugel –, was allerdings nicht bei jedem Objekt der Fall sein muss. Die Lage des Schwerpunkts bestimmt, wie wahrscheinlich es ist, dass das Objekt kippt. Objekte mit hoch liegendem Schwerpunkt fallen eher um als solche mit niedrigem Schwerpunkt. Mit anderen Worten: Ein niedriger Schwerpunkt macht das Objekt stabiler.

Bei LEGO-Fahrzeugen wird die Lage des Schwerpunkts vor allem von der Lage der schwersten Bauteile bestimmt, z.B. der Batteriekästen. Er sollte immer so tief liegen wie möglich. Aus diesem Grund wird bei Offroad-Fahrzeugen, die sehr stabil sein müssen, immer versucht, die Batteriekästen möglichst weit unten im Chassis einzubauen.

Bodenabstand

Der Bodenabstand (auch Bodenfreiheit genannt) ist die Entfernung zwischen der Unterseite des Chassis und der flachen, ebenen Oberfläche, auf der das Fahrzeug steht. Damit ist auch festgelegt, wie hoch Hindernisse sein können, sodass das Fahrzeug noch über sie hinwegsetzen kann, ohne sich den Unterboden aufzureißen (siehe Abbildung 1-6). Der Bodenabstand hängt hauptsächlich von der Aufhängung der Räder ab.

Bei einem großen Bodenabstand kann das Fahrzeug mit grö-ßeren Hindernissen fertig werden, allerdings wird es dadurch höher und aufgrund des höheren Schwerpunkts auch weniger stabil. Ein geringer Bodenabstand erhöht die Stabilität, macht es aber schwerer, über raues Gelände zu fahren. Daher haben Offroad-Fahrzeuge gewöhnlich einen großen Bodenabstand, während bei Sportwagen, die für ebene Straßen konstruiert sind und eine hohe Stabilität benötigen, um bei hoher Geschwindigkeit Kurven zu fahren, ein kleiner Bodenabstand üblich ist.

Nachdem du jetzt mit den Grundlagen vertraut bist, werden wir sie im Folgenden in die Praxis umsetzen.

Abbildung 1-6: Der grüne Pfeil gibt den Bodenabstand dieses einfachen Buggys an. Beachte, dass gewöhnlich der Bodenabstand in der Mitte des Fahrzeugquerschnitts angegeben wird, da dieser Teil gewöhnlich am ehesten mit Hindernissen in Berührung kommt.

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Grundeinheiten und Bausteine

Die Größe von LEGO-Modellen und LEGO-Steinen wird nicht in Zentimetern oder Millimetern angegeben, sondern in der kuriosen Maßeinheit der Noppen. Ein Maß von einer Noppe entspricht der Breite des kleinsten Bausteins, genau 8 mm. Die Noppe verwenden wir auch als Maßeinheit für LEGO-Bauteile, die keine Noppensteine sind, z.B. für Stoßdämpfer und Achsen.

Wenn bei der Größenangabe eines LEGO-Bauteils keine Maßeinheit genannt wird, kannst du getrost davon ausgehen, dass Noppen gemeint sind – z.B. in Bezeichnungen wie 1x1-Stein, 2x2-Platte usw. Auf diese Weise werden Bauteile in diesem Buch bezeichnet.

HINWEIS Anstelle von »Noppe« werden manchmal auch andere Bezeichnungen verwendet, z.B. Modul, Knopf oder FLU (für Fundamental LEGO Unit, also »LEGO-Basiseinheit«). Der Buchstabe L kennzeichnet eine Längenangabe in Noppenmaß. Ein Stoßdämpfer von 6,5 L ist beispielsweise 6,5 Noppen lang.

Die Höhe ihrer Werke geben LEGO-Konstrukteure dagegen im Allgemeinen als Vielfache von Stein-oder Plattenhöhen an. Beispielsweise wird gesagt, dass etwas einen Stein hoch oder eine Platte hoch ist. Eine Steinhöhe entspricht dabei 9,6 mm, was etwas mehr ist als eine Noppenlänge (siehe Abbildung 2-1).

Abbildung 2-1: Ein 1x1-Stein ist 8 mm breit und 9,6 mm hoch.

Wie Abbildung 2-2 zeigt, sind LEGO-Platten nur ein Drittel so hoch wie ein Stein. Drei übereinander gesteckte Platten haben also dieselbe Höhe wie ein Stein.

Abbildung 2-2: Ein LEGO-Stein (links) hat dieselbe Höhe wie drei übereinandergesteckte LEGO-Platten (rechts).

HINWEIS In das Höhenmaß ist die Dicke des Knopfs oder der Noppe oben auf dem Stein nicht einbezogen, da sie in dem darüberliegenden Stein völlig verschwindet. Stattdessen wird die Steinhöhe nur von Ecke zu Ecke gemessen.

Der Technic-Stein

Wie beim klassischen LEGO-System ist auch im Technic-System die grundlegende Baueinheit der Stein, also jenes einfach zu verbindende Element, das wir alle lieben gelernt haben. Wie Abbildung 2-3 zeigt, weisen Technic-Steine jedoch Unterschiede auf. Sie haben hohle Noppen, was sie schwerer zu trennen, aber auch geeigneter für den Schwerlasteinsatz macht. Außerdem haben die meisten Technic-Steine seitliche Stiftlöcher, die jeweils mittig zwischen zwei Noppen angeordnet sind. Ein 1x2-Stein hat daher ein Loch, ein 1x4-Stein drei Löcher usw. Die Löcher in den Technic-Elementen sind für dieses Bausystem von grundlegender Bedeutung, da es dadurch möglich wird, Steine durch Stifte zu verbinden oder Achsen hindurchzulegen.

Abbildung 2-3: Ein regulärer 1x2-Stein (links) verfügt über massive Noppen und Seitenflächen, während ein Technic-stein derselben Größe (rechts) hohle Noppen und ein Loch in der Mitte aufweist.

Die Löcher liegen bei den meisten Technic-Steinen zwar mittig zwischen zwei Noppenpositionen, es gibt jedoch auch Varianten des 1x1-und des 1x2-Steins, bei denen die Löcher genau unterhalb der Noppen angeordnet sind (siehe Abbildung 2-4). Dadurch ergibt sich die gleiche Anzahl von Löchern und Noppen. Eine solche Anordnung ist für eine kompakte Bauweise mit dicht gepackten Stiften und Achsen sinnvoll. Diese Elemente können auch verwendet werden, um Bauteile um eine halbe Noppenlänge gegeneinander zu versetzen.

Abbildung 2-4: Bei manchen Technic-steinen sind die Löcher an den Noppen ausgerichtet.

In Technic-Steinen können zwei Arten von Löchern auftreten: runde Stiftlöcher und kreuzförmige Achslöcher. Wenn du dir die Form einer LEGO-Achse ansiehst, wird der Sinn dieser beiden Arten von Öffnungen deutlich: Achsen in einem Stiftloch können sich drehen, Achsen in einem Achsloch nicht (siehe Abbildung 2-5). (Beachte, dass es Achslöcher nur in Technic-Steinen der Größe 1x2 gibt.)

Abbildung 2-5: In stiftlöchern (links) werden Achsen drehbar gelagert, in Achslöchern (rechts) sind sie starr.

Stifte zum Verbinden und Drehen

Stifte sind wichtige Bauelemente des Technic-Systems, da sie Steine und Balken zusammenhalten. Ein Stift ist ein kleines Verbindungsstück, das in ein Stift-oder Achsloch eingeführt wird und zwei oder mehr benachbarte Teile verbindet. Wie du in Abbildung 2-6 erkennst, gibt es Stifte in verschiedener Länge und Form sowie mit unterschiedlicher Reibung. Stifte sind zwar einfache, aber unverzichtbare Baueile, um Technic-Konstruktionen zusammenzuhalten. Große Technic-Bausätze können mehrere hundert Stifte enthalten. So wichtig sind diese Elemente!

Wie Achsen können Stifte in Stift-und in Achslöchern verwendet werden. Im Gegensatz zu Achsen verfügen Stifte über einen Kragen, der es unmöglich macht, sie ganz durch ein Loch zu schieben. Beispielsweise ist der einfachste Stift zwei Noppen lang, wobei jede Seite eine Noppenlänge tief in ein Loch eingeführt werden kann, aber nicht tiefer. Der drei Noppen lange Stift kann an einem Ende eine Noppenlänge und am anderen zwei Noppenlängen tief eingeschoben werden. Die Kragen an den Stiften halten die Bausteine zusammen. Die Form der Stiftlöcher ist so gestaltet, dass sie diese Kragen aufnehmen kann (siehe Abbildung 2-7).

Abbildung 2-6: Die am häufigsten verwendeten Technic-Stifte (von links nach rechts: Stift, Achsstift, langer Stift, Dreiviertelstift und halber Stift)

Abbildung 2-7: Stiftlöcher (von links nach rechts: leeres Stiftloch; zwei Stiftlöcher mit Stiften, die von unterschiedlichen Seiten aus eingeführt wurden; zwei Stiftlöcher mit langen Stiften, die von unterschiedlichen Seiten eingeführt wurden)

Von manchen Stiften gibt es zwei Varianten, wobei sich die eine frei in einem Stiftloch drehen kann, während die andere einen gewissen Kraftaufwand erfordert. Der zweite Typ wird Stift mit Reibung oder Reibungsstift (Friktionsstift) genannt. Jede Art Stift gibt es jeweils in mehreren Farben. Stifte mit Reibung lassen sich unabhängig von der Farbe an den Graten und an ihrem Drehverhalten erkennen. Abbildung 2-8 zeigt eine Auswahl der am häufigsten verwendeten Stifte in verschiedenen Farben.

Abbildung 2-8: Eine Auswahl gebräuchlicher Stifte

Stift Regulär (hellgrau); Variante mit Reibung (schwarz)

Achsstift Regulär (hellbraun, früher hellgrau); Variante mit Reibung (blau)

Langer Stift Regulär (hellbraun, früher hellgrau); Variante mit Reibung (blau, früher schwarz)

Dreiviertelstift Regulär (dunkelgrau); keine Variante mit Reibung verfügbar

Halber Stift Regulär (blau, früher hellgrau); keine Variante mit Reibung verfügbar

Nachdem wir die gebräuchlichsten Technic-Stifte kennengelernt haben, wollen wir uns einige der weniger üblichen ansehen. Abbildung 2-9 zeigt eine Auswahl von besonderen Stiften. In den meisten Fällen handelt es sich um Abwandlungen der grundlegenden Stifte für besondere Aufgaben.

Abbildung 2-9: Eine Auswahl von Sonderstiften

Halber Stift mit 2L-Stange Regulär (hellgrau); keine Variante mit Reibung verfügbar. Dies ist eine Kombination aus einem halben Stift mit einer 2L-Stange, die die gleiche Dicke hat wie eine normale LEGO-Antenne oder -Stange. Wie Abbildung 2-10 zeigt, passt eine LEGO-Antenne oder -Stange in die Hand eines LEGO-Männchens, aber auch in die hohle Noppe auf einem Technic-Stein.

Abbildung 2-10: Ein LEGO-Männchen hält eine stange (grün) und eine Antenne (schwarz) in seinen Händen.

Langer Stift mit Stiftloch Regulär (hellgrau, schwarz oder rot); keine Variante mit Reibung erhältlich.

Langer Stift mit Stopper Keine reguläre Variante erhältlich; Reibungsvariante in verschiedenen Farben. Dieser Stift kann wie ein normaler 2L-Reibungsstift verwendet werden, wobei der Stopper jedoch verhindert, dass er leicht herausgezogen werden kann. Er wird häufig in Techic-Bausätzen für strukturelle Verbindungen eingesetzt, die sich wieder leicht entfernen lassen.

Stift mit Kugelkopf Variante mit Reibung (schwarz). Dieser Stift dient gewöhnlich als Anschlussstelle für LEGOGelenkverbindungn, wie du in Abbildung 2-11 siehst.

Abbildung 2-11: zwei Kugelköpfe können verbunden werden, z.B. für Teile einer Aufhängung, die sich in Bezug zueinander bewegen müssen.

Achsstift mit Kugelkopf Dies ist eine Variante des normalen Stifts mit Kugelkopf. Verfügbar ist er in Hellgrau.

Balken – die Alternative ohne Noppen

Neben Steinen umfasst das Technic-System auch sogenannte Balken oder Liftarme. Wie Abbildung 2-12 zeigt, handelt es sich dabei um Steine, die sozusagen auf die Stiftlöcher reduziert wurden. Es gibt sie in verschiedenen Größen und Formen, und manche Balken haben sogar Achslöcher.

Abbildung 2-12: Ein Technic-stein der Größe 1x4 (links) und ein Technic-Balken der Größe 1x3 (rechts)

Da auf der Oberseite die üblichen LEGO-Noppen fehlen, werden Balken als noppenlose Elemente bezeichnet, während Steine und Platten Noppenelemente sind. Die gleichen Bezeichnungen werden auch auf Konstruktionen angewendet, bei denen hauptsächlich eine dieser Arten von Bauteilen genutzt wird. Beispielsweise kannst du ein Auto aus einem Noppenrumpf auf einem noppenlosen Chassis bauen. (In Kapitel 3 werden die Unterschiede zwischen Elementen mit und ohne Noppen ausführlich besprochen, weshalb wir das Thema hier nur kurz anreißen.)

Viele noppenlose Elemente weisen komplizierte Formen auf, für die es keine Entsprechung bei den Noppenteilen gibt, wie du in Abbildung 2-13 sehen kannst.

Abbildung 2-13: Komplizierte Formen von noppenlosen Elementen

Das Höhe/Breite-Verhältnis beträgt bei Steinen 6:5, bei Balken dagegen 7:8. Ein einfacher Balken kann bis zu 15 Noppen lang sein, ist aber stets eine Noppe (9 mm) breit und 7 mm hoch. Beispielsweise erkennst du in Abbildung 2-14 den kleinen Höhenunterschied zwischen dem 9,6 mm hohen Stein und dem 7 mm hohen Balken.

Abbildung 2-14: Steine (links) und Balken (rechts) sind nicht gleich hoch.

Beachte, dass Noppenelemente über die Stiftlöcher mit noppenlosen Elementen verbunden werden können.

Noppenlose Elemente sind symmetrisch. Ihre Ober-und Unterseite sind identisch, was sie weit vielseitiger macht als Steine (siehe Abbildung 2-15). Beim Bauen mit Steinen ist die Ausrichtung wegen der Noppen wichtig, bei Balken spielt sie dagegen keine Rolle.

Abbildung 2-15: Vergleich zwischen einer Konstruktion mit Balken (links) und Steinen (rechts)

Ein Block aus sechs über Stifte verbundenen 1x5-Balken ist symmetrisch. Du kannst ihn um 90, 180 und 270 Grad drehen, und er sieht immer gleich aus. Dagegen ist ein Block aus vier über Stifte verbundene 1x6-Steine unsymmetrisch. Durch eine Drehung ändert sich die Ausrichtung der Noppen, was Einfluss darauf hat, wie du daran weiterbauen kannst.

Die Noppenelemente in LEGO-Technic-Bausätzen sind inzwischen fast vollständig durch noppenlose Teile abgelöst worden, was Höhenangaben in Stein-und Plattenhöhen unzweckmäßig macht. Was die Abmessungen angeht, weisen noppenlose Elemente den Vorteil der Orientierungsunabhängigkeit auf: Es spielt keine Rolle, ob du sie vertikal oder horizontal anordnest.

Bei Technic-Modellen wird die Höhe daher gewöhnlich in Noppenlängen ausgedrückt. Zur Angabe der Höhe wird der Abstand zwischen den Löchern in Technic-Steinen oder -Balken herangezogen. Wichtig: Bei einem vertikalen Aufbau von Steinen können die Lochabstände durch Platten dazwischen ausgeglichen werden, sodass sie zu den Lochabständen der Balken passen. Wie Abbildung 2-16 zeigt, weisen zwei Steine, die durch zwei Platten voneinander getrennt sind, einen Abstand von genau drei Noppenlängen zwischen ihren Stiftlöchern auf.

Abbildung 2-16: Die Grundregel für die Ausrichtung von noppenlosen und noppenbewehrten Elementen: Löcher in zwei Steinen, zwischen denen zwei Platten liegen, sind genau drei Noppenlängen voneinander entfernt.

Mit diesem Trick kannst du Steine und Platten durch die richtige Schichtung genau an senkrecht stehenden Balken ausrichten. Um beispielsweise einen senkrechten Abstand von fünf Noppenlängen zwischen den Stiftlöchern zu erzielen, musst du zwei Steine durch sieben Platten, durch einen Stein und vier Platten oder durch zwei Steine und eine Platte trennen (da eine Steinhöhe drei Plattenhöhen entspricht). Abbildung 2-17 zeigt weitere Beispiele für die Ausrichtung von Elementen mit und ohne Noppen.

Abbildung 2-17: Beispiele für die Ausrichtung von Elementen mit und ohne Noppen

Wie Abbildung 2-18 zeigt, sorgt der Unterschied zwischen einer Noppenlänge und einer Steinhöhe dafür, dass sechs übereinandergesteckte Steine genau sieben Noppen hoch sind. Diese Beziehung wiederholt sich, sodass 11 gestapelte Steine 13 Noppen hoch sind usw.

Abbildung 2-18: Wenn du einen stein mit einem vertikalen Balken verbindest, sind die nächsten verbindungen alle fünf steine möglich.

Die halbe Noppenlänge als Mindestbaumaß

Das grundlegende Baumaß von LEGO ist zwar die einzelne Noppenlänge, doch sind manche Teile kleiner. Beispielsweise sind Platten nur ein Drittel einer Noppenlänge hoch und manche Balken nur eine halbe Noppe dick. Wie Abbildung 2-19 zeigt, weisen die noppenlosen Elemente von einer halben Noppe Dicke eine Menge Achslöcher auf, was sie für starre Strukturen mit komplizierten Formen geeignet macht.

Abbildung 2-19: verschiedene Teile mit einer Dicke von einer halben Noppenlänge

Bei diesen Teilen ist es möglich, die halbe Noppenlänge als Mindesteinheit zu verwenden. Das ist praktisch bei der Kombination von noppenlosen Elementen (die gewöhnlich ungeradzahlige Maße aufweisen) mit noppenbewehrten (die geradzahlige Maße haben). Reguläre Stifte sind für die Stiftlöcher von dünnen Elementen (halbe Noppenlänge dick) zu lang, dafür aber sind Dreiviertelstifte hervorragend geeignet. Abbildung 2-20 zeigt, wie du Teile mit einer Dicke von einer halben und von einer ganzen Noppenlänge über Dreiviertelstifte miteinander verbindest. Ein Ende des Dreiviertelstifts passt in das Stiftloch von einer halben Noppenlänge Tiefe des dünnen Balkens, während das andere das eine Noppenlänge tiefe Loch des Steins ausfüllt.

Abbildung 2-20: Der Dreiviertelstift eignet sich am besten für dünne Elemente.

Abbildung 2-21: von links nach rechts: ein halber stift, ein dreiviertelstift und ein regulärer stift zum Festhalten eines dünnen Balkens

Da halbe Stifte nicht ganz in einen Balken hineinragen, können sie leicht herausfallen. Dreiviertelstifte dagegen gehen durch die ganze Breite des Balkens hindurch und halten ihn sicher fest, ohne dass irgendwelche Teile herausragen. Auch mit regulären Stiften können Balken festgehalten werden, allerdings ragen sie um eine halbe Noppenlänge heraus, sodass der Balken auf diesem überstehenden Teil hin-und herrutschen kann. Abbildung 2-21 zeigt, wie diese drei Arten von Stiften einen dünnen Balken festhalten.

Zwei Tricks zum Bauen mit halben Noppenlängen

Beim Bauen mit LEGO-Steinen bist du nicht darauf angewiesen, eine Noppenlänge als kleinstes Maß zu verwenden. Mit zwei Techniken ist es möglich, LEGO-Steine um eine halbe Noppenlänge zu versetzen. In Abbildung 2-22 wird dazu eine Brückenplatte verwendet, also eine 1x2-Platte mit einer einzelnen mittigen Noppenreihe auf der Oberseite. Damit kann ein Stein um eine halbe Noppenlänge gegenüber den darunterliegenden versetzt werden. In Abbildung 2-23 wird die zweite Technik verwendet, bei der Technic-Stifte eingesetzt werden. Wenn du ein Ende des Stifts in einen 1x2-Stein mit Loch und das andere in einen 1x1-Stein mit Loch einführst, kannst du ebenfalls einen Versatz um eine halbe Noppenlänge erreichen.

Abbildung 2-22: Steine mithilfe einer Brückenplatte um eine halbe Noppenlänge versetzen

Abbildung 2-23: Steine mithilfe von Technic-Stiften um eine halbe Noppenlänge versetzen

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Mit oder ohne Noppen?

In Kapitel 2 haben wir uns kurz die Unterschiede zwischen zwei Arten des Bauens mit LEGO-Elementen angesehen, nämlich der Konstruktion ohne Noppen (mit Balken) und der mit Noppen (mit Steinen und Platten). Diese beiden Baustile weichen erheblich voneinander ab und bieten jeweils ihre eigenen Vorteile. Allerdings lassen sich die beiden Bauweisen auch kombinieren, um in einer einzigen Konstruktion für die einzelnen Aspekte jeweils die am besten geeignete Technik zu verwenden. Tatsächlich werden bei den heutigen LEGO-Technic-Bausätzen und Eigenbauten (von den Konstrukteuren auch MOCs für »My Own Creation« genannt) beide Ansätze kombiniert, statt eine rein noppenlose oder noppenbewehrte Technik zu verfolgen.

Erfolgreiche Bastler wissen, welche Kombination sich für eine bestimmte Konstruktion am besten eignet, welcher Stil die Grundlage bilden soll und bis zu welchem Ausmaß der andere Stil berücksichtigt werden sollte. Diesen Fragen widmen wir uns in diesem Kapitel.

Als Erstes sehen wir uns die Vor-und Nachteile der einzelnen Techniken an und vergleichen sie miteinander. Dann kümmern wir uns darum, wie diese beiden Techniken kombiniert werden können, um ihre jeweiligen Vorteile zu nutzen. Dazu ziehen wir sowohl offizielle LEGO-Bausätze als auch Eigenbauten (wie meinen Monster-Truck aus Abbildung 3-1) als Beispiele heran.

Die Entwicklung des LEGO-Systems

Das LEGO-System basierte ursprünglich vollständig auf Noppenkonstruktionen. Die ersten noppenlosen Teile tauchten auf, als die Produktreihe LEGO Technic schon gut entwickelt war. Ursprünglich waren sie nur als Ergänzung für den Noppenbaustil gedacht und nicht als Ausgangspunkt eines ganz neuen Stils. Aber als sich die Technic-Bausätze weiterentwickelten, erwiesen sich die noppenlosen Teile als äußerst beliebt, sodass die noppenbewehrten fast völlig von der Bildfläche verschwanden.

Heute sind die meisten Technic-Bausätze noppenlos, wobei einige wenige Noppenbauteile kleine Details zu mechanisch und funktional bereits ausgereiften Konstruktionen beisteuern. Wenn du bedenkst, dass die meisten neuen Spezialelemente wie Elektromotoren, Pneumatikschalter, Drehscheiben und Aktoren eigens für den noppenlosen Baustil ausgelegt sind, wird offensichtlich, dass noppenlose Teile bei Technic heute die entscheidende Rolle spielen. Um mit den neuen Ergänzungen zum Technic-System Schritt halten zu können, ist es wichtig zu lernen, wie man mit noppenlosen Teilen baut, auch wenn dies meistens eine größere Herausforderung darstellt als die klassische Noppenbauweise.

Allerdings sollten wir die Noppenelemente auch nicht komplett über Bord werfen. Viele Amateurkonstrukteure folgen nicht der offiziellen Lehre der LEGO Group, sondern veröffentlichen weiterhin Eigenbauten im Noppenbaustil, die sowohl funktionieren als auch gut aussehen (wie mein Kenworth-Truck aus Abbildung 3-2).

Abbildung 3-1: Bei meinem Monster-Truck-Modell folgte ich der Vorgehensweise der modernen LEGO-Technic-Bausätze: Die Konstruktion ist fast vollständig noppenlos, wobei einige Noppenbauteile zusätzlich für kleine Details verwendet wurden, z.B. für den Kühlergrill.

Abbildung 3-2: Mein Modell eines Kenworth-Trucks ist außen komplett mit Noppenelementen gebaut. Im Inneren enthält er jedoch eine Reihe von Mindstorms-NXT-Elementen, die sich am besten für noppenlose Strukturen eignen.

Konstruktion mit Noppenelementen

Die Grundelemente des Noppenbaustils sind Technic-Steine und reguläre Platten. Von regulären LEGO-Bausteinen unterscheiden sich die Technic-Steine durch die Löcher in den Noppen und durch etwas dickere Zapfen im Inneren (siehe Abbildung 3-3).

Abbildung 3-3: Vergleich eines regulären LEGO-Steins (rot) und eines Technic-Steins (gelb)

Dank des geänderten Designs lösen sich Technic-Steine nicht so leicht voneinander, wenn Querkräfte auf sie ausgeübt werden. (Es ist jedoch nach wie vor einfach, sie absichtlich auseinanderzuziehen.) Um deine Konstruktion widerstandsfähig gegenüber hohen Drehmomenten zu machen, musst du die Noppensteine mit Stiften und anderen Teilen zusammenhalten. Noppenlose Balken lassen sich platzsparender einsetzen als Technic-Steine mit Noppen, wie Abbildung 3-4 zeigt.

Noppenkonstruktionen sichern

Wenn du zu einer Kombination von LEGO-Steinen noch weitere Teile hinzufügst, um sie zusammenzuhalten, so sicherst du sie damit. Technic-Steine werden gewöhnlich zusammen mit Platten verwendet, um eine vertikale Sicherung zu bilden. Die Kombination Stein-Platte-Platte-Stein sorgt für einen sauberen vertikalen Abstand der Stiftlöcher von Steinen und ermöglicht eine Sicherung durch ein vertikales Element (siehe Abbildung 3-5). Eck-und Scharnierplatten ermöglichen rechtwinklige Verbindungen wie in Abbildung 3-6 und sogar Verbindungen in spitzen oder stumpfen Winkeln wie in Abbildung 3-7.

Abbildung 3-4: Zwei 1x6-Technic-Steine werden vertikal gesichert, um zu verhindern, dass sie sich lösen, wenn ein hohes Drehmoment auf die Zahnräder ausgeübt wird. Die noppenlose Klammer (links) braucht weniger Platz als die mit Noppen (rechts). Das lässt Raum für Platten oberhalb und unterhalb der beiden Steine oder für größere Zahnräder.

Abbildung 3-5: Die Kombination Stein-Platte-Platte-Stein sorgt für einen Abstand von Steinen, der vertikale Verbindungen möglich macht. Durch die Einschaltung der Platten sind die Stiftlöcher in den Steinen genau eine Noppenlänge entfernt.

Abbildung 3-6: Derrote Stein wird zwarnicht direkt gesichert, aber durch die L-förmigen Eckplatten festgehalten. Diese Platten wiederum sind durch vertikale Steine gesichert.

Abbildung 3-7: Zwei gesicherte Scharnierplatten fixieren den roten Technic-Stein und erlauben es gleichzeitig, ihn in einem beliebigen Winkel anzuordnen.

Die Verwendung von Platten als Abstandshalter hat jedoch einen Nachteil, denn dadurch wird die Anzahl der Stiftlöcher im Vergleich zu einer komplett noppenlosen Struktur derselben Größe verringert, wie Abbildung 3-8 zeigt. Daher können Noppenstrukturen weniger Achsen und andere Elemente aufnehmen, für die Stiftlöcher erforderlich sind.

Abbildung 3-8: Wie diese beiden überlagerten Bilder zeigen, weist die Kombination aus steinen und Platten (gelb) weniger stiftlöcher auf als die Konstruktion aus noppenlosen Balken (rot), nämlich sechs statt neun. Außerdem nimmt sie erheblich mehr Platz ein.

Im Allgemeinen sind Noppenkonstruktionen größer und schwerer als noppenlose und weniger kompakt. Häufig müssen sie gesichert werden, allerdings sind die Strukturen, die sich daraus ergeben, sehr starr. Außerdem sind sie wegen ihrer Asymmetrie orientierungsabhängig. Das heißt, die Richtung, in die die Noppen zeigen, bestimmt die Anzahl möglicher Kombinationen mit anderen Teilen.

Darüber hinaus eignen sich Noppenkonstruktionen nicht gut für vertikale Elemente. Beispielsweise lassen sich senkrechte Achsen nur schwer in Noppenstrukturen verankern.

Vorteile von Noppenkonstruktionen

Noppenkonstruktionen zeichnen sich im Allgemeinen durch folgende Vorteile aus:

Sie lassen sich leicht horizontal kombinieren.

Sie lassen sich leicht mit Nicht-Technic-Elementen kombinieren und eignen sich daher besser für ein kreatives Design.

Sie können sehr starre Strukturen mit festen horizontalen Verbindungen bilden.

Es lassen sich viele verschiedene Arten von Platten für Verbindungen in unterschiedlichen Winkeln nutzen.

Es ist möglich, eine starre Verbindung zu bilden, die die Orientierung der Elemente zueinander bewahrt.

Nachteile von Noppenkonstruktionen

Im Allgemeinen weisen Verbindungen mit Noppen folgende Nachteile auf:

Um zu verhindern, dass sich die Bauteile bei Wirken eines Drehmoments vertikal voneinander lösen, ist eine Sicherung erforderlich.

Die Stiftlöcher sind weniger dicht verteilt, weshalb die Konstruktionen größer werden.

Sie sind nicht symmetrisch, sodass ihre Ausrichtung bestimmt, wie leicht sie kombiniert werden können.

Sie passen nicht auf Anhieb zu den meisten modernen Spezialbauteilen wie Motoren und Aktoren.

Vertikale Elemente wie Achsen und Getriebezahnräder lassen sich nur schlecht befestigen.

Sie sind größer und schwerer als noppenlose Bauten.

Noppenlose Konstruktionen

Beim noppenlosen Baustil werden Balken mit Stiften und einer Vielzahl von Spezialverbindern zusammengefügt. Da Balken symmetrisch sind, können sie in beliebiger Ausrichtung kombiniert werden, was echtes dreidimensionales Bauen ermöglicht (siehe Abbildung 3-9). In den meisten Fällen werden Balken mit den normalen Technic-Stiften verbunden. Wie Abbildung 3-10 zeigt, gibt es jedoch auch einige noppenlose Verbinder mit integrierten Stiften.

Abbildung 3-9: Diese Struktur besteht aus noppenlosen Rahmen, die mit stiften und Lagerbuchsen verbunden sind. Aufgrund ihrer symmetrie gibt es keine ausgezeichnete Ober-oder Unterseite. Im Gegensatz zu Konstruktionen mit Noppen können Achsen hier aus allen Richtungen eingeführt werden.

Abbildung 3-10: Die meisten noppenlosen Verbinder weisen lediglich Stift-und Achslöcher auf (gelb), doch einige verfügen auch über integrierte Stifte (rot).

Starre noppenlose Verbindungen

Noppenlose Teile lassen sich weit schwieriger voneinander trennen als Steine und Platten, aber das bedeutet nicht zwangsläufig, dass solche Verbindungen starr sind. Da die Stifte rund sind, können sich zwei noppenlose Elemente, die nur über einen einzigen Stift miteinander verbunden sind, gegeneinander verdrehen. Bei der Verwendung von Reibungsstiften treten solche Drehungen nicht so leicht auf. Um eine wirklich starre, statische Verbindung zu erzielen, müssen für eine Verbindung jedoch mindestens zwei Stifte eingesetzt werden.

Abbildung 3-11 zeigt den Unterschied zwischen starren und nicht starren Verbindungen. Der Vorteil starrer Verbindungen besteht darin, dass starre noppenlose Strukturen beim Hinzufügen von Achsen und Zahnrädern gewöhnlich keine zusätzliche Sicherung benötigen, da die Teile auch bei Wirken von Drehmomenten an Ort und Stelle verbleiben (siehe Abbildung 3-12). Auch mithilfe von Achslöchern können sehr einfach starre Verbindungen konstruiert werden, wie Abbildung 3-13 zeigt.

Abbildung 3-11: Eine nicht starre (links) und eine starre (rechts) Verbindung zwischen noppenlosen Bauteilen im Vergleich. Bei der nicht starren Verbindung bleiben die Elemente zwar zusammen, aber ihre Orientierung zueinander kann sich ändern: Unabhängig vom Typ des Stifts für die Verbindung kann sich der gelbe Balken nach links oder rechts drehen. Bei einer starren Verbindung sind die Teile nicht nur verbunden, sondern auch fixiert, sodass sich ihre Orientierung zueinander nicht ändert.

Abbildung 3-12: Teile, die über eine starre Verbindung zusammengehalten werden, benötigen gewöhnlich keine zusätzliche Sicherung, um auch bei Wirken eines Drehmoments zusammenzubleiben. Aufgrund der starren Verbindungen verhalten sich diese vier Bauteile wie ein einziges.

Abbildung 3-13: Wenn du zwei noppenlose Elemente über Achslöcher verbindest, reicht eine einzige Achse aus, um eine starre Verbindung zwischen ihnen herzustellen. Diese Verbindung ist jedoch nicht so stark wie eine aus zwei oder mehr Stiften.

Balken sind kleiner und leichter als Steine, aber auch elastischer. Daher biegen oder verziehen sich lange Balken eher als lange Steine, was es schwieriger macht, große, starre Strukturen zu erstellen. Dazu sind komplizierte Verbindungen mithilfe kleinerer Teile erforderlich. Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich, wenn du eine rechtwinklige Verbindung zwischen zwei Balken herstellen willst, ohne sie übereinanderzumontieren. Das ist nur mit einem rechtwinkligen Verbinder oder mit einem noppenlosen 5x7-Rahmen möglich (siehe Abbildung 3-14). Diese Rahmen sind sehr beliebt und können auch zur Sicherung eingesetzt werden.

Abbildung 3-14: Es gibt nur zwei Arten von Teilen (hellgrau), mit denen sich auf einfache Weise starre, rechtwinklige verbindungen zwischen Balken in derselben Ebene erzielen lassen.

Da es sowohl Stift-als auch Achslöcher gibt, können noppenlose Teile und Verbinder auch über Achsen verbunden werden, um größere, robustere Strukturen zu konstruieren. Aufgrund der Komplexität der noppenlosen Bautechnik erfordern solche Verbindungen eine Vorausplanung (siehe Abbildung 3-15). Bei strukturellen Achsverbindungen musst du schon eine recht genaue Vorstellung von der Größe der Struktur haben und wissen, welche Stiftlöcher für Stifte genutzt werden können und welche du für Achsen reservieren musst. Durch diese Überlegungen stellt das Bauen mit noppenlosen Teilen eine größere Herausforderung dar. Es heißt, dass diese Vorgehensweise dem Schachspielen ähnelt. Der Konstruktor muss immer einige Schritte im Voraus planen.

Abbildung 3-15: Dieses Getriebe habe ich aus noppenlosen teilen zusammengebaut. dazu musste ich planen, welche stiftlöcher ich für Achsen verwenden wollte und welche für stifte. außerdem musste ich ermitteln, wie viele verbindungen notwendig waren, um eine starre struktur zu bekommen, und die durch ihre Form und Größe am besten geeigneten teile sorgfältig auswählen.

Wenn du lernst, hauptsächlich mit noppenlosen Teilen zu bauen, kannst du stärkere, robustere und kompaktere Strukturen erstellen. Noppenlose Eigenbauten sind daher gewöhnlich funktionaler, kleiner und leichter als solche mit Noppen. Allerdings können sie deinem Modell auch ein eher skelettartiges oder »hohles« Erscheinungsbild verleihen. Um das zu vermeiden und um gut aussehende noppenlose Modelle zu erstellen (wie den Ford GT40 in Abbildung 3-16), kannst du Paneele als Verkleidungen verwenden oder flexible Achsen (Softachsen). Oder du kannst eine noppenlos gebaute Innenstruktur mit einem Noppenmantel kombinieren, was wir uns weiter hinten in diesem Kapitel genauer ansehen werden.

Vorteile von noppenlosen Konstruktionen

Im Allgemeinen weisen Verbindungen ohne Noppen folgende Vorteile auf:

Die Teile lassen sich auf einfache Weise in jeder Richtung kombinieren, was dreidimensionales Bauen ermöglicht.

Die Teile lassen sich auf einfache Weise mit den meisten modernen Technic-Elementen wie Motoren und Aktoren kombinieren.

Die Teile haben mehr Stiftlöcher, was kompakte Konstruktionen ermöglicht.

Es sind nur selten zusätzliche Sicherungen erforderlich (wenn du starre Verbindungen verwendest).

Die Teile sind kleiner und leichter als solche mit Noppen.

Abbildung 3-16: Mein Ford-GT40-Modell hat eine komplett noppenlose Karosserie. Dabei habe ich Balken, Paneele und flexible Achsen verwendet, um die fließenden Linien der Vorlage nachzustellen. Mit noppenlosen Teilen können Formen gebildet werden, die sich mit Steinen nicht nachbilden lassen. Das geht allerdings auf Kosten mancher ungeschriebener Gesetze der Modellierung. Beispielsweise wurde die Form der Motorhaube hier durch Paneele auf eine Weise angenähert, die mit Noppenelementen nicht möglich wäre, wobei allerdings Lücken auftreten.

Nachteile von noppenlosen Konstruktionen

Im Allgemeinen weisen Verbindungen ohne Noppen folgende Nachteile auf:

Sie sind weniger starr; größere noppenlose Strukturen müssen sehr komplex gebaut (oder gesichert) werden, um ihre Form zu fixieren.

Die Teile lassen sich schwerer mit Nicht-Technic-Elementen kombinieren.

Für eine starre Verbindung sind mindestens zwei Stifte erforderlich; zum Aussteifen werden häufig zusätzliche Teile mit komplizierten Formen benötigt.

Die Konstruktionen sehen nicht immer so gut aus wie diejenigen aus Steinen.

Die Baustile kombinieren

Der Schlüssel dazu, sowohl gut aussehende als auch gut funktionierende Eigenbauten zu erstellen, besteht darin, die beiden Baustile auf geschickte Weise zu vereinbaren. Bei Fahrzeugmodellen sind Chassis und Karosserie oft voneinander unabhängig, was wir ausnutzen können. Beispielsweise führt die Kombination einer noppenlosen Karosserie mit einem Chassis aus Noppenelementen zu einem robusten, aber leichten Modell. Das ist eine beliebte Vorgehensweise bei großmaßstäblichen Bauten, bei denen das Gewicht ernsthaft zu bedenken ist. Wenn du dagegen eine Noppenkarosserie mit einem noppenlosen Chassis kombinierst, bekommst du ein kompaktes, gut aussehendes Modell mit vielen Funktionen.

Anregungen durch Technic-Bausätze

Bevor sich die Technic-Produktreihe zu der hauptsächlich noppenlosen Vorgehensweise entwickelte, wurden die beiden Baustile in den klassischen LEGO-Bausätzen auf geniale Weise vermischt. Die Abbildungen 3-17 bis 3-27 zeigen Beispiele verschiedener Baustile und sollen als Anregung für Eigenbauten dienen.

Abbildung 3-17: Der Jeep-Bausatz 8850 ist einer der letzten LEGO-Technic-Bausätze, in denen ausschließlich Noppenelemente verwendet werden. Der Umriss des Jeeps wurde ziemlich gut nachgebildet, doch dass die Steine in unterschiedliche Richtungen zeigen, wirkt etwas chaotisch.

Abbildung 3-18: Beim Space-Shuttle-Bausatz 8480 wird die komplizierte Form des echten Raumfahrzeugs mithilfe von Steinen und Scharnierplatten hervorragend nachgebildet. Es werden noppenlose Teile verwendet, allerdings sind sie noch nicht vorherrschend.

Abbildung 3-19: Der Designer-Car-Bausatz 8448 weist ein Noppenchassis unter einer noppenlosen Karosserie auf. Dadurch wird in diesem Modell die Festigkeit von Noppenverbindungen (die bei dieser Größe von entscheidender Bedeutung ist) mit der Leichtigkeit von noppenlosen Teilen kombiniert.

Abbildung 3-20: Der Offroader-Bausatz 8466 ist ein weiteres großes Automodell, bei dem jedoch nur noch der Mittelteil des Chassis aus Noppenelementen gebaut ist. Dieses Mittelstück sorgt für die Festigkeit, die für die eindrucksvolle Aufhängung des Autos erforderlich ist. Abgesehen davon ist der Bausatz jedoch hauptsächlich noppenlos konstruiert.

Abbildung 3-21: Der Super-Car-Bausatz 8070 kann als direkter Nachfahre des Bausatzes 8448 betrachtet werden. Er ist komplett noppenlos konstruiert und verfügt über ein sehr starres, allerdings auch kürzeres Chassis.

Abbildung 3-22: Der viel gepriesene Kranwagen-Bausatz 8421 besteht hauptsächlich aus noppenlosen Teilen. Für die am stärksten belasteten Teile des Auslegers werden jedoch Steine und Platten verwendet.

Abbildung 3-23: Der Abschlepptruck-Bausatz 8285 stellt eine hervorragende Leistung bei der Kombination eines starren und robusten noppenlosen Chassis für ein schweres Fahrzeug dar. Es sind jedoch nach wie vor Noppenelemente vorhanden. Beachte die geschickte Verwendung eines Technic-Steins, um das Nummernschild an der vorderen Stoßstange zu befestigen.

Abbildung 3-24: Der Bausatz 8043 für einen motorisierten Raupenbagger weist ein realistisches Erscheinungsbild auf, das mit noppenlosen Paneelen nachgebildet wurde. Zur Gestaltung des Hecks wurden jedoch auch Noppenelemente verwendet, vor allem Fliesen und Rundplatten.

Abbildung 3-25: Es gibt LEGO-Paneele in erstaunlichen Formen. Der Quad-Bike-Bausatz 8262 zeigt, dass sich mit diesen Verkleidungen eine hervorragende ästhetische Wirkung erzielen lässt.

Abbildung 3-26: Die Kabine des Pistenräumer-Bausatzes 8263 weist eine Reihe von Einzelheiten auf, die zu klein sind, um sie durch noppenlose Teile nachzuformen. Daher werden dafür zahlreiche Noppenelemente verwendet.

Abbildung 3-27: Der Buggy-Bausatz 8048 ist ein hervorragendes Beispiel dafür, wie ausschließlich mit noppenlosen Elementen kleine, authentisch wirkende Fahrzeuge gebaut werden können.

In modernen LEGO-Technic-Bausätzen werden Noppensteine nur noch dort verwendet, wo es unbedingt notwendig ist, sodass es auch nur noch kleine Unterschiede zwischen der Konstruktion von Chassis und Karosserie gibt. Bei Eigenbauten kannst du jedoch weit dramatischere Effekte erzielen. Um hervorragend aussehende Modelle zu gestalten, kannst du eine Noppenkarosserie um ein noppenloses Chassis herum konstruieren und dabei eine Vielzahl klassischer LEGO-Steine einbauen. Viele versierte Bastler verzichten ganz auf die Technic-Ästhetik und versuchen stattdessen, ihre Modelle so realistisch aussehen zu lassen wie möglich, wozu sie jegliche LEGO-Bauteile heranziehen, die sich dafür eignen. Dies wird häufig als Model-Team-Ansatz bezeichnet, eine Anspielung auf die eingestellte Produktreihe »LEGO Model Team« mit großmaßstäblichen Fahrzeugmodellen. Dadurch ergeben sich Technic-Modelle, die wirklich funktionieren – was den Antrieb, die Lenkung, das Getriebe usw. angeht –, die aber nicht wie Technic-Modelle aussehen. Bei dieser Bautechnik, die nur im mittleren und großen Maßstab möglich ist, werden Technic-Strukturen durch Steine und Platten abgedeckt, um alle Stiftlöcher, Achsen, Drähte und Motoren zu verbergen. Die Abbildungen 3-28 bis 3-30 zeigen Beispiele von Model-Team-Konstruktionen. In Abbildung 3-31 siehst du dagegen ein Modell aus noppenlosen Elementen, Paneelen und flexiblen Achsen als Gegenbeispiel.

Abbildung 3-28: Mein Humvee-Modell weist eine Noppenkarosserie auf einem gemischten Chassis auf. Die zentrale Tragstruktur des Chassis besteht aus Noppenelementen. Die Bereiche zwischen den Rädern, bei denen es auf eine möglichst kompakte Bauweise ankam, sind dagegen noppenlos konstruiert. Das Ergebnis ist ein Modell, das für seinen Funktionsumfang sehr starr und kompakt, aber auch sehr schwer ist.

Abbildung 3-29: Mein Modell des RG-35 4x4 MRAP (ein gepanzerter Mannschaftstransporter) weist ein komplett noppenloses Chassis und eine Karosserie ganz aus Noppenelementen auf. Das realistische Modell ist äußerst kompakt, die dichte Bauweise der Karosserie machte es jedoch kopflastig.

Abbildung 3-30: In meinem Modell eines Wachturms aus dem Spielportal habe ich den eiförmigen Rumpf mit einer anspruchsvollen Kombination von Bauteilen geformt. Der Rumpf besteht aus fünf separaten Teilen aus Noppenelementen – vorn, hinten, links, rechts und oben –, die an einem noppenlosen Gerüst befestigt sind. Mit den vorhandenen noppenlosen Elementen wäre es nicht möglich gewesen, diese Form nachzubilden.

Abbildung 3-31: Bei meinem Ford-GT40-Modell habe ich Noppenelemente nur für kleine Einzelheiten der Karosserie und des Fahrgastraums verwendet. Diesem Modell mangelt es ein bisschen an Festigkeit, aber es wiegt bei einer Länge von mehr als 50 cm nur 2,35 kg. Dies ist ein Gegenbeispiel zur Model-Team-Bauweise.

Steine und Balken verbinden

Nachdem wir uns jetzt zur Anregung einige Modelle angesehen haben, bei denen noppenlose und noppenbewehrte Teile erfolgreich kombiniert wurden, wollen wir uns im Folgenden damit beschäftigen, wie wir diese beiden Arten von Elementen in der Praxis miteinander verbinden. Abbildung 3-32 zeigt die übliche Verbindung mithilfe von Stiften. Es ist jedoch auch möglich, halbe Stifte wie normale Noppen einzusetzen, wie du in den Abbildungen 3-33 und 3-34 erkennen kannst.

Abbildung 3-32: Balken können mithilfe von Stiften sehr leicht mit Steinen verbunden werden. Zur genauen Ausrichtung können wir sowohl reguläre Technic-Bausteine (blau) als auch Steine mit Stiftlöchern direkt unterhalb der Noppen verwenden.

Abbildung 3-33: Werden halbe Stifte in Stiftlöcher eingeführt, funktionieren ihre überstehenden Enden wie Noppen. Steine und Platten können fest daraufgesteckt werden. Die genaue Ausrichtung können wir bestimmen, indem wir die Position der Halbstifte mit Bedacht auswählen.

Manche Verbindungen werden als »falsch« angesehen, da die Bauteile dabei um eine nicht ganzzahlige Noppenlänge versetzt werden (siehe Abbildung 3-35). Solche nicht fluchtenden Verbindungen sind zwar stabil, machen die Vollendung des Modells aber äußerst schwierig, da die Abstände zwischen den Teilen nicht mehr ganzzahlige Vielfache einer Noppenlänge sind.

Elektrische Bauteile sind gewöhnlich so konstruiert, dass sie entweder zu Strukturen mit oder ohne Noppen passen. Daher kann es kompliziert werden, sie in Modelle mit gemischten

Abbildung 3-34: Da noppenlose Elemente symmetrisch sind, lassen sich anspruchsvolle Verbindungen erzielen, die in mehrere Richtungen erweitert werden können.

Abbildung 3-35: Diese Verbindung, bei der Noppen in die Stiftlöcher eines Balkens greifen, ist zwar stabil, wird aber als »falsch« betrachtet. Das liegt daran, dass die Stiftlöcher der beiden Steine nicht mehr um ein ganzzahliges Vielfaches einer Noppenlänge versetzt sind, wie es im vorherigen Beispiel der Fall war. Die Steine fluchten nicht.

Elementen einzubauen. Wenn du solche nicht passenden Teile in deine Konstruktionen aufnehmen möchten, musst du dir kreative Lösungen einfallen lassen. Die gängigsten Beispiele sind der IR-Empfänger (Abbildung 3-36), der M-Motor (Abbildung 3-37) und der Schalter (Abbildung 3-38) von Power Functions. Mehr über das Power-Functions-System erfährst du in Kapitel 13.

Abbildung 3-36: Die Bodenplatte des IR-Empfängers aus dem Power-Functions-System lässt sich leicht auf Noppenelemente aufstecken. Für Verbindungen mit noppenlosen Elementen können wir wie hier gezeigt Stifte verwenden oder Halbstifte als Noppen einsetzen.

Abbildung 3-37: Zur Ausrichtung des M-Motors von Power Functions auf Noppenelementen können kleine Brückenplatten (blau) verwendet werden.

Abbildung 3-38: Der Power-Functions-Schalter lässt sich leicht auf Noppenelemente aufstecken. Eine starre Verbindung mit noppenlosen Teilen herzustellen, ist dagegen eine Herausforderung.

Geradzahlige und ungeradzahlige Noppenlängen

Die letzte große Herausforderung besteht darin, die Längen der beiden Teilegruppen aneinander anzupassen. Noppenelemente haben geradzahlige Längen von zwei, vier oder sechs Noppen usw., noppenlose dagegen ungeradzahlige von drei, fünf, sieben Noppen usw. Dieser Unterschied führt bei der Kombination beider Arten von Teilen zu Problemen. Beispielsweise hat ein noppenloses Chassis in den meisten Fällen eine ungeradzahlige Breite, die darauf aufsitzende Karosserie dagegen eine geradzahlige. Natürlich musst du auch die Länge und Höhe des Modells anpassen, aber in der Praxis stellt die Breite die größte Herausforderung dar, da die linke und rechte Seite der meisten Modelle spiegelsymmetrisch sind. Anders ausgedrückt: Um ein Modell breiter oder schmaler zu machen, musst du sein Mittelstück ändern, während sich Länge und Höhe einfach durch zusätzliche Teile oben oder hinten am Modell anpassen lassen.

Um einen Breitenunterschied von einer Noppe auszugleichen, ist ein Paar dünner Liftarme sehr gut geeignet (in Abbildung 3-39 blau dargestellt). Die Abbildungen 3-40 bis 3-44 zeigen weitere Bauteile und Verbinder, die dazu dienen, nicht übereinstimmende Abstände auszugleichen.

Abbildung 3-39: Dünne Balken (blau) und Dreiviertelstifte (dunkelgrau) können verwendet werden, um eine feste Verbindung zwischen Teilen geradzahliger und ungeradzahliger Länge zu bilden.

Abbildung 3-40: Drei Arten von noppenlosen Verbindern, die eigens zur Überbrückung eines Längenunterschieds von einer halben Noppenlänge da sind.

Abbildung 3-41: Verbinder (gelb) zur mittigen Ausrichtung eines sechs Noppen langen Teils (rot) an einem eine Noppe breiten Teil (blau)

Abbildung 3-42: Verbinder (gelb) zur mittigen Ausrichtung eines sechs Noppen langen Teils (rot) an einer fünf Noppen langen Struktur (blau)

Abbildung 3-43: Kombination zweier Verbinder (gelb) zur mittigen Ausrichtung eines sechs Noppen langen Teils (rot) an einer sieben Noppen langen Struktur (blau)

Abbildung 3-44: Der Truck-Bausatz 8436 mit einem noppenlosen Chassis, das um ein vier Noppen breites Differenzialgetriebe herum aufgebaut ist, stellt ein hervorragendes Beispiel für die Kombination von Strukturen mit geradzahliger und ungeradzahliger Breite dar. Durch die Verwendung der entsprechenden Verbinder in diesem Bausatz ergibt sich eine sehr feste und doch leichte Struktur.

Je nachdem, wie und wann du deine ersten Erfahrungen mit LEGO Technic gemacht hast, kann es sein, dass du mit dem einen oder anderen Baustil nicht vertraut bist. Die beste Möglichkeit, um einen unbekannten Baustil zu meistern, besteht darin, mit einem LEGO-Bausatz herumzuspielen, in dem die entsprechenden Elemente überwiegend verwendet werden. Wenn du damit Schwierigkeiten haben solltest, denke daran, dass nichts dagegen spricht, bei dem System zu bleiben, das du kennst und beherrschst. Schließlich sind es oft die Einschränkungen unserer kreativen Freiheit, die zu Innovationen anregen!

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Achsen, Lagerbuchsen und Gelenke

Die meisten grundlegenden LEGO-Technic-Bauteile haben wir bereits kennengelernt. In diesem Kapitel geht es um drei weitere häufig verwendete Elemente, nämlich Achsen, Lagerbuchsen und Kardangelenke. Alle diese Elemente dienen zur Übertragung von Antriebskraft, können aber auch als Strukturbauteile verwendet werden. Werfen wir einen genaueren Blick darauf!

Achsen

Achsen gehören zu den grundlegendsten und wichtigsten Elementen von LEGO Technic und weisen eine ganz besondere Eigenschaft auf: Je nachdem, welche Form das Loch hat, durch das sie verlaufen, können sie sich entweder innerhalb eines Bauteils drehen oder sind fest mit ihm verbunden (siehe Abbildung 4-1).

Abbildung 4-1: Hier verläuft eine reguläre Achse durch zwei Technic-Steine. Der rote Stein hat ein kreuzförmiges Achsloch, in dem die Achse festsitzt, der grüne Stein dagegen ein Stiftloch, in dem sich die Achse frei drehen kann.

Achsen übernehmen zwei wichtige Aufgaben: Sie übertragen Antriebskraft und dienen zur strukturellen Verstärkung. Für die erste Aufgabe müssen sie sich frei drehen können und an einen Motor angeschlossen sein – entweder direkt oder über Zahnräder, Achsverbinder oder andere Teile.

Zur Verstärkung müssen die Achsen fest mit anderen Teilen verbunden werden, wozu Achslöcher erforderlich sind. Es ist nicht unüblich, eine Achse ausschließlich dazu zu verwenden, Teile in einem bestimmten Winkel zusammenzuhalten, wie Abbildung 4-2 zeigt.

Abbildung 4-2: Hier werden fünf Bauelemente mithilfe einer fünf Noppen langen Achse verbunden und dabei in einem festen Winkel gehalten.

Es ist auch möglich, eine Achse für beide Aufgaben zu verwenden, also über einige Teile Kraft zu übertragen und dabei gleichzeitig andere Teile zusammenzuhalten. Eine solche Kombination siehst du in Abbildung 4-3. Beachte aber, dass Achsen, die Bauteile verbinden, einer strukturellen Belastung ausgesetzt sind, was ihre Reibung erhöht. Das spielt eine Rolle, wenn du die Achse auch zur Kraftübertragung nutzt.

Es gibt drei Kategorien von Achsen für jeweils unterschiedliche Zwecke, nämlich Standardachsen, modifizierte Achsen und (flexible) Biegeachsen.

Abbildung 4-3: Eine fünf Noppen lange Achse hält zwei Steine (gelb) zwischen zwei Zahnrädern (schwarz) zusammen. Die Achse kann sich innerhalb der Steine drehen, wobei die Rotation der Zahnräder zur Kraftübertragung dient.

Standardachsen

Es gibt zwölf Varianten von Standardachsen. Zuerst gab es nur Achsen von geradzahliger Länge, die alle schwarz waren. Später wurden Achsen mit ungeradzahliger Länge passend zum noppenlosen System eingeführt. Ursprünglich waren sie ebenfalls schwarz, wurden später aber hellgrau gefärbt, um eine leichtere Unterscheidung zwischen Achsen mit geradzahliger und ungeradzahliger Länge zu ermöglichen. In der folgenden Aufstellung findest du eine Beschreibung der verfügbaren Achslängen und -farben.

2L Eingekerbt, um sie einfacher aus anderen Teilen herausziehen zu können. Hauptsächlich rot, seltener schwarz. Es gab früher auch eine Variante ohne Kerben.

3L Hauptsächlich hellgrau, weniger oft schwarz oder rot

4L Hauptsächlich schwarz, es gibt jedoch seltene Varianten in verschiedenen anderen Farben.

5L Hauptsächlich hellgrau, seltener schwarz

6L Hauptsächlich schwarz, weniger oft hellgrau; es gibt außerdem seltene Varianten in verschiedenen anderen Farben.

7L Hauptsächlich hellgrau

8L Hauptsächlich schwarz

9L Der jüngste Typ, nur in Hellgrau erhältlich

10L Hauptsächlich schwarz, selten grün

12L Hauptsächlich schwarz, weniger oft rot; es gibt außerdem seltene Varianten in verschiedenen anderen Farben.

16L Ausschließlich weiß. Diese Achse ist merkbar elastischer als die aller anderen Längen. Sie kann einfach gebogen und wieder zurückgebogen werden.

32L Hauptsächlich schwarz, seltener gelb

Modifizierte Achsen

Es gibt zwei Gruppen von modifizierten Achsen, nämlich Gewindeachsen und Achsen mit Stoppern. Gewindeachsen gibt es in Schwarz und in den Längen 4L und 10L (die beiden oberen Achsen im Bild). Seit etwa 1990 werden sie in LEGO-Technic-Bausätzen jedoch nicht mehr verwendet. Die Enden konnten in Gewindebuchsen geschraubt werden, sodass es möglich war, mit solchen Achsen Teile zusammenzuhalten. Sie haben einen sehr schmalen Querschnitt und brechen, wenn ein Drehmoment auf sie ausgeübt wird. Da sie sehr selten und teuer sind, ist Obacht geboten, sie nicht für falsche Zwecke einzusetzen.

Achsen mit Stoppern dagegen sind eine jüngere Ergänzung und haben viele praktische Anwendungen. Die Stopper können nicht durch ein Stift-oder Achsloch rutschen und vermeiden so eine unerwünschte Verschiebung der Achse. Alle vier Varianten der Achsen mit Stoppern waren ursprünglich dunkelgrau, die erste wird heute aber nur noch in Braun hergestellt.

3L Verfügt über einen besonderen Stopper mit einer hohlen Noppe. Dadurch wird die Achse länger als drei Noppen, bietet aber die Möglichkeit, Noppenelemente auf ihr Ende aufzustecken. Das Noppenende kann auch in ein Stiftloch eingeführt werden, um die Drehung der Achse durch zusätzliche Reibung zu erschweren.

4L Verfügt am Ende über einen glatten Standardstopper, der komplett in einem Stiftloch versenkt werden kann.

5,5L Verfügt über einen Stopper, der von dem einen Ende eine Noppe und von dem anderen 4,5 Noppen entfernt ist. Auf der langen Seite schließt sich ein Abschnitt ohne Rillen von einer halben Noppenlänge an den Stopper an. Die zusätzliche halbe Noppenlänge macht es zwar oft schwierig, diese Achse in eine Struktur einzupassen, allerdings ist sie für einige bemerkenswerte Anwendungen geeignet. Eine davon siehst du in Abbildung 4-4. Hier wird die Achse in einen Stein eingeführt, sodass sie auf einer Seite um eine Noppenlänge herausragt. Der Stopper verhindert, dass sie durch den Stein hindurchrutscht. Dadurch verschiebt sich die Achse nicht zusammen mit dem Rad (z.B. in einer engen Kurve), sodass das Rad über das Zahnrad angetrieben werden kann.

8L Ist genauso geformt wie die 4L-Variante, aber entsprechend länger.

Abbildung 4-4: Verwendung der 5,5L-Achse mit Stopper

Flexible Achsen

Flexible Achsen – häufig auch als Biegeachsen oder Softachsen bezeichnet – bestehen aus einem elastischen Material und können leicht gebogen werden, ohne sie zu beschädigen. Sie können zwar durch ein Stiftloch geführt werden, aufgrund der Form ihres Endes aber nicht durch ein Achsloch. Jedes Ende hat einen Vorsprung von einer Noppenlänge, der aber nicht ganz so dick ist wie eine Noppe. Diese Verlängerungen werden oft in Halbstifte eingeführt, die dann wiederum zur Verankerung der Achse in Stiftlöcher gesteckt werden. Die Achsen gibt es in verschiedenen Farben und sechs Längen: 7L, 11L, 12L, 14L, 16L und 19L.

Für flexible Achsen haben wir nur wenige praktische und konstruktive Verwendungszwecke, denn es ist äußerst schwierig, sie zur Kraftübertragung oder zum Zusammenhalten von Bauteilen einzusetzen. Außerdem sind sie zu weich, um sie als Federn zu verwenden. Sie können jedoch anstelle von Stoßdämpfern zur Stabilisierung von Pendelaufhängungen herangezogen werden. Meistens werden sie in Bogenform als dekorative Elemente genutzt. Dank ihrer Elastizität werden sie häufig in LEGO-Technic-Bausätzen für Designerautos verwendet (siehe Abbildung 4-5), wo sie zur Gestaltung von Kotflügeln, des Rahmens für die Windschutzscheibe, der Stoßstangen, Hauben und weiterer gebogener Elemente genutzt werden, die sich mit anderen LEGO-Bauteilen nur schwer nachbilden lassen.

Abbildung 4-5: Beim Designer-Car-Bausatz 8070 werden flexible Achsen zur Gestaltung von Karosserieteilen wie der Kotflügel und Stoßstangenkanten verwendet.

Lagerbuchsen

LEGO-Lagerbuchsen sind kleine Elemente, die auf Achsen gesteckt werden, um die Abstände zwischen zwei oder mehr Elementen festzulegen. Sie können auch verhindern, dass Bauteile von den Achsen rutschen, und Achsen an ihrer Position festhalten. Drei verschiedene Typen sind erhältlich: halbe Buchsen (halbe Noppenlänge), reguläre Buchse (eine Noppe lang) und Buchsen mit langem Stift (einschließlich des zwei Noppen langen Stiftes drei Noppen lang). Alle diese verschiedenen Typen siehst du in Abbildung 4-6.

Abbildung 4-6: Von links nach rechts: halbe Buchse, reguläre Buchse und Buchse mit langem Stift

Halbe Lagerbuchsen

Die halbe Buchse ist das einzige Teil dieser Art, von dem es mehrere Varianten gibt (siehe Abbildung 4-7). Dabei handelt sich um die gezahnte halbe Lagerbuchse, die gezahnte halbe Lagerbuchse mit ausgeschnittenem Achsloch und die zurzeit produzierte glatte halbe Lagerbuchse mit ausgeschnittenem Achsloch.

Abbildung 4-7: Von links nach rechts: gezahnte halbe Lagerbuchse, gezahnte halbe Lagerbuchse mit ausgeschnittenem Achsloch und glatte halbe Lagerbuchse mit ausgeschnittenem Achsloch

Gezahnte halbe Lagerbuchse

Die erste Variante, die gezahnte halbe Buchse, hat ein reguläres Achsloch und auf einer Seite 16 Zähne. Die andere Seite dagegen ist glatt. Der Rand aller Halbbuchsen ist eingekerbt, sodass sie wie in Abbildung 4-8 als Riemenscheibe für Gummibänder dienen können. Weitere Informationen über Riemenscheiben erhältst du in Kapitel 6.

Abbildung 4-8: Halbbuchsen und Keilriemenräder weisen Kerben für LEGO-Gummibänder auf und können als Riemenscheiben verwendet werden.

Die gezahnte Seite der Halbbuchse kann in verschiedene andere LEGO-Bauteile eingreifen, z.B. in andere Halbbuchsen, einen gezahnten Achsverbinder oder ein Zahnrad mit 16 Zähnen und Kupplung (siehe Abbildung 4-9). Beachte, dass diese Bauteile beim Verzahnen etwa einen Millimeter näher aneinander heranrücken, sodass hinter ihnen eine Lücke von einem Millimeter bleibt.

Abbildung 4-9: Verschiedene LEGO-Elemente, die mit einer gezahnten Halbbuchse verzahnt werden können.

Wichtig ist außerdem, dass die verzahnten Teile in verschiedenen Drehwinkeln zueinander stehen können. Da die 16 Zähne auf der Oberseite der Halbbuchse angeordnet sind, steht jeder Zahn im Winkel von 22,5° zu seinen Nachbarzähnen. Das ist der Mindestwert, um den der Drehwinkel zwischen zwei verzahnten Elementen geändert werden kann. Diese Anordnung bietet einige nützliche Möglichkeiten. Beispielsweise kannst du zwei Schalter mithilfe von zwei Halbbuchsen so verbinden, dass beim Einschalten des einen Schalters der andere ausgeschaltet wird (siehe Abbildung 4-10).

Abbildung 4-10: Durch die Verzahnung der beiden Halbbuchsen im selben Drehwinkel werden die Schalter gekoppelt und wirken als eine Einheit. Wird die eine Halbbuchse bei der Verzahnung jedoch um einen Zahn gegenüber der anderen gedreht, sorgt die Kopplung dafür, dass immer nur ein Schalter auf einmal aktiviert sein kann. Durch Einschalten des einen wird der andere ausgeschaltet.

Die gezahnte Halbbuchse erfreut sich auch heute noch großer Beliebtheit, da viel Kraft erforderlich ist, um sie auf der Achse zu verdrehen, weshalb sie sich gut für Anwendungen mit starker Belastung eignet. Zwei gezahnte Halbbuchsen sind gegenüber einer regulären Buchse zu bevorzugen, da sie bei Lastanwendung nicht so leicht auf der Achse verrutschen (siehe Abbildung 4-11).

Abbildung 4-11: Verschiedene Möglichkeiten zum Festhalten einer Achse mit gezahnten Halbbuchsen

Gezahnte Halbbuchsen können auch als Kegelräder eingesetzt werden (wie in Abbildung 4-12). Dazu ist es jedoch erforderlich, sie um eine Viertel Noppenlänge gegeneinander zu versetzen, sodass sie ineinandergreifen können. Außerdem geht das mit hoher Reibung einher, und die Noppen lösen sich leicht bei Einwirkung von Drehmomenten.

Abbildung 4-12: Gezahnte Halbbuchsen können auch als Kegelräder dienen. Beachte den Abstand von einer Viertel Noppenlänge zwischen den Halbbuchsen und dem angrenzenden Stein. Auf diese Weise verzahnt, können Halbbuchsen sehr ruhig laufen, vorausgesetzt, dass kein hohes Drehmoment auf sie ausgeübt wird.

Gezahnte halbe Lagerbuchse mit ausgeschnittenem Achsloch

Die zweite Variante ist die gezahnte halbe Lagerbuchse mit ausgeschnittenem Achsloch. Wie der Name schon sagt, handelt es sich dabei um eine Abwandlung der zuvor besprochenen Version, bei der das Achsloch größer gemacht ist (siehe Abbildung 4-13). Diese Änderung wurde eingeführt, um es Kindern zu erleichtern, die Halbbuchsen von den Achsen abzuziehen. Gerade deswegen aber sind diese Buchsen bei erwachsenen Konstrukteuren nicht so beliebt, da sie unter Last leichter wegrutschen. In fast allen anderen Eigenschaften dagegen sind sie mit der ursprünglichen gezahnten Halbbuchse identisch. Nur das Material ist strapazierfähiger, da sie einige Jahre später eingeführt wurden.

Abbildung 4-13: Halbbuchsen mit ausgeschnittenen Achslöchern in der gezahnten und der glatten Form

Glatte halbe Lagerbuchse mit ausgeschnittenem Achsloch

Die dritte und letzte Variante ist die glatte halbe Lagerbuchse mit ausgeschnittenem Achsloch. Dabei handelt es sich um eine Version des zuvor besprochenen Elements ohne Zähne. Genauer gesagt, wurden die Zähne nicht entfernt, sondern zu einer flachen Oberfläche aufgefüllt. Beide Seiten dieser Variante sind also identisch. Es ist auch genauso wenig Kraft erforderlich, um sie entlang der Achse zu verschieben, wie bei der zuvor besprochenen Art. Von dieser Variante gibt es wiederum zwei Formen, wobei das Achsloch bei der neueren noch ein wenig größer ist. Der Unterschied ist kaum bemerkbar und hat keine Auswirkungen auf die Eigenschaften dieses Bauteils. Diese Halbbuchsenvariante wurde 13 Jahre nach der ersten Version eingeführt und ist heute immer noch in Gebrauch. Daher ist sie immer in besserem Zustand erhältlich als die vorherigen Varianten und besteht aus strapazierfähigerem Material.

Reguläre Lagerbuchsen

Die reguläre Buchse ist ein weit weniger anspruchsvolles Element, von dem es auch nur eine Variante gibt. Damit lassen sich Achsen festhalten oder Abstände von einer Noppenlänge herstellen. Die eine Seite ist glatt, während die andere über vier kleine Kerben verfügt. Durch diese Kerben kann die Buchse zwischen vier LEGO-Noppen gesteckt werden, wie Abbildung 4-14 zeigt. Dadurch ist es möglich, die Buchse mit Steinen und Platten ab Größe 2x2 zu verbinden.

Abbildung 4-14: Reguläre Buchsen und ihre Verbindung mit Noppenelementen

Lagerbuchsen mit langem Stift

Die Buchse mit langem Stift ist eine Kombination zweier Elemente, nämlich des langen Stifts und der regulären Lagerbuchse. Die eine Seite ähnelt einer normalen Lagerbuchse, wobei das Achsloch jedoch nur eine Noppenlänge tief ist und die Kanten glatt sind. Die andere Seite entspricht einem langen Stift mit Reibung, wie du in Abbildung 4-15 siehst.

Abbildung 4-15: Von links nach rechts: Lagerbuchse mit langem Stift, reguläre Lagerbuchse und regulärer langer Stift

Diese Kombination wurde zur Vereinfachung der offiziellen LEGO-Bausätze eingeführt. Große und komplizierte Bausätze wurden häufig in mehrere Module aufgeteilt, die getrennt voneinander gebaut und dann miteinander verbunden werden. Für diese Aufgabe eignet sich die Lagerbuchse mit langem Stift, da sie sich leichter einstecken und herausziehen lässt als reguläre Stifte (siehe Abbildung 4-16). LEGO verwendet dieses Bauteil auch, um Module vorübergehend in einer bestimmten Stellung zueinander festzuhalten. Beispielsweise kann dadurch die Kabine eines Lkw angehoben, zurückgekippt und dann in dieser Stellung fixiert werden (siehe Abbildung 4-17).

Abbildung 4-16: Ein Beispiel für die vorgesehene Verwendung der Buchse mit langem Stift: Nehmen wir an, du willst eine Drehscheibe so mit einem 5x7-Rahmen verbinden, dass du die Elemente wieder leicht voneinander lösen kannst. Dazu kannst du Buchsen einführen, um die Drehscheibe in ihrer Stellung zu fixieren, und sie zum Lösen der Scheibe wieder herausziehen.

Abbildung 4-17: Ein weiteres Beispiel für den Einsatz der Buchse mit langem Stift: Der 5x7-Rahmen soll hier zum Chassis eines Lkw gehören, die gelben Balken zur Kabine. Du kannst die Kabine absenken, indem du die gelben Balken drehst, und sie dann in dieser Stellung festhalten, indem du die roten Bauteile einschiebst. Um die Kabine wieder anzuheben, ziehe diese Elemente einfach wieder heraus.

Kardangelenke

LEGO-Kardangelenke (oder Kreuzgelenke) dienen zur Übertragung der Drehbewegung zwischen Achsen, die in einem Winkel zueinander stehen. Sie bestehen aus einer Mittelscheibe mit vier Zapfen, an die zwei Scharniere (über jeweils zwei Zapfen) angeschlossen sind (siehe Abbildung 4-18).

Der Hauptzweck von Kardangelenken besteht darin, Drehbewegungen in einem Strang zu übertragen, wobei sie wie eine gebogene oder geknickte Achse wirken. Darüber hinaus kann der Winkel jederzeit geändert werden, ohne die übertragene Drehzahl oder das Drehmoment zu beeinträchtigen. Der einzige Nachteil besteht darin, dass sie bei Winkeln über 45° zu Schwankungen bei der Kraftübertragung der Drehbewegung führen. Diese Schwankungen steigen mit zunehmendem Winkel und führen zu Vibrationen, bis das Gelenk bei einem Winkel von 90° komplett sperrt (Abbildung 4-19).

Bei sehr hohen Drehmomenten können Kardangelenke auf zwei verschiedene Weisen beschädigt werden: Die Gabel (der Teil, der die Achse umklammert) kann platzen, oder die Zapfen der kreuzförmigen Mittelscheibe können abbrechen. Die erste Form von Beschädigung kannst du mit zwei Rundsteinen oder Rundplatten der Größe 2x2 verhindern, wie Abbildung 4-20 zeigt. Gegen die zweite Art von Beschädigung gibt es keine Gegenmaßnahme. Hier ist es nur möglich, ein eigenes Kardangelenk zu konstruieren (siehe Kapitel 8).

Ursprünglich waren Kardangelenke vier Noppen lang. 2008 wurde dann eine neue, drei Noppen lange Variante eingeführt (siehe Abbildung 4-21), die dank ihrer ungeradzahligen Länge besser in noppenlose Strukturen passte (siehe Abbildung 4-22). Sie wird auch aus einem strapazierfähigeren Material hergestellt als die alte. Außerdem ist die Mittelscheibe jetzt nicht mehr hohl, sondern massiv, und auch die Zapfen können nicht mehr so leicht abbrechen. Dadurch ist diese Variante beliebter und nützlicher als die alte. Wie die alte Version kann jedoch auch diese mit Rundplatten gesichert werden.

Wenn hohe Drehmomente auftreten, können wir auch ein Kugelgelenk verwenden, um zwei noppenlose Teile zu verbinden. Die Kugel dient dabei als festes Gehäuse für ein drei Noppen langes Kardangelenk (wie du in den Abbildung 4-23 und 4-24 siehst). Dieses Kardangelenk dreht sich innerhalb des Gehäuses, ohne dass es belastet oder dass daran gezogen wird. Daher kann das Kugelgelenk für die Verbindung von Strukturen verwendet werden, die eine gewisse Last auf ein Kardangelenk zwischen ihnen ausüben würden. Bei dieser Methode werden die Strukturen fest zusammengehalten, wobei das Kardangelenk hindurchlaufen kann. Die Struktur erhält einen hohen Grad an Bewegungsfreiheit. Das Kugelgelenk nimmt die strukturelle Last auf, sodass das Kardangelenk nur noch die Drehbeanspruchung seiner Welle aushalten muss. Diese Methode hat LEGO zum ersten Mal verwendet, um aufgehängte Achsen mit einem Chassis zu verbinden und dabei Kraft zu übertragen.

Abbildung 4-18: Ein Kardangelenk

Abbildung 4-19: Von links nach rechts: Kardangelenk lang gestreckt, im Winkel von 45° und von 90° (in letzterem Fall kann es sich nicht mehr drehen)

Abbildung 4-20: Absicherung eines Kardangelenks gegen Aufplatzen durch zwei Rundplatten

Abbildung 4-21: Der vier Noppen lange Typ von Kardangelenk (oben) im Vergleich mit der neuen Variante von drei Noppen länge (unten)

Abbildung 4-22: Ein drei Noppen langes Kardangelenk zur Übertragung einer Drehbewegung über einen Winkel

Abbildung 4-23: Ein Kugelgelenk besteht aus zwei ineinandergefügten Teilen. An den hellgrauen teil auf der linken Seite ist ein Rahmen angeformt, der groß genug ist, um ein Differenzial aufzunehmen. Daher kann er direkt als Grundlage für eine Achse verwendet werden.

Abbildung 4-24: Ein geöffnetes Kugelgelenk, bei dem das innere Kardangelenk zu sehen ist. Kardangelenke innerhalb von Kugelgelenken sind wirkungsvoller, da sie gegenüber strukturellen Lasten geschützt sind und daher weniger Reibung hervorrufen.

TEIL II

Mechanik

5

Grundlagen von Zahnrädern und Getrieben

Wozu brauchen wir Getriebe? Spontan würde man sagen: Um die Drehbewegung eines Motors an einen anderen Mechanismus zu übertragen. Das stimmt zwar, ist aber nicht alles. Der entscheidende Zweck von Zahnrädern besteht darin, die Eigenschaften der in ein System eingegebenen mechanischen Energie unseren Bedürfnissen anzupassen. Dass dabei Bewegung übertragen wird, ist eine Nebenwirkung.

Zahnräder können durch alle möglichen Arten von Energieeingaben angetrieben werden, seien es Elektromotoren, Handkurbeln, Windturbinen oder Wasserräder. Im Folgenden betrachten wir von E-Motoren angetriebene Zahnräder, da Motoren im Gegensatz zu anderen Mechanismen über konstante, messbare Eigenschaften verfügen.

Jeder Motor weist eine bestimmte mechanische Leistung auf, die sich aus den beiden Faktoren Drehzahl und Drehmoment zusammensetzt. Diese beiden Eigenschaften können wir mithilfe von Zahnrädern umformen. Sowohl Drehzahl als auch Drehmoment wurden ausführlich in Kapitel 1 erläutert.

Abbildung 5-1: Untersetzung

Wann kommt es auf die Drehzahl an und wann auf das Drehmoment? Jeder Mechanismus und jedes Modell bringt seine eigenen Anforderungen mit. Einige brauchen eine höhere Drehzahl und ein geringeres Drehmoment, als der Motor liefert, während bei anderen das Gegenteil der Fall ist. Mithilfe von Zahnrädern können wir Drehmomente in Drehzahlen umsetzen und umgekehrt. Dazu gibt es zwei sehr einfache, aber auch sehr wichtige Regeln:

Wird ein großes Zahnrad durch ein kleines angetrieben, erhöht sich das Drehmoment, während die Drehzahl sinkt. Dies wird Untersetzung genannt (siehe Abbildung 5-1).

Wird ein kleines Zahnrad durch ein großes angetrieben, erhöht sich die Drehzahl, während das Drehmoment sinkt. Dies wird Übersetzung genannt (siehe Abbildung 5-2).

Abbildung 5-2: Übersetzung

Drehzahl und Drehmoment sind umgekehrt proportional. Wenn wir die Drehzahl um den Faktor zwei verringern, wird das Drehmoment um den Faktor zwei erhöht. Es ist nicht möglich, eine dieser beiden Eigenschaften zu ändern, ohne die andere zu beeinflussen. Dazu müssten wir die eingehende Leistung ändern, indem wir etwa eine Handkurbel stärker drehen oder einen Motor mit höherer Spannung anschließen.

Um ein leichtes Fahrzeug anzutreiben, das wenig Drehmoment benötigt, um sich vorwärtszubewegen, können wir das überschüssige Drehmoment durch eine Übersetzung in zusätzliche Drehzahl und damit Geschwindigkeit umwandeln. Wie hoch der Anteil des Drehmoments ist, den wir umformen können, hängt hauptsächlich vom Gewicht des Fahrzeugs ab. Erfahrene Bastler können den Bereich der möglichen Umwandlungen anhand des Fahrzeuggewichts und des Motortyps abschätzen.

Antriebsräder, angetriebene Räder und Laufräder

Abbildung 5-3 zeigt ein einfaches Beispiel für die Kraftübertragung mithilfe von Zahnrädern. Der graue Motor ist hier über zwei Zahnräder mit dem Rad verbunden. Das grüne Rad liegt am nächsten an der Leistungsquelle (dem Motor) und wird als Antriebsrad bezeichnet. Das rote Zahnrad empfängt von ihm seinen Antrieb und heißt daher angetriebenes Rad.

Abbildung 5-3: Antriebsrad und angetriebenes Rad. Bei allen Abbildungen in diesem Kapitel wird dasselbe Farbschema verwendet: grün für Antriebsräder und rot für angetriebene.

Bei zwei ineinandergreifenden Zahnrädern auf verschiedenen Achsen ist eines immer das Antriebsrad und das andere das angetriebene. Das Antriebsrad ist dasjenige, das den Antrieb überträgt, während das angetriebene Rad ihn empfängt.

Wenn sich die Zahnräder drehen, rotieren auch die Achsen, auf denen sie befestigt sind. Es gibt eine Antriebsachse (den Eingang) und eine angetriebene Achse (Ausgang), die der Drehung ihrer Zahnräder folgen. Viele Mechanismen haben nur eine Eingangs-, aber viele Ausgangsachsen. Ein gutes Beispiel dafür ist das weit verbreitete Differenzialgetriebe (siehe Abbildung 5-4).

Abbildung 5-4: Das Differenzial hat eine Eingangsachse (grün), aber zwei Ausgangsachsen (rot).

Neben Antriebsrädern und angetriebenen Rädern gibt es auch Laufräder. Wenn mehrere Zahnräder in Reihe hintereinander geschaltet sind, ist das erste das Antriebsrad, das letzte das angetriebene Rad und alle anderen dazwischen sind die Laufräder (siehe Abbildung 5-5), da sie einfach nur mitlaufen, ohne die Umwandlung von Drehmoment und Drehzahl zu beeinflussen.

Abbildung 5-5: Drei ineinandergreifende Zahnräder. Die Achse des grau dargestellten Laufrads dient nur zu dessen Befestigung.

Laufräder sind gewöhnlich mit zwei oder mehr anderen Rädern gleichzeitig verzahnt, Antriebs-und angetriebene Räder dagegen nur mit einem (siehe Abbildung 5-6). Ausnahmen von dieser Regel siehst du in Abbildung 5-7.

Abbildung 5-6: Die mittleren Zahnräder in diesem Bild sind Laufräder. Beide sind nur mit einem anderen Rad verzahnt, befinden sich aber auf derselben Achse und weisen dieselbe Größe auf, weshalb sie genauso funktionieren wie ein einzelnes Zahnrad.

Abbildung 5-7: Die mittleren Zahnräder in diesem Bild sind keine Laufräder. Sie befinden sich auf derselben Achse, weisen aber unterschiedliche Größen auf, was bedeutet, dass sie Einfluss auf die Umwandlung von Drehmoment und Drehzahl haben.

Beachte, dass du Laufräder nur dann verwenden solltest, wenn es absolut notwendig ist, da sie die Reibung erhöhen und korrekt gelagert werden müssen. Abbildung 5-8 zeigt einen Mechanismus mit einem Übermaß an Laufrädern.

Abbildung 5-8: Alle mittleren Zahnräder in diesem Bild sind Laufräder. Sie haben keinen Einfluss auf die Umwandlung von Drehmoment und Drehzahl zwischen dem Antriebsrad und dem angetriebenen Rad.

Übersetzungsverhältnis

Das Übersetzungsverhältnis ist das Verhältnis der Anzahl von Zähnen in zwei gekoppelten Zahnrädern. Gekoppelte Zahnräder können verzahnt oder auf andere Weise verbunden sein, beispielsweise durch eine Kette oder über Riemenscheiben mit einem Antriebsriemen. Ob zwei Kettenräder direkt ineinandergreifen oder über eine Kette verbunden sind, ändert nichts an ihrem Übersetzungsverhältnis.

Das Übersetzungsverhältnis ist als der Quotient aus der Anzahl der Zähne des angetriebenen Zahnrads und der Anzahl der Zähne des Antriebszahnrads definiert.

Wenn wir beispielsweise ein Zahnrad mit 24 Zähnen durch eines mit 8 Zähnen antreiben, erhalten wir ein Übersetzungsverhältnis von 24:8. Allerdings werden Übersetzungsverhältnisse immer gekürzt, bis eine der beiden Zahlen 1 ist. Dazu müssen wir einen gemeinsamen Teiler finden (gewöhnlich ist das die kleinere Zahl). Wenn wir bei dem Verhältnis 24:8 Zähler und Nenner durch 8 teilen, ergibt sich 3:1, was eine viel bequemere und offensichtlichere Angabe ist. Daran können wir unmittelbar ablesen, dass drei Umdrehungen des Antriebsrades zu einer einzigen Umdrehung des angetriebenen Rades führen.

Was können wir mit dem Übersetzungsverhältnis anfangen? Mit dieser Angabe können wir leicht berechnen, wie Drehzahl und Drehmoment durch die beiden Zahnräder umgewandelt werden. Beim Verhältnis 3:1 wird die Drehzahl um den Faktor 3 verringert. Da eine Reduzierung der Drehzahl aber immer umgekehrt proportional zur Erhöhung des Drehmoments verläuft, wird das Drehmoment also verdreifacht.

Als Nächstes betrachten wir ein Beispiel, bei dem das Antriebsrad mehr Zähne hat als das angetriebene, nämlich 20 gegenüber 12. Daraus ergibt sich ein Übersetzungsverhältnis von 12:20 oder 0,6:1. Das bedeutet, dass 0,6 Umdrehungen des Antriebsrades zu einer kompletten Umdrehung des angetriebenen führen. Die Drehzahl erhöht sich also, das Drehmoment sinkt aber: Das angetriebene Zahnrad hat nur noch das 0,6-fache Drehmoment des Antriebsrades.

Das Übersetzungsverhältnis gibt auch an, ob eine Übersetzung oder Untersetzung vorliegt. Ist die erste Zahl in diesem Verhältnis größer als die zweite (wie in 3:1), haben wir es mit einer Untersetzung zu tun. Ist die erste dagegen kleiner als die zweite (wie in 0,6:1), liegt eine Übersetzung vor. Bei einem Verhältnis von 1:1 bleiben Drehzahl und Drehmoment unverändert.

Wie aber berechnen wir das Gesamtübersetzungsverhältnis eines Mechanismus mit vielen Paaren ineinandergreifender Zahnräder? In diesem Fall betrachten wir jedes mögliche Radpaar, berechnen die Verhältnisse aller einzelnen Paare von Antriebs-und angetriebenen Rädern und multiplizieren sie schließlich. Nehmen wir als Beispiel einen Mechanismus aus zwei Zahnradpaaren, die jeweils aus einem Antriebsrad mit 8 und einem angetriebenen Rad mit 24 Zähnen bestehen. Das Übersetzungsverhältnis des ersten und des zweiten Paars beträgt jeweils 3:1. Durch Multiplikation erhalten wir das Gesamtverhältnis 9:1.

Da wir jetzt wissen, wie wir Übersetzungsverhältnisse berechnen, wollen wir uns noch einmal die zuvor gezeigten Beispiele ansehen, in denen es um Laufräder sowie um Zwischenräder ging, die keine Laufräder waren.

Das erste Beispiel (aus Abbildung 5-6) besteht aus zwei Zahnradpaaren. Bei dem ersten hat das Antriebsrad 12 und das angetriebene 20 Zähne, beim zweiten Paar ist es genau umgekehrt. Das Verhältnis des ersten Paars beträgt 20:12, das des zweiten 12:20. Durch Multiplikation erhalten wir das Gesamtverhältnis 1:1. Die Laufräder ändern also gar nichts an dem Übersetzungsverhältnis zwischen dem ersten und dem letzten Zahnrad.

Sehen wir uns jetzt das zweite Beispiel aus Abbildung 5-7 an. Die beiden Paare sind identisch und bestehen jeweils aus einem Antriebsrad mit 12 und einem angetriebenen Rad mit 20 Zähnen. Das Verhältnis beträgt in beiden Fällen 20:12. Durch Multiplikation erhalten wir ein Gesamtverhältnis von 2,779:1. Das ist nicht identisch mit 1,667:1, dem Verhältnis zwischen dem ersten und dem letzten Zahnrad. Hier handelt es sich bei den zwischengeschalteten Zahnrädern nicht um Laufräder, da sie das Gesamtübersetzungsverhältnis beeinflussen und daher nicht ignoriert werden können.

Zum Schluss stellt sich noch die Frage, wie wir das Verhältnis bei der Verwendung eines Schneckengetriebes berechnen. Das ist sogar noch einfacher: Das Verhältnis ist der Quotient Anzahl der Zähne des angetriebenen Rades:1. Das liegt daran, dass eine vollständige Rotation der Schnecke das angetriebene Rad um einen Zahn weiterdreht. Um ein Zahnrad mit 24 Zähnen ganz zu drehen, sind daher 24 Umdrehungen der Schnecke erforderlich. Es liegt also ein Verhältnis von 24:1 vor.

Wirkungsgrad von Zahnrädern

Jedes Zahnrad hat ein Gewicht und ruft Reibung hervor, die wir überwinden müssen, um das Rad drehen zu können. Bei jedem Zahnrad in einem Mechanismus geht ein Teil der Motorkraft verloren. Der Wirkungsgrad eines Zahnrads gibt an, wie viel Energie übertragen wird und wie viel verloren geht. Leider ist es sehr schwer, den Wirkungsgrad einzelner Zahnräder zu bestimmen, vor allem da Zahnräder mit der Zeit verschleißen. Da wir jedoch wissen, auf welche Weise Energie in mechanischen Systemen verloren geht, können wir folgende zwei Faustregeln anwenden, um einen maximalen Wirkungsgrad zu erzielen:

Je weniger Zahnräder, umso besser.

Je kleiner die Zahnräder, umso besser.

In der Praxis führt ein niedriger Wirkungsgrad zu einem Verlust an Drehmoment und Drehzahl, denn bei einem geringeren Wirkungsgrad muss der Motor innere Widerstände überwinden (z.B. durch Reibung). Das kannst du bei motorisierten Fahrzeugen erkennen, deren Räder sich meistens schneller drehen, wenn du sie vom Boden löst. Das bedeutet, dass funktionierende Mechanismen in der Praxis niemals so effektiv sein können, wie das Übersetzungsverhältnis angibt. Wie stark der Wirkungsgrad eines Mechanismus sinkt, hängt vom Wirkungsgrad der Zahnräder ab.

Wie wichtig der Wirkungsgrad ist, kannst du bei jedem Mechanismus erkennen, der über ein Schneckengetriebe verfügt. Die extrem hohe Untersetzung eines Schneckengetriebes kommt auf Kosten des Wirkungsgrads zustande. Nach einigen Quellen geht durch Schneckengetriebe ungefähr ein Drittel der Motorleistung aufgrund von Reibung und der Neigung des Getriebes verloren, entlang der Achse zu verrutschen. Die Reibung ist so hoch, dass Schneckengetriebe heiß laufen, wenn sie längere Zeit einem hohen Drehmoment ausgesetzt werden. LEGO-Schnecken können aufgrund der Reibung auch nicht als angetriebene Räder verwendet werden. Bei manchen Anwendungen sind Schneckengetriebe unverzichtbar, aber im Allgemeinen sollten sie nur spärlich eingesetzt werden.

Zahnspiel

Bei LEGO-Zahnrädern können wir das Spiel einfach als den freien Raum zwischen den Zähnen zweier ineinandergreifender Räder definieren. Im Idealfall sollte es gar keinen Abstand geben, aber in der Praxis weisen LEGO-Zahnräder immer ein gewisses Zahnspiel auf. Es gelten folgende allgemeine Regeln:

Die Zahnräder älteren Typs weisen ein sehr viel höheres Zahnspiel auf als die neuen Kegelräder.

Je kleiner das Zahnrad, umso größer das Zahnspiel.

Das Zahnspiel aller direkt ineinandergreifenden Räder summiert sich.

Was ist so schlecht an Zahnspiel? Betrachte als Beispiel einen Lenkmechanismus. Ein erhebliches Spiel zwischen ihm und dem Motor verringert nicht nur die Genauigkeit der Steuerung, sondern gibt den Rädern auch eine gewisse Freiheit, sodass sie beim Auftreffen eines Hindernisses abweichen können. Das wiederum kann dazu führen, dass das Fahrzeug beim Überfahren von Bodenwellen zur Seite ausbrechen kann oder dass die Lenkung verzögert reagiert.

Immer wenn es auf Genauigkeit ankommt, führt Spiel zu Problemen. Viele Arten von Kränen, Ziehbrücken und Drehscheiben kranken am Spiel. Die beste Möglichkeit, um Spiel zu vermeiden, besteht darin, eine pneumatische statt einer mechanischen Kraftübertragung zu verwenden (siehe Kapitel 9). Es ist auch möglich, auf Linearaktoren zurückzugreifen, die zurzeit von allen mechanischen LEGO-Teilen das geringste Spiel aufweisen (siehe Kapitel 13).

Wie wirkt sich das Spiel bei einem Schneckengetriebe aus? Auch in diesem Punkt erweist sich dieses Bauteil als einzigartig, da es so gut wie kein Spiel hat. Allerdings kann es ein bisschen auf seiner Achse verrutschen, da es etwas schmaler ist als zwei ganze Noppenlängen. Das heißt jedoch nicht, dass ein Mechanismus mit Schneckengetriebe gar kein Spiel hat, denn leider gibt es immer noch das Spiel des angetriebenen Zahnrads. Ein Mechanismus aus einer Schnecke und einem angetriebenen Zahnrad mit 16 Zähnen hat daher immer mehr Spiel als bei einem angetriebenen Zahnrad mit 24 Zähnen. Auch hier gilt wieder die Empfehlung, zusammen mit der Schnecke ein Kegelrad einzusetzen, da es nur über ein überschaubares Zahnspiel verfügt.

Die Drehrichtung bestimmen

Wenn Zahnräder direkt ineinandergreifen, beeinflusst das Antriebsrad die Drehrichtung des angetriebenen Rades. Ob sich die Laufräder in dieselbe oder die entgegengesetzte Richtung drehen wie das Antriebsrad, hängt davon ab, wie viele Zahnräder dazwischen liegen. Stehen die Zahnräder in einer Ebene hintereinander, gilt eine einfache Regel: Bei einer geraden Anzahl von Zahnrädern (2, 4, 6 usw.) dreht sich das angetriebene Rad entgegen dem Antriebsrad, bei einer ungeraden Anzahl (3, 5, 7 usw.) in dieselbe Richtung (siehe Abbildung 5-9). Um die Drehrichtung des angetriebenen Rades zu ändern, kannst du also Laufräder einfügen oder entfernen.

Die schnellste Möglichkeit, um die ausgehende Rotation von senkrecht miteinander verzahnten Rädern zu bestimmen, bietet die direkte Beobachtung. Im Antriebsstrang eines 4x4-Fahrzeugs mit einer Antriebswelle in Längsrichtung müssen das vordere und hintere Differenzial entgegengesetzt eingebaut sein, damit sich die Vorder-und Hinterräder in dieselbe Richtung drehen. Das kannst du in Abbildung 5-10 ablesen.

Abbildung 5-9: Gerade Anzahl von ineinandergreifenden Zahnrädern (links) und ungerade Anzahl (rechts)

Abbildung 5-10: Die richtige Ausrichtung von Differenzialgetrieben und Kegelrädern in einem 4x4-Antriebsstrang

Bestandsaufnahme der verfügbaren Zahnräder

Im Verlauf der Technic-Produktreihe hat LEGO verschiedene Arten von Zahnrädern auf den Markt gebracht, die in verschiedene Gruppen fallen. Wir werden diese Elemente im Folgenden gruppenweise besprechen. Als Erstes schauen wir uns dabei die gebräuchlichsten Zahnräder an.

Wie du in Abbildung 5-11 siehst, besteht diese Gruppe aus einem Sonderelement, nämlich der Schnecke (ganz links), fünf Zahnrädern eines neuen Typs, die als Kegelräder bezeichnet werden (hellbraun) und neun Zahnrädern älteren Typs (hier in den häufigsten Farben dargestellt). Trotz ihrer Unterschiede können fast alle diese Zahnräder aus dieser Gruppe paarweise ineinandergreifen. Kegelräder haben die besondere Eigenschaft, dass sie sowohl in einer Ebene als auch rechtwinklig zueinander verzahnt werden können. Aufgrund ihrer Größe sind sie besser für noppenlose Konstruktionen geeignet. Die Form der Zähne macht es jedoch unmöglich, sie mit LEGO-Ketten zu verbinden.

HINWEIS

Die geradzahnigen Räder werden auch als Stirnräder bezeichnet.

Schnecke

Diese Sonderform verfügt über eine Reihe besonderer Eigenschaften. Erstens ist es nicht möglich, eine Schnecke mit einem anderen Zahnrad anzutreiben. Sie kann also ausschließlich als Antriebsrad eingesetzt werden, niemals als angetriebenes. Sehr praktisch ist die Schnecke für Mechanismen, bei denen etwas angehoben und in der erhöhten Position festgehalten werden muss. In diesem Fall fungiert die Schnecke als eine Sperre: Sobald sie selbst anhält, sorgt sie dafür, dass das angetriebene Rad bewegungslos bleibt, und setzt allen Lasten, die darauf angewendet werden, Widerstand entgegen. Das ist nützlich für Kräne, Gabelstapler, Bahnschranken, Ziehbrücken, Winden und prinzipiell für jeden Mechanismus, bei dem etwas stillstehen muss, nachdem der Motor angehalten wurde.

Abbildung 5-11: LEGO-Zahnräder mit der Anzahl Ihrer Zähne

Zweitens ist die Schnecke sehr gut als Untersetzung geeignet. Eine volle Umdrehung der Schnecke dreht das angetriebene Rad nur um einen einzigen Zahn, was die Drehzahl dramatisch verringert und das Drehmoment entsprechend erhöht. Daher werden Schneckengetriebe zur Untersetzung verwendet, wenn sehr hohe Drehmomente oder sehr niedrige Drehzahlen gebraucht werden und es wenig Platz gibt.

Außerdem hat die Schnecke die Neigung, beim Drehen gegen das angetriebene Zahnrad zu drücken und dadurch auf seiner eigenen Achse zu verrutschen. Normalerweise wird versucht, dieses Verhalten zu unterbinden, indem man die Schnecke in ein robustes Gehäuse packt. Es gibt jedoch auch einige Mechanismen, die diesen Effekt ausnutzen (Beispiele findest du in den Kapiteln 8 und 10).

Trotz des ungewöhnlichen Erscheinungsbildes können Schnecken alle anderen Zahnräder dieser Gruppe antreiben. Werden die richtigen Abstände eingehalten, ist es auch möglich, damit Kegelräder anzutreiben (siehe Abbildung 5-12).

Abbildung 5-12: Eine Schnecke als Antriebsrad für Einzel-und Doppelkegelräder

Es ist sogar möglich, mit der Schnecke Zahnstangen anzutreiben, was einen sehr kompakten Ausfahrmechanismus für Ausleger ergibt (siehe Abbildung 5-13). Das ist vor allem für Kräne, TeleskopGabelstapler und andere Anwendungen geeignet, bei denen es auf den Platz ankommt.

Abbildung 5-13: eine schnecke als antriebsrad für eine zahnstange

Zahnrad mit 8 Zähnen

Dies ist das kleinste LEGO-Zahnrad, das es gibt. Es ist sehr zerbrechlich und daher nicht für hohe Drehmomente geeignet. Dank seiner Größe erfreut es sich aber großer Beliebtheit, vor allem zur Untersetzung. Allerdings weist das Zahnrad mit 8 Zähnen den Nachteil eines äußerst hohen Zahnspiels auf. Es gibt drei Varianten dieses Zahnrads, deren Gussformen leicht voneinander abweichen (siehe Abbildung 5-14). Bei der ursprünglichen Version dieses Zahnrads waren dünne Zähne rund um ein dünnes, ringförmiges Mittelstück angeordnet. Die spätere Variante (im Bild in der Mitte) wies das gleiche Mittelstück auf, die Zähne waren jedoch kürzer, dicker und offensichtlich robuster. Besonders gefragt ist die dritte Form, wobei jedoch unklar ist, wann sie hergestellt wurde und in welchen Bausätzen sie enthalten war. Die Zähne haben die Form, die mit der zweiten Variante eingeführt wurden, das Mittelstück jedoch verfügt über zusätzliche Kunststoffzähne, auf der die Zähne aufsitzen, wodurch es dicker wird. Durch diese Änderung soll verhindert werden, dass sich die Zähne unter Anwendung eines Drehmoments biegen, was das gesamte Bauteil erheblich robuster macht.

Abbildung 5-14: Die drei Varianten des Zahnrads mit acht Zähnen; von links nach rechts: ursprüngliche Form, mittlere Form, verstärkte Form

Einzelkegel mit 12 Zähnen

Dies ist das kleinste, aber auch das zerbrechlichste Kegelrad. In Differenzialmechanismen ist es unverzichtbar. Außerdem wird es immer gern eingesetzt, wenn Antriebskraft auf engem Raum im rechten Winkel übertragen werden muss. Unter hohen Drehmomenten zerbricht es leicht, weshalb viele Konstrukteure in Offroad-Fahrzeugen gar keine Differenziale mehr einbauten.

Doppelkegelrad mit 12 Zähnen

Dieses Zahnrad ist viel stärker als das Gegenstück in Einzelkegel-form und wird häufig zusammen mit dem Doppelkegelrad mit 20 Zähnen eingesetzt. Es passt nicht in Differenziale oder in enge Stellen, weshalb es für die senkrechte Verzahnung nicht so häufig verwendet wird.

Zahnrad mit 14 Zähnen

Dies war das erste Zahnrad, das in Differenzialen eingesetzt wurde. Allerdings war es so zerbrechlich, dass es später durch die Version mit 12 Zähnen ersetzt wurde. In offiziellen LEGO-Modellen wird es nicht mehr verwendet, und auch bei Bastlern ist es nicht beliebt.

Zahnrad mit 16 Zähnen

Dies ist ein halbwegs robustes und nützliches Zahnrad. Es ist das kleinste, das für LEGO-Ketten verwendet werden kann, und dank seiner bequemen Größe ist es auch recht beliebt. Ab Anfang 2011 wurde es in LEGO-Bausätzen durch eine leicht verbesserte Version ersetzt (siehe Abbildung 5-15). Der Außenrand ist bei der neuen Variante unverändert geblieben, die Struktur des Mittelteils wurde jedoch verstärkt. In der neuen Form ist das Zahnrad im Allgemeinen massiver und kann höhere Drehmomente aushalten.

Abbildung 5-15: Die alte Version des Zahnrads mit 16 Zähnen auf der linken Seite (4019) im Vergleich mit der neuen version rechts (94925)

Zahnrad mit 16 Zähnen und Kupplung

Dieses Zahnrad wurde eigens für Getriebekästen entworfen. Es ist schwächer gebaut als die reguläre Version und eignet sich nicht so gut für LEGO-Ketten, da aufgrund der kürzeren Zähne ein Kettenschlupf auftritt. Dafür weist es jedoch die besondere Eigenschaft auf, dass es sich über einen Getriebe-Antriebsring zuschalten und wieder auskuppeln lässt (siehe Abbildung 5-16). Ohne den Ring steckt es lose auf der Achse. Es kann jedoch mit einer Halbbuchse älteren Typs (also mit Zähnen) verzahnt werden, um es auf der Achse zu fixieren (siehe Abbildung 5-17). Seit 2011 läuft diese Variante aus und wird durch eine neuere Version ersetzt, deren Kupplung keine Zähne hat (siehe Abbildung 5-18).

Abbildung 5-16: Ein Zahnrad mit 16 Zähnen und Kupplung wird Durch Einen Getriebe-Antriebsring Zugeschaltet.

Abbildung 5-17: Ein Zahnrad mit 16 Zähnen wird durch eine gezahnte Halbbuchse älteren Typs zugeschaltet.

Abbildung 5-18: Die beiden Varianten des Zahnrads mit 16 Zähnen und Kupplung, links mit gezahnter und rechts mit glatter Kupplung. Beide Formen haben dieselbe Teilenummer, was darauf hindeutet, dass sie von LEGO im Grunde genommen als ein und dasselbe Element angesehen werden. Der Grund für den Wechsel von der gezahnten zur zahnlosen Version ist wahrscheinlich die Tatsache, dass die Teile, mit denen die Kupplung verzahnt werden könnte, nicht mehr in LEGO-Technicbausätzen verwendet werden.

Einzelkegelrad mit 20 Zähnen

Dies ist eine größere Version des Einzelkegelrads mit 12 Zähnen. Es ist relativ selten und aufgrund seines dünnen Korpus nicht sehr beliebt, da es unter hohen Drehmomenten leicht bricht.

Einzelkegelrad mit 20 Zähnen und Stiftloch

Diese Variante wurde nicht als Ersatz für das reguläre Einzelkegelrad mit 20 Zähnen eingeführt, sondern um neue Möglichkeiten zu bieten. Unter anderem kann sich dieses Rad frei um eine Achse drehen. Dadurch ist es möglich, Antriebskraft über die Achse hinweg zu übertragen, ohne die Achse selbst anzutreiben und deren Reibung aufzunehmen. Das neue Zahnrad hat an der Stirnseite auch einen Kragen von einer halben Noppe Dicke, sodass es fester auf der Achse sitzt. Es bricht nicht so leicht wie das reguläre Einzelkegelrad mit 20 Zähnen, kann aber nur als Laufrad eingesetzt werden.

Doppelkegelrad mit 20 Zähnen

Dies ist ein sehr beliebtes, robustes und zuverlässiges Zahnrad. Gewöhnlich wird es zusammen mit einem Einzelkegelrad mit 12 Zähnen eingesetzt, aber es erweist sich auch in anderen Kombinationen als nützlich.

Zahnrad mit 24 Zähnen

Von diesem beliebten, robusten und zuverlässigen Zahnrad gibt es mindestens drei Varianten, von denen die neueste die haltbarste ist (siehe Abbildung 5-19). Die Räder mit 24 Zähnen gehören zu den nützlichsten Zahnrädern, die zur Verfügung stehen.

Abbildung 5-19: Die zwei häufigsten Varianten des Zahnrads mit 24 Zähnen: das ältere, schwächere auf der linken Seite und das neue, stärkere auf der rechten

Zahnrad mit 24 Zähnen und Kupplung

Dieses Zahnrad mit 24 Zähnen ist weiß und hat ein dunkelgraues Mittelteil. Seine einzigartige Eigenschaft besteht darin, dass es einfach wirkungslos durchdreht, wenn ein entsprechend hohes Drehmoment darauf ausgeübt wird. Meistens wird es für Anwendungen eingesetzt, bei denen der Motor nur zugeschaltet sein darf, bis ein bestimmter Punkt erreicht ist. Das gilt beispielsweise für fast alle Lenkmechanismen, bei denen sich die Räder nur bis zu einem maximalen Einschlagwinkel drehen dürfen, und für Bahnschranken, die nur um einen bestimmten Winkel abgesenkt und angehoben werden. Bei solchen Mechanismen dreht das Zahnrad durch, wenn der Grenzwert erreicht ist, sodass der Motor weiterlaufen kann, während der Mechanismus selbst angehalten ist. Außerdem wird dieses Zahnrad für Motorwinden in offiziellen LEGO-Bausätzen verwendet, wo es dafür sorgt, dass der Motor nicht beschädigt wird, wenn das Seilende erreicht ist. Beachte, dass das Rad ab einem bestimmten Drehmoment durchzudrehen beginnt. Meistens ist ein Durchdrehen jedoch nur unter extrem hohem Drehmoment beabsichtigt. Beispielsweise soll ein Lenkmechanismus erst aufhören, die Räder zu drehen, wenn der maximale Einschlagwinkel erreicht ist, und nicht, wenn ein Rad auf ein Hindernis trifft. Dies kannst du erreichen, indem du zwischen das Zahnrad und den Mechanismus, den es steuert, eine zusätzliche Untersetzung einbaust (siehe Abbildung 5-20).

Abbildung 5-20: Ein Beispiel für den Schutz des Zahnrads mit 24 Zähnen und Kupplung durch eine Untersetzung (rechts). Das Übersetzungsverhältnis beträgt 3:1, was bedeutet, dass auf das Zahnrad nur ein Drittel des Gesamtdrehmoments ausgeübt wird. Dadurch ist zum Durchdrehen das dreifache Drehmoment erforderlich.

Der LEGO-Konstrukteur Jetro de Château hat festgestellt, dass im Laufe der Jahre mindestens drei verschiedene Versionen dieses Zahnrads gestellt wurden. Eines war im Bausatz 8479 enthalten, hatte ein hellgraues Mittelstück und erforderte ein höheres Drehmoment zum Durchdrehen. Das am häufigsten verwendete hat ein dunkelgraues Mittelstück. Außerdem gibt es noch ein drittes ohne Beschriftung auf den Seiten, bei dem nicht klar ist, aus welchen Bausätzen es stammt.

Zahnrad mit 24 Zähnen und Krone

Das Kronrad war das erste unter den regulären Zahnrädern, das senkrecht verzahnt werden konnte. Auch von diesem Element gibt es mindestens drei Varianten, wobei die älteren und schwächeren nach und nach durch neue und stärkere Versionen ersetzt wurden. Seit der Einführung von Kegelrädern hat dieses Zahnrad stark an Beliebtheit verloren. Es ist schwach und aufgrund seiner Form und der vorspringenden Nabe schwierig zu verwenden.

Zahnrad mit 36 Zähnen

Dies ist das größte Kegelrad und das einzige, von dem es keine Einzelkegelversion gibt. Dieses Zahnrad lässt sich bequem verwenden und ist überraschend robust. Allerdings ist es recht selten. Die übliche Farbe ist Schwarz.

Zahnrad mit 40 Zähnen

Dies ist das größte Zahnrad. Es ist zwar selten und wird aufgrund seiner enormen Größe auch nur selten verwendet, allerdings erfreut es sich als Kettenrad für ältere Arten von Ketten einer gewissen Beliebtheit.

Differenzialgetriebe

LEGO hat drei Arten von Differenzialgetrieben hergestellt, die wir uns in der Reihenfolge von links nach rechts in der obigen Abbildung ansehen werden.

Differenzialgetriebe mit 28 Zähnen des älteren Typs

Dies ist das älteste Differenzialgetriebe. Es ist für die Verwendung von Zahnrädern mit 14 Zähnen in seinem Inneren gedacht, funktioniert aber auch mit Einzelkegelrädern mit 12 Zähnen. Es nimmt viel Platz ein und weist 28 Zähne auf, die sowohl eben als auch rechtwinklig verzahnt werden können. Dieses Zahnrad wird ausschließlich hellgrau hergestellt.

16/24-Differenzialgetriebe

Dieses Nachfolgemodell des alten Differenzialgetriebes ist weit vielseitiger und lässt sich auch in Situationen einsetzen, in denen andere Differenzialgetriebe nicht verwendbar sind. Es weist zwei Zahnräder auf, eines mit 16 und eines mit 24 Zähnen, die beide nur eben verzahnt werden können. Das Rad mit 24 Zähnen lässt sich auch mit einer LEGO-Kette antreiben. Außerdem können beide Enden mit einem Getriebe-Antriebsring eingekuppelt werden, wobei das Differenzial gesperrt wird (siehe Abbildung 5-21). Diese Form wird fast ausschließlich dunkelgrau hergestellt.

Abbildung 5-21: Ein 16/24-Differenzial, das über einen Getriebe-Antriebsring gesperrt ist. In diesem Zustand wirkt es nicht wie ein Differenzial, sondern wie eine durchgehende Achse. sperrfähige Differenziale sind vor allem bei Offroad-Fahrzeugen nützlich, bei denen reguläre Differenziale Nachteile zeigen.

Differenzialgetriebe mit 28 Zähnen des neuen Typs

Diese Variante wurde aufgrund der wachsenden Beliebtheit noppenloser Konstruktionen eingeführt, in die sich ein Differenzial geradzahliger Größe nur schwer einbauen lässt. Sie verfügt über 28 Zähne, die nur rechtwinklig verzahnt werden können, und ist nur drei Noppen breit. Obwohl dieses Differenzial deutlich weniger massig ist, erweist es sich doch als erstaunlich robust, vor allem, wenn es in einen eigens dafür vorgesehenen noppenlosen 5x7-Rahmen eingeschlossen wird (siehe Abbildung 5-22). Das Innenleben wurde so umkonstruiert, dass es nur Einzelkegelräder mit 12 Zähnen aufnehmen kann. Die besondere Innenstruktur hält diese Räder sicherer an Ort und Stelle.

Abbildung 5-22: Das Differenzial mit 28 Zähnen des neuen Typs in der üblichen, robusten Konfiguration, nämlich eingeschlossen in einen noppenlosen 5x7-rahmen und angetrieben von einem Doppelkegelrad mit 20 Zähnen

Drehscheiben

LEGO-Technic-Drehscheiben gibt es in großen und kleinen Versionen. Von der großen Drehscheibe gibt es zwei Varianten, wobei der einzige bedeutsame Unterschied darin besteht, dass sich die alte Form (links) für Noppenkonstruktionen eignet, die neue (links) dagegen für noppenlose. Außerdem ist die alte Version vier Noppen hoch, die neue nur drei. Der Außenring beider Drehscheiben verfügt über 56 Zähne. Der innere hat 24 Zähne und die genaue Größe eines 24er-Zahnrads, allerdings macht die Konstruktion der noppenlosen Drehscheibe es unmöglich, ein Rad mit 24 Zähnen in den Innenring einzupassen. Die Drehscheibe kann jedoch immer noch mit kleineren Rädern verzahnt werden.

Beide Varianten bestehen aus einer oberen und einer unteren Hälfte, die sich beim Ansetzen einer ausreichend hohen Kraft voneinander trennen. Der äußere Ring wird häufig durch ein Zahnrad mit 8 Zähnen oder durch eine Schnecke angetrieben. Je nachdem, ob du die Drehscheibe von oben oder unten antreiben möchtest, kannst du sie aufrecht, aber auch kopfüber einsetzen. Für Letzteres eignet sich die noppenlose Variante besser.

2012 wurde darüber hinaus eine kleine Drehscheibe eingeführt. Sie besteht aus zwei Hälften (siehe Abbildung 5-23) mit je zwei Stiftlöchern, wobei an einer der Hälften ein Ring mit 28 Zähnen befestigt ist. Die eine Seite der Zähne ist wie bei Kegelrädern abgeschrägt, die andere wie bei Stirnrädern glatt. Daher kann die Drehscheibe nur von der Seite der zahnlosen Hälfte aus mit Kegelrädern verzahnt werden, wie Abbildung 5-24 zeigt. Mit dieser Drehscheibe lassen sich nur wenige Arten von Rädern verzahnen, wobei sich das Einzel-oder Doppelkegelrad mit 12 Zähnen eindeutig am besten eignet.

Abbildung 5-23: Die kleine Drehscheibe besteht aus zwei Hälften.

Die kleine Drehscheibe ist drei Noppen hoch, wobei der Durchmesser mit genau 28 mm etwas über drei Noppen beträgt. Das Loch in der Mitte ist quadratisch mit einer Größe von 1x1. Wir können daher Achsen (auch mit Lagerbuchsen und Achsverbindern), Kardangelenke, die Stangen von Pneumatikzylindern (alter und neuer Typ) und Linearaktoren, bis zu vier Pneumatikschläuche und sogar einen Balken darin einführen. Das viereckige Profil des Balkens verhindert jedoch, dass die Drehscheibe rotiert. Was wir nicht durch die kleine Drehscheibe führen können, sind Drähte – da die Stecker zu groß sind – und LEGO-LEDs (die ebenfalls zu groß sind).

Abbildung 5-24: Eine kleine Drehscheibe, verzahnt mit einem Doppelkegelrad mit 12 Zähnen

Knebelrad

Dies ist ein sehr wichtiges und beliebtes Bauteil, auch wenn es sich technisch gesehen nicht um ein Zahnrad handelt. Knebelräder können nur mit anderen Knebelrädern verzahnt werden, und zwar sowohl eben als auch rechtwinklig. Ihr Vorteil besteht darin, dass sie viel robuster sind als Zahnräder und mit erheblich höheren Drehmomenten fertig werden. Vor allem werden sie für die rechtwinklige Verzahnung eingesetzt, da reguläre Zahnräder in einer solchen Konfiguration bei hohen Drehmomenten eher brechen als Knebelräder. Der Nachteil der Knebelräder besteht in der ungewöhnlichen Form ihrer »Zähne«, die zu einem ungleichmäßigen Lauf führen. Das zeigt sich vor allem, wenn ein hohes Drehmoment auf rechtwinklig verzahnte Knebelräder ausgeübt wird – die Drehgeschwindigkeit beginnt dann zu schwanken. Da das gesamte Drehmoment an so wenigen Punkten angreift, verschleißen Knebelräder auch sehr stark. Es ist nicht ungewöhnlich, dass Knebelräder an den Verzahnungspunkten abgescheuert werden. Dies geschieht jedoch nur bei sehr schweren Lasten und nur nach längerer Zeit.

Hailfire Droid

Dies ist ein sehr großes und sehr seltenes Zahnrad mit dem eindrucksvollen Durchmesser von 26 Noppenlängen und 168 Zähnen auf dem inneren Ring. Das Zahnrad ist insgesamt 3 Noppen dick, die inneren Zähne sind 1 Noppe breit, und auf beiden Seiten befindet sich eine 1 Noppe tiefe Rille. Dadurch lässt es sich relativ leicht antreiben, entweder durch eine Struktur, die ins Innere eingebaut wird, oder durch den Anschluss an einen äußeren Mechanismus.

Seinen Namen hat dieses Zahnrad dem Bausatz zu verdanken, in dem es erschienen ist. Es handelt sich nämlich um das Zahnrad aus dem Bausatz 4481, »Hailfire Droid«. Da dieser Bausatz nicht mehr hergestellt wird und in jedem Kasten nur zwei Zahnräder dieses Typs enthalten waren, sind sie sehr selten und teuer.

Hailfire-Droid-Zahnräder sind als Drehscheiben in sehr großen Modellen gefragt. Es ist möglich, zwei dieser Zahnräder übereinanderzustapeln und die Rillen auf den einander berührenden Seiten mit 41 LEGO-Kugeln zu füllen (siehe Abbildung 5-25). Dadurch ergibt sich ein Mechanismus, der wie ein Kugellager wirkt und sich unter erheblichen Lasten drehen kann. Außerdem ist das Zahnrad aufgrund seiner immensen Größe sehr stabil.

Abbildung 5-25: Zum Auffüllen der Hailfire-Drehscheibe sind 41 LEGO-Standardkugeln erforderlich.

Veraltete Zahnräder

Diese merkwürdigen und bunten Zahnräder entstammen zwei älteren Zahnradsystemen von LEGO, nämlich dem Samsonite-System von 1965 und dem 1970 eingeführten Expert-Builder-System. Es handelt sich um die Vorläufer des heutigen Technic-Systems, durch das sie 1977 ersetzt wurden. Seit diesem Zeitpunkt werden sie in LEGO-Bausätzen nicht mehr verwendet, sie lassen sich aber immer noch relativ problemlos aus zweiter Hand erwerben. Eine Verzahnung ist sowohl eben als auch rechtwinklig möglich, allerdings immer nur mit Zahnrädern der eigenen Gruppe. Ihre Zähne sorgen wie bei Knebelrädern für einen unregelmäßigen Lauf. Diese Zahnräder sind massiv und bestehen aus einem sehr haltbaren Material. Einige verfügen sogar über Mittelstücke aus Metall, weshalb sich die kleinsten von ihnen bei Konstrukteuren großer Beliebtheit für Schwerlastanwendungen erfreuen. Die größeren werden aufgrund ihrer enormen Abmessungen kaum genutzt.

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Ketten und Riemenscheiben

Drehmomente können nicht nur mit Zahnrädern und Achsen übertragen werden, sondern auch auf zwei anderen Wegen, nämlich über Riemen und Ketten. Alle diese Systeme arbeiten nach den gleichen Prinzipien.

LEGO-Riemenscheiben sind Räder, die über Bindfäden oder Gummibänder verbunden werden können, um Antriebskraft und Bewegung zu übertragen. Ähnliche Riemenscheiben hast du wahrscheinlich schon bei Riementriebssystemen in echten Maschinen gesehen. Auch reibungslose Stifte, Lagerbuchsen und andere kreisförmige Elemente können als LEGO-Riemenscheiben verwendet werden. Riemenscheibensysteme sind vor allem für leichtere Lasten geeignet, um die Antriebskraft leise und über eine weitere Strecke zu übertragen.

LEGO-Ketten funktionieren ähnlich, eignen sich aber besser für höhere Drehmomente als Riemen. Anstelle des Gummibandes wird dabei eine Kette verwendet und anstelle der Riemenscheiben Zahnräder. Das Antriebsrad eines Kettensystems wird dabei als Kettenrad bezeichnet. Bindfäden oder Gummibänder werden durch Reibungskraft auf den Riemenscheiben gehalten, Ketten dagegen durch die in sie hineingreifenden Zähne. Abbildung 6-1 zeigt das Riemen-und das Kettensystem im direkten Vergleich.

Abbildung 6-1: Zwei Riemenscheiben mit einem Gummiband (gelb) und zwei Zahnräder mit einer Kette (schwarz). Beide Systeme weisen dasselbe Funktionsprinzip auf.

Da das Kettensystem weniger vielseitig und daher einfacher ist, besprechen wir es als erstes. Anschließend sehen wir uns Riemenscheibensysteme mit ihren verschiedenen Konfigurationen an. Für ein und dieselbe Konfiguration können wir sowohl Ketten-als auch Riemenscheibensysteme einsetzen, wobei die Variante mit Riemen jedoch meistens praktischer ist.

Ketten

Das Kettensystem von LEGO ist seit 1979 in der Technic-Produktreihe enthalten. Es ist zwar selten, wird aber wahrscheinlich trotzdem nicht eingestellt. Eine Kette besteht aus kleinen, starren Gliedern, die so verbunden sind, dass jedes Glied gegenüber dem nächsten gekippt werden kann (siehe Abbildung 6-2). Dadurch lassen sich flexible und doch starre Ketten beliebiger Länge zusammenstellen und dann um Zahnräder wickeln. Abbildung 6-3 zeigt die Größe eines LEGO-Kettenglieds im Vergleich mit einem 1x2-Stein. Die Glieder solcher Antriebsketten haben eine große Ähnlichkeit mit den LEGO-Raupenketten für Fahrzeuge (siehe Abbildung 6-4).

Abbildung 6-2: Ein einzelnes Kettenglied und ein Abschnitt aus vier verbundenen Gliedern, jeweils mit den Schlitzen nach oben und nach unten dargestellt. Theoretisch kann die Kette leichter auseinanderbrechen, wenn die Schlitze vom Zahnrad wegzeigen, aber in der Praxis ist dieser Unterschied vernachlässigbar.

Abbildung 6-3: Ein einzelnes Kettenglied ist sehr klein und lässt sich praktisch nicht mit irgendeinem anderen Typ von LEGO-Element kombinieren.

Abbildung 6-4: Die Glieder von Antriebsketten (links) ähneln denen von LEGO-Raupenketten (rechts) und können mit ihnen kombiniert werden. Mehr über Raupenketten erfährst du in Kapitel 16.

Abbildung 6-5 zeigt die fünf Zahnräder, die zusammen mit Ketten eingesetzt werden können. Auch das Zahnrad mit 8 Zähnen kann in die Kette eingreifen, ist aber zu klein, um sie anzutreiben (siehe Abbildung 6-6). Wenn du das Zahnrad mit 24 Zähnen und Kupplung verwendest, kannst du dafür sorgen, dass die Kette durchrutscht, wenn der Ausgang angehalten ist (z.B. unter Last). Dadurch verhält sich die Kette wie ein Gummiband über Riemenscheiben. Ketten können auch um Drehscheiben gewunden werden, um sie anzutreiben. Dies wird aber nur selten gemacht, da es andere, weniger platzraubende Möglichkeiten für den Drehscheibenantrieb gibt (z.B. Schnecken oder Zahnräder mit 8 Zähnen).

Die Kette ist zwar starr, weist aber doch eine gewisse Elastizität auf, da ihre Glieder aus dünnem Material bestehen. Dadurch kann die Spannung der Kette eingestellt werden. Prinzipiell sollte die Kette nicht zu stramm sitzen, da sie sonst bei Einwirkung eines Drehmoments leichter auseinanderbrechen kann. Daher ist ein gewisses Kettenspiel wünschenswert. Der Teil der Kette, der in Kontakt mit den Zahnrädern steht, hat kein Spiel. Das Kettenspiel sammelt sich stattdessen zwischen den Zahnrädern, gewöhnlich in dem Teil der Kette, der aufgrund der Schwerkraft am tiefsten durchhängt (siehe Abbildung 6-7). Durch dieses Spiel kann das System höheren Kräften widerstehen. Es wird nur dann zu einem Problem, wenn es so groß ist, dass die Kontaktfläche der Kette mit den Zahnrädern abnimmt. Dann besteht die Gefahr, dass Kettenglieder einzelne Zähne überspringen. Ein anderes Problem ergibt sich, wenn das Spiel so groß ist, dass die Kette die umgebende Struktur berühren und dort hängenbleiben kann. Bei Ketten von mehr als 20 Gliedern solltest du ein zusätzliches Glied einbauen, um die Spannung zu senken. Mit weichen Stoßdämpfern dagegen lässt sich die Spannung ein wenig erhöhen.

Abbildung 6-5: Alle für Ketten geeigneten Zahnräder

Abbildung 6-6: Ein Zahnrad mit 8 Zähnen kann zwar in eine Kette eingreifen, allerdings ist es zu klein, um die Kette anzutreiben. Es kann jedoch immer noch als Laufrad eingesetzt werden, um die Form der Kette an die umgebende Struktur anzupassen.

Um mit einer Kette das Übersetzungsverhältnis zu ändern, verbindest du mit ihr einfach zwei Zahnräder unterschiedlicher Größe. Das hat dieselbe Auswirkung wie die unmittelbare Verzahnung der beiden Räder. Das Übersetzungsverhältnis ist der Quotient aus der Anzahl der Zähne des angetriebenen Zahnrads und der Anzahl der Zähne des Antriebszahnrads. Wenn du beispielsweise ein Zahnrad mit 24 Zähnen durch ein Zahnrad mit 16 Zähnen und eine Kette antreibst, erhältst du das Übersetzungsverhältnis von 16:24 oder in gekürzter Form 1:1,5. Das ist dasselbe Verhältnis wie bei der direkten Verzahnung. Das Übersetzungsverhältnis eines Kettensystems wird ebenfalls nicht durch Laufräder beeinflusst. Der einzige Unterschied besteht darin, dass sich alle Zahnräder, die die Kette umschließt, in dieselbe Richtung drehen. Davon ausgenommen sind Laufräder, die sich außerhalb des Kettenkreises befinden statt darin (siehe das Laufrad in Abbildung 6-6). Mit einer einzigen Kette kannst du mehrere Zahnräder in Bewegung versetzen, wobei sich für jedes von ihnen ein eigenes Übersetzungsverhältnis ergibt.

Abbildung 6-7: Die Großaufnahme der Stelle, an der sich die Kette um das Zahnrad schlingt, zeigt, dass in jedes Kettenglied zwei Zähne eingreifen. Der Teil der Kette, der in Kontakt mit den Zahnrädern steht, hat kein Spiel. Seine Elastizität ist minimal.

Das wichtigste Merkmal einer Kette ist ihr Verhalten unter der Einwirkung eines Drehmoments. Wird auf direkt verbundene Zahnräder ein hohes Drehmoment angewendet (rechts in Abbildung 6-8), können sie auseinandergedrückt werden, sodass ihre Zähne nicht mehr richtig ineinandergreifen. Zahnräder, die über eine Kette verbunden sind, rücken durch ein hohes Drehmoment dagegen näher aneinander heran. Dadurch bietet die Kette in Anwendungen mit hohem Drehmoment noch den zusätzlichen Vorteil, dass die Zahnräder kein Gehäuse zur Verstärkung benötigen, da die Kette selbst als strukturelle Verstärkung fungiert.

Riemenscheiben

Riemenscheiben sind runde LEGO-Elemente, die für einen Antrieb über Gummibänder oder Bindfäden vorgesehen sind. Sie zeichnen sich durch eine Rille am Rand aus. Wie Abbildung 6-9 zeigt, gibt es nur vier Arten von Riemenscheiben. Auch andere LEGO-Bauteile können als Riemenscheiben verwendet werden, aber ohne Rille halten sie das Gummiband oder die Schnur nicht so gut fest. Viele der Räder ohne Reifen können ebenfalls als Riemenscheiben dienen.

Abbildung 6-8: Einer der Hauptvorteile einer Kette (links) besteht darin, dass sie im Gegensatz zu direkt ineinandergreifenden Zahnrädern (rechts) keine Verstärkungsstruktur benötigt, um mit hohen Drehmomenten fertig zu werden.

Abbildung 6-9: Die vier LEGO-Riemenscheiben

Die beiden gebräuchlichsten Riemenscheiben sind die reguläre Halbbuchse und die Keilriemenscheibe. (Letztere heißt aufgrund ihrer Ähnlichkeit mit echten Keilriemenscheiben so, wird allerdings nicht mit Keilriemen, sondern mit Gummibändern betrieben.) Die große Riemenscheibe ist weniger gebräuchlich. Am seltensten ist die Mikromotorscheibe, da sie ursprünglich nur zur Verwendung mit dem LEGO-Mikromotor gedacht war. Wenn wir zwei Riemenscheiben mit einem Gummiband oder einer Schnur verbinden, erhalten wir wie bei einem Kettensystem ein Übersetzungsverhältnis, das über die Durchmesser des angetriebenen und des Antriebsrades bestimmt wird. (Die Durchmesser siehst du in Abbildung 6-10.) Treibt beispielsweise eine Halbbuchse eine Keilriemenscheibe an, ergibt sich das Verhältnis 21:5,8 oder 3,6:1. Der Antrieb einer Mikromotorscheibe durch eine große Riemenscheibe führt zu einem Verhältnis von 9:32 oder 1:3,55.

Abbildung 6-10: Die Durchmesser der Riemenscheiben, die ihr Übersetzungsverhältnis bestimmen

Die Berechnung des Übersetzungsverhältnisses ist bei Riemenscheiben jedoch nicht so zuverlässig wie bei Zahnrädern, da es zwischen Antriebsrad und angetriebenem Rad keine feste Verbindung gibt, sondern nur ein Gummiband oder eine Schnur, die unter Last durchrutschen, sich ausdehnen oder zusammenziehen kann, was das Verhältnis ändert. Dieses Fehlen einer festen Verbindung können wir jedoch auch zu unserem Vorteil ausnutzen. Beispielsweise kann ein solcher Radschlupf das Abwürgen des Motors verhindern. Die Berechnungen auf der Grundlage des Durchmessers solltest du daher nur als Näherung ansehen. Das effektive Übersetzungsverhältnis hängt von einer Reihe weiterer Faktoren ab, unter anderem vom übertragenen Drehmoment und von der Spannung des Elements, das die Riemenscheiben verbindet. Außerdem ist es nicht konstant, sondern kann Schwankungen unterliegen.

Die Verwendung von Schnüren auf Riemenscheiben werden wir uns im nächsten Abschnitt ansehen, aber hier konzentrieren wir uns zunächst auf Gummibänder. Es ist zwar möglich, jede Art von dünnem Gummiband zu verwenden, allerdings funktionieren die von LEGO hergestellten Gummibänder merkbar besser. Die Bänder in den Technic-Baukästen bestehen aus qualitativ hochwertigem Silikon. Sie reißen nur selten, bleiben über Jahre hinweg elastisch und haben einen runden Querschnitt, der sich besser in die Rillen der Riemenscheiben einschmiegt als der rechteckige Querschnitt haushaltsüblicher Gummibänder.

Die LEGO-Gummibänder für Riemenscheiben werden in fünf Größen von 2x2 bis 7x7 hergestellt. Abgesehen von Größe und Farbe sind die Bänder identisch. Sie lassen sich auch alle ausdehnen, wobei die größeren stärker dehnbar sind als die kleinen. In Abbildung 6-11 sind die verschiedenen Bänder in ihren jeweils häufigsten Farben dargestellt.

Das grundlegende Verhalten zweier Riemenscheiben, die über ein Gummiband verbunden sind, ähnelt sehr stark dem eines Systems aus zwei Zahnrädern und einer Kette. Das Gummiband dient als Antriebsriemen und sorgt dafür, dass sich alle Scheiben, die es einschließt, in dieselbe Richtung drehen. Die Form kann durch Laufräder verändert werden. Bei hohem Drehmoment werden die Riemenscheiben zueinandergezogen. Mit einem einzigen Band und einer einzigen Antriebsscheibe lassen sich auch mehrere angetriebene Riemenscheiben unterschiedlicher Größe in Bewegung setzen, wobei für jede Scheibe ein eigenes Übersetzungsverhältnis gilt.

Abbildung 6-11: LEGO-Gummibänder gibt es in fünf Größen mit Durchmessern von 2, 3, 4, 5 und 7 Noppen. In diesem Bild sind sie in der jeweils häufigsten Farbe dargestellt.

Der Hauptunterschied zwischen Gummiband-und Kettensystemen besteht darin, dass das Band so stramm wie möglich gespannt sein sollte, da jegliches Spiel die Übertragung der Antriebskraft unterbinden und sogar dafür sorgen kann, dass das Band von den Scheiben fällt. Schlupf in einem Riemenscheibensystem ist aber nicht immer von Nachteil. Wenn das angetriebene Rand anhält oder blockiert wird, rutscht das Band einfach durch, sodass kein Kupplungsmechanismus benötigt wird. Wenn sie stramm genug gespannt sind, können LEGO-Gummibänder Drehmomente von erheblicher Größe ohne Schlupf übertragen. Im Allgemeinen werden sie bei Anwendungen mit hohem Drehmoment jedoch als weniger zuverlässig eingestuft als Zahnräder. Ein Problem besteht darin, dass die Bänder reißen können, was bei hohen Drehmomenten katastrophale Folgen haben kann.

Ein weiterer Vorteil von Riemenscheibensystemen ist ihre geringe Größe und Dicke. Die beiden gebräuchlichsten Riemenscheiben – die halbe Lagerbuchse und die Keilriemenscheibe – sind nur eine halbe Noppe dick, sodass zwei Paare von Riemenscheiben dort Platz haben, wo nur ein Paar von Zahnrädern eingebaut werden kann (siehe Abbildung 6-12). Dadurch sind Riemenscheiben gegenüber Zahnrädern zu bevorzugen, wenn der Platz begrenzt und das Drehmoment gering ist. Solange die Bänder nicht durchrutschen, gibt es unabhängig von ihrer Anzahl auch praktisch kein Spiel, was in Mechanismen, die schnell und genau reagieren müssen, einen großen Vorteil gegenüber Zahnrädern bedeutet. Außerdem laufen sie praktisch geräuschlos.

Abbildung 6-12: In einen Zwischenraum von einer Noppe Breite passen zwei Paare von Riemenscheiben. Denselben Raum würde bereits ein einziges Zahnradpaar ausfüllen.

Abbildung 6-13: Hier werden zwei Riemenscheiben »um die Ecke« mit einem Gummiband verbunden. Zur Führung des Bandes dienen zwei frei rotierende Felgen auf einer vertikalen Achse, die als Laufrollen fungieren.

Beachte auch, dass Bänder weit flexibler sind als Ketten und in jede beliebige Richtung gedreht werden können. Dadurch lassen sich Mechanismen konstruieren, die mit Ketten nicht möglich wären, z.B. Riemenscheiben, die über einen Winkel angetrieben werden (siehe Abbildung 6-13).

Flaschenzugsysteme

Die Verwendung von Schnüren für Riemenscheiben unterscheidet sich erheblich von der Nutzung von Gummibändern. Natürlich kannst du einen Bindfaden zu einer Schleife knoten und um zwei Riemenscheiben spannen, aber diese Verbindung funktioniert nicht so gut wie ein Gummiband, da sie nicht fest genug sitzt. Schnur ist einfach weniger elastisch und haftet weniger gut. Gummibänder werden dazu verwendet, Antriebskraft zwischen zwei oder mehr Riemenscheiben zu übertragen, wohingegen sich Schnur am besten zur Übertragung der eigentlichen Bewegung oder Auslenkung eignet.

Ideale Beispiele für ein solches System sind Winden und Kräne, bei denen Schnur um eine Spule gewickelt ist. Durch Drehen der Spule können über ein System von Riemenscheiben Lasten angehoben und abgesenkt werden, wie Abbildung 6-14 zeigt. In diesem Fall ist die Spule das Antriebsrad, dessen Bewegung auf den Haken am Ende der Schnur übertragen wird. Werden keine Riemenscheiben verwendet, muss sich die Spindel oben auf dem Kran befinden, direkt über der Last. Beim Einsatz von Riemenscheiben dagegen kann die Schnur von der Kranspitze nach hinten geführt werden, wo die Spule leicht zugänglich eingebaut werden und als Gegengewicht für den Kran dienen kann.

Es gibt zahlreiche Beispiele von Mechanismen, bei denen »Schnüre« zur Übertragung einer Bewegung eingesetzt werden, beispielsweise Ziehbrücken, Jalousien und Drahtseilbahnen (bei denen die Kabinen zur Fortbewegung in ein laufendes Kabel eingeklinkt und von ihm gelöst werden).

Riemenscheiben können jedoch noch mehr tun, als nur die Bewegungsrichtung zu ändern. Sie lassen sich auch zu Systemen mit einer mechanischen Kraftverstärkung (Hebelübersetzung) kombinieren. Dies ist ein Maß dafür, wie sehr ein Mechanismus die Kraft verstärkt, die wir auf ihn ausüben. Eine mechanische Kraftverstärkung von 2 bedeutet, dass die Kraft verdoppelt wird. Das ist genau die Art von Drehzahl/Drehmoment-Umwandlung, die wir schon bei Zahnrädern besprochen haben. Die mechanische Kraftverstärkung ist nur eine andere Art, ein Verhältnis auszudrücken. Eine mechanische Kraftverstärkung von 2 entspricht einfach einem Verhältnis von 2:1.

Abbildung 6-14: Bei einem einfachen Kran wird die Last am Haken mithilfe einer Winde nach oben und unten gezogen. Die Bewegung wird über eine Schnur übertragen, die über zwei Halbbuchsen als Laufrollen von der Spule zur Kranspitze geführt wird.

Das Prinzip der mechanischen Kraftverstärkung lässt sich anhand des Kranbeispiels aus Abbildung 6-14 sehr gut veranschaulichen. Nehmen wir an, dass wir in dem Kran ein System aus Riemenscheiben eingebaut haben, das uns eine mechanische Kraftverstärkung um den Faktor 2 bietet. Das bedeutet einfach, dass wir die halbe Kraft doppelt so lange anwenden müssen – denn die Verstärkung der Kraft erfolgt auf Kosten einer größeren Schnurlänge, die wir aufwickeln müssen. Wenn wir beispielsweise eine Last von 100 g einen Meter hoch anheben und dazu nur die Kraft zum Anheben von 50 g aufwenden wollen, müssen wir die Spule lange genug drehen, um 2 m Schnur aufzuwickeln. Wir tauschen hier ein höheres Drehmoment gegen eine niedrigere Drehzahl, was sich auszahlt, da ja die Last, die wir anheben können, meistens viel wichtiger ist als die Geschwindigkeit, mit der dies geschieht. Bei ausreichender mechanischer Kraftverstärkung können wir jede Last bewegen, wie schwer sie auch sein mag. Das Gewicht bestimmt nur, wie viel Zeit wir dazu brauchen. (Selbstverständlich ist auch eine Struktur erforderlich, die stark genug ist, um dieses Gewicht zu tragen.)

Gewöhnlich werden zwischen der Kranspitze und dem Haken Riemenscheibensysteme eingebaut, die für eine mechanische Kraftverstärkung sorgen. Die Erfindung dieser Systeme wird den alten Griechen zugeschrieben, wobei das System von den Römern verbessert wurde. Man schätzt heute, dass die fortschrittlichsten römischen Kräne einer Person erlaubten, Lasten bis zu 3 t zu heben, was für solche einfachen, größtenteils aus Holz konstruierten Maschinen schon ziemlich beeindruckend ist. Die Hubkapazität kann noch vervielfacht werden, indem man eine Last mit mehreren Kränen anfasst. Viele Bauwerke des Altertums, die wir heute bewundern, hätten ohne diese Erfindung, mit der menschliche Arbeiter extrem schwere Objekte bewegen konnten, nicht konstruiert werden können.

Ein solches Riemenscheibensystem – ein Flaschenzug – besteht aus mindestens einer festen Rolle oberhalb der Last, die an Ort und Stelle verbleibt (z.B. an der Kranspitze), und mindestens einer Rolle, die sich mit der Last bewegt (beispielsweise kann sie wie in Abbildung 6-15 am Kranhaken befestigt sein). Es gibt also zwei Gruppen von Riemenscheiben, nämlich feste und lose (bewegliche) Rollen, die jeweils mehrere Scheiben umfassen können. Die Art und Weise, wie und wie oft diese Rollengruppen durch die Schnur verbunden sind, bestimmt die mechanische Kraftverstärkung, die sie liefern. Es gibt drei Arten von Flaschenzugsystemen, bei denen die Rollengruppen jeweils auf eine andere Weise miteinander verbunden sind. Wir beginnen mit dem einfachsten.

Einfache Flaschenzüge

Beim einfachsten Flaschenzugsystem sind die beiden Rollengruppen identisch. Die obere Gruppe ist fest, wobei die Schnur über die erste Scheibe dieser Gruppe zur unteren, losen Gruppe verläuft und dort um deren erste Scheibe geschlungen wird. Dann geht sie wieder zur oberen Gruppe, wo sie befestigt wird. Es ist jedoch auch möglich, sie um eine zweite Scheibe zu schlingen und dann den Verlauf wie zwischen den beiden ersten Scheiben zu wiederholen. Dadurch kann die Schnur jedoch nicht direkt am Haken befestigt werden, wenn sie von der ersten oberen Scheibe nach unten verläuft. Dies ist der Hauptunterschied zwischen dem einfachsten Flaschenzug und einer Hebevorrichtung ohne dieses System, wie ein Vergleich der Abbildungen 6-16 und 6-17 zeigt.

Abbildung 6-15: Unser einfacher Kran mit einem Flaschenzug. Hier werden zwei Gruppen von Rollen verwendet, die jeweils aus einer einzigen Riemenscheibe bestehen. Die obere bleibt an der Kranspitze, die untere bewegt sich zusammen mit dem Haken auf und ab. Diese Rollenanordnung sorgt für eine mechanische Kraftverstärkung um den Faktor 2.

In Abbildung 6-17 siehst du das einfachste Flaschenzugsystem, bei dem zwei Abschnitte Schnur die beiden Gruppen verbinden. Um eine Last zu heben, müssen wir also zweimal so viel Schnur aufwickeln wie bei einer Vorrichtung ohne dieses System, doch dafür ist auch nur die halbe Kraft erforderlich. Der Kraftaufwand ist auf Kosten der aufzuwickelnden Schnurlänge halbiert worden. Es wird dir nichts geschenkt: Wir tauschen hier Arbeitszeit gegen Arbeitskraft ein. Dadurch müssen wir weniger Kraft aufwenden, das aber über einen längeren Zeitraum hinweg.

Was geschieht, wenn wir noch eine weitere Schnurlänge zwischen die beiden Gruppen spannen? Dazu brauchen wir eine weitere Riemenscheibe, damit sich die einzelnen Abschnitte der Schnur nicht verheddern (siehe Abbildung 6-18).

Hier ist die Schnur jetzt an der unteren Gruppe befestigt, geht vorher aber dreimal durch die Riemenscheiben, nämlich über zwei obere und eine untere. Drei Schnurlängen verbinden die beiden Gruppen, was zu einer Kraftverstärkung von 3 führt. Wir müssen also dreimal so viel Schnur aufwickeln, dafür aber nur ein Drittel der Kraft aufwenden. Das Prinzip dürfte jetzt klar sein: Die Anzahl der Schnurlängen zwischen den Gruppen bestimmt die mechanische Kraftverstärkung. (Äquivalent kann man sagen, dass der Faktor durch die Anzahl der festen und losen Rollen bestimmt wird.)

Abbildung 6-16: Diese Vorrichtung hat nur eine obere Gruppe mit einer einzigen Riemenscheibe, aber keine untere Gruppe. Die Schnur, die von der Scheibe herunterläuft, ist direkt am Haken befestigt. Dies ist kein Flaschenzug, und es gibt auch keine mechanische Kraftverstärkung.

Abbildung 6-17: Diese Anordnung besteht aus zwei Gruppen aus je einer Riemenscheibe. Die Schnur verläuft von der oberen zur unteren Gruppe und wird dann an einem Element befestigt, das zur oberen Gruppe gehört. Dies ist der einfachste mögliche Flaschenzug. Er bietet eine Kraftverstärkung um den Faktor 2.

Abbildung 6-18: Ein Flaschenzug mit drei Schnurlängen zwischen den Gruppen. Hier verläuft die Schnur zweimal durch die obere Gruppe, weshalb zwei Scheiben erforderlich sind. Anschließend wird die Schnur an der roten Achse in der unteren Gruppe befestigt. Diese Anordnung bietet eine Kraftverstärkung um den Faktor 3.

Solche einfachen Flaschenzugsysteme werden noch heute auf Segelbooten verwendet. Die Bezeichnungen richten sich danach, wie viele Rollen welcher Art eingesetzt werden. Das System mit zwei Seillängen ist also ein Flaschenzug mit einer festen und einer losen Rolle, dasjenige mit drei Seillängen ein Flaschenzug mit zwei festen und einer losen Rolle. Die Abbildungen 6-19 bis 6-21 zeigen noch weitere Flaschenzüge mit bis zu sechs Seillängen. Je mehr Rollen hinzugefügt werden, umso ineffizienter wird das System, da jede weitere Riemenscheibe die Reibung erhöht und die extrem lange Schnur unter Last dazu neigt, sich auszudehnen.

Differenzialflaschenzüge

Seinem Namen zum Trotz enthält dieses Flaschenzugsystem kein Differenzialgetriebe. Stattdessen besteht die obere Gruppe aus zwei unabhängigen Riemenscheiben, die sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit in entgegengesetzte Richtung drehen können. Dazu werden zwei getrennte Achsen für die beiden Scheiben verwendet. Es ist auch möglich, eine der beiden Riemenscheiben durch ein rundes LEGO-Element mit einem Stiftloch anstelle eines Achslochs zu ersetzen, wie Abbildung 6-22 zeigt.

Abbildung 6-19: Dieser Flaschenzug mit zwei festen und zwei losen Rollen bietet eine Kraftverstärkung um den Faktor 4.

Abbildung 6-20: Dieser Flaschenzug mit drei festen und zwei losen Rollen bietet eine Kraftverstärkung um den Faktor 5.

Abbildung 6-21: Dieser Flaschenzug mit drei festen und drei losen Rollen bietet eine Kraftverstärkung um den Faktor 6.

Abbildung 6-22: Ein Differenzialflaschenzug mit zwei unabhängigen Riemenscheiben von unterschiedlichem Durchmesser im oberen Block

Wie du siehst, ist die untere Gruppe ziemlich einfach aufgebaut, während die obere aus zwei Riemenscheiben unterschiedlichen Durchmessers besteht, nämlich einer Keilriemenscheibe und einer kleinen Felge. Die Felge hat ein Stiftloch, sodass sie sich unabhängig von der Geschwindigkeit und Richtung der anderen Scheibe frei um die Achse drehen kann. Außerdem weist die Felge eine tiefe Rille mit einem Innendurchmesser von 9 mm auf. Auch die Führung der Schnur ist bemerkenswert. Sie wird mit einer Schlaufe an der Spule befestigt, läuft über die obere und die untere Riemenscheibe, geht dann wieder nach oben und wird einmal um die kleine obere Scheibe gewickelt. Anschließend wird sie an den Abschnitt der Schnur geknotet, der sich zwischen der Spule und der großen oberen Riemenscheibe befindet.

Wenn wir die Spule drehen, zieht sie bei beiden oberen Riemenscheiben an der Schnur, sodass sie sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit in entgegengesetzte Richtung drehen. Der Geschwindigkeitsunterschied wird durch die Drehung der unteren Scheibe ausgeglichen. Das Bemerkenswerte an diesem System ist die mechanische Kraftverstärkung, die wir damit erzielen können.

Sei R der Radius der großen und r der Radius der kleinen oberen Riemenscheibe. Dann ist die mechanische Kraftverstärkung des Gesamtsystems gleich:

In unserem Beispiel ist R = 10,5 und r = 4,5, sodass sich eine Kraftverstärkung von 21/6 = 3,5 ergibt. Wie du anhand der Formel erkennen kannst, ist die Kraftverstärkung umso größer, je weniger sich die Durchmesser der beiden oberen Scheiben unterscheiden. Die beiden Scheiben dürfen jedoch auch nicht denselben Durchmesser aufweisen, da sich die untere Gruppe sonst nicht aufwärts oder abwärts bewegen würde.

Sehen wir uns noch an, welche Kraftverstärkung andere Kombinationen von Riemenscheiben ergeben. Mit einer Mikromotorscheibe (R = 4,5) und einer halben Lagerbuchse (r = 2,9) erhalten wir 9/1,6 oder 5,63 – was ein ziemlich gutes Ergebnis für so kleine Teile darstellt! Die Kombination einer anderen frei drehbaren Felge (56902, siehe Abbildung 6-23) mit tiefer Rille und einem Innendurchmesser von 10 mm (R = 5) und einer Mikromotorscheibe (r = 4,5) ergibt eine Kraftverstärkung von 10/0,5, also um den Faktor 20.

Mit Differenzialflaschenzügen können wir sehr leicht eine hohe Kraftverstärkung erreichen. Der Bewegungsfreiheit der unteren Gruppe ist jedoch durch die Entfernung zwischen der Stelle, an der die Schnur mit sich selbst verknüpft ist, und der Spule (zum Anheben) bzw. zu den oberen Scheiben (zum Absenken) begrenzt. Um Lasten sehr hoch anzuheben, ist daher eine sehr große Entfernung zwischen der Spule und den oberen Scheiben erforderlich.

Abbildung 6-23: Ein Differenzialflaschenzug, bei dem die obere Gruppe aus einer frei drehbaren Felge und einer Mikromotorscheibe besteht. Die inneren Radien der beiden gerillten Scheiben unterscheiden sich nur um 0,5 mm, was eine Kraftverstärkung um den Faktor 20 ergibt.

Potenzflaschenzug

Das komplizierteste und wirkungsvollste der drei Systeme ist der Potenzflaschenzug. Er zeichnet sich durch eine obere feste Rolle und mehrere hintereinander geschaltete lose Rollen aus, wobei der Haken an der letzten losen Rolle befestigt ist (siehe Abbildung 6-24).

Wie du siehst, wird zunächst eine Schnur (schwarz) von der Spule über die obere Riemenscheibe und durch die erste lose Rolle geführt und dann an einem Teil der oberen Baugruppe befestigt. An der losen Rolle ist aber eine weitere Schnur befestigt (grün), die die zweite lose Rolle umläuft und dann wie die erste Schnur an einem Teil der oberen Baugruppe befestigt wird. Diese Anordnung wiederholt sich bis zur letzten losen Rolle, an der sich der Haken befindet, um die Last aufzuheben. In Abbildung 6-24 befindet sich der Haken der vierten losen Rolle, er könnte aber genauso gut auch an der zwanzigsten befestigt sein. Wenn die Punkte der oberen Baugruppe, an denen die Schnüre befestigt sind, horizontal weiter von den zugehörigen Scheiben entfernt werden (in Abbildung 6-24 nach links), können sich die losen Rollen nicht nur auf und ab, sondern auch vorwärts und rückwärts bewegen.

Abbildung 6-24: Der Potenzflaschenzug besteht aus einer oberen festen Rolle und mehreren hintereinander geschalteten losen Rollen. Hier werden vier lose Rollen verwendet, was eine Kraftverstärkung von 16 ergibt.

Die mechanische Kraftverstärkung eines Potenzflaschenzugs beträgt 2n, wobei n die Anzahl der losen Rollen ist. Das bedeutet, dass die Verstärkung rapide ansteigt, je mehr lose Rollen wir hinzufügen – 2 für eine Rolle, 4 für zwei, 8 für drei, 16 für vier usw. Im Vergleich mit dem Faktor 22, den wir beim Differenzialflaschenzug erreicht haben, mag das nicht besonders beeindruckend klingen. Denke aber daran, dass du bei zehn losen Rollen eine Verstärkung von 1000 erhältst und bei zwanzig von einer Million! Es gibt keine technische Grenze für die Anzahl der losen Rollen. Allerdings wird das System wie alle anderen immer ineffizienter, da sich die Reibung der Scheiben summiert und sich die Schnur unter Last ausdehnt.

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Hebel und Koppelgetriebe

Hebel und Koppelgetriebe gehören zu den einfachsten Maschinen und bilden die Grundlage für zahlreiche weit kompliziertere Mechanismen. Hebel werden meistens eingesetzt, um eine mechanische Kraftverstärkung zur Bewegung schwerer Lasten zu erreichen, wohingegen Koppelgetriebe gewöhnlich dazu dienen, eine Form von Bewegung in eine andere umzusetzen. Beide begegnen uns im täglichen Leben auf Schritt und Tritt. Ob jemand auf einer Wippe spielt oder eine Zange ansetzt, immer werden dabei Hebel und Koppelgetriebe eingesetzt.

Hebel

Ein Hebel in seiner einfachsten Form ist ein Balken, der an einer Stelle durch ein Scharnier oder ein Drehgelenk unterstützt wird (siehe Abbildung 7-1). Diese Stelle ist der sogenannte Drehpunkt (oder Angelpunkt). Bei einem Hebel gibt es eine Eingangs-und eine Ausgangskraft. Die aufgewendete Kraft (Eingang) bezeichnen wir einfach als Kraft, die Reaktionskraft als Last. Die Abschnitte des Hebels zwischen dem Drehpunkt und seinen Enden sind die Arme.

Abbildung 7-1: Ein einfacher Hebel besteht aus einem Balken (gelb) und einem Drehpunkt (schwarz). Der braune Behälter ist die Last, die grünen Pfeile zeigen die angewandte Kraft an. Wird die Kraft nach unten ausgeübt, so wird die Last angehoben.

Wenn ein Hebel eine mechanische Kraftverstärkung bietet, wird die Eingangskraft verstärkt. Diese Verstärkung hat jedoch wie bei allen anderen einfachen Maschinen ihren Preis. Ein Hebel mit einer Kraftverstärkung von 2 erlaubt es uns, zum Anheben einer Last nur die halbe Kraft aufzuwenden wie ohne den Hebel. Allerdings können wir die Last damit auch nur über die halbe Strecke anheben (also mit halber Geschwindigkeit).

Die Kraftverstärkung des Hebels hängt von der Länge der Arme, der Last und der Kraft ab. Das sogenannte Hebelgesetz besagt, dass die Kraftverstärkung eines Hebels dem Quotienten dk/dl entspricht, wobei dk die Länge des Kraftarms ist (der Abstand zwischen der ansetzenden Kraft und dem Drehpunkt) und dl die Länge des Lastarms (Abstand zwischen Last und Drehpunkt). Bei dem Hebel in Abbildung 7-2 beträgt dk (blauer Pfeil) 5 Noppenlängen, dl (roter Pfeil) dagegen drei Noppenlängen. Als Kraftverstärkung des Hebels ergibt sich also 5/3 = 1,67. Um eine Last von 1 kg mit diesem Hebel um 1 m anzuheben, müssen wir also die gleiche Kraft anwenden, wie es ohne Hebel für eine Last von 0,6 kg nötig wäre. Dafür müssen wir das Ende des Hebels jedoch um 1,67 m nach unten drücken. Die Kraftverstärkung ist trotzdem nützlich, denn Zeit haben wir genug, während unsere Kraft begrenzt ist.

Abbildung 7-2: Dieser Hebel bietet eine Kraftverstärkung von 5/3 oder 1,67, da der Kraftarm fünf Noppen lang ist, der Lastarm aber nur drei Noppen.

Das Hebelgesetz besagt auch, dass die Kraft auf einem Arm umgekehrt proportional zu dessen Länge ist. Daher ist zur Bewegung eines Hebels umso weniger Kraft erforderlich, je länger der Kraftarm ist. Bei einem Kraftarm von 3 Noppen Länge brauchst du zweimal so viel Kraft zum Anheben derselben Last wie bei einem Kraftarm von 6 Noppen Länge (bei gleich langem Lastarm). Dafür aber hebt der 6-Noppen-Arm die Last nur halb so hoch.

Abbildung 7-3 zeigt das Verhältnis von Armlänge und Kraft. Der abgebildete Hebel hat einen Arm von drei und einen von sieben Noppen Länge. Wenn wir Kraft auf den langen Arm anwenden, bietet der Hebel eine Verstärkung von 2,33 (7/3). Umgekehrt ergibt sich eine Verstärkung von 0,43 (3/7) – wir müssen also mehr Kraft aufwenden als ohne den Hebel! Bei einer Last von 1 kg auf dem langen und von 2,33 kg auf dem kurzen Arm ist der Hebel ausbalanciert.

Sind Kraftarm und Lastarm gleich lang (dk = dl), ergibt sich eine Kraftverstärkung um den Faktor 1. Es wird also keine Kraft verstärkt. Die erforderliche Kraft und die Weglänge bleiben gleich. Ein solcher Hebel kann jedoch immer noch nutzbringend eingesetzt werden, da er die Bewegungsrichtung umkehrt (durch Niederdrücken des einen Endes wird das andere angehoben).

Der Balken eines Hebels muss nicht unbedingt gerade sein, sondern funktioniert auch in gebogenem Zustand genauso gut. Ein einfaches L-Stück ist ein gutes Beispiel für einen gebogenen Hebel (siehe Abbildung 7-4). Dieses Element verfügt über einen langen und einen kurzen Arm und kann an der Knickstelle auf den Boden gestellt werden, sodass sie als Drehpunkt fungiert. Wenn wir den kurzen Arm unter die Last schieben, können wir den langen Arm nutzen, um diese Last mit weniger Kraft anzuheben, als ohne das L-Stück erforderlich wäre.

Abbildung 7-3: Dieser Hebel bietet eine Kraftverstärkung von 2,33, da der Kraftarm um den Faktor 2,33 länger ist als der Lastarm. Eine Last, die du am Ende des langen Arms anbringst, kann daher die 2,33-fache Last am anderen Ende ausbalancieren.

Arten von Hebeln

Drehpunkt, Last und Kraft können auf einem Hebel unterschiedliche Positionen einnehmen. Es gibt drei mögliche Kombinationen oder Klassen. Zum Glück ist das Hebelgesetz für alle Klassen gleich, sodass wir die mechanische Kraftverstärkung stets auf dieselbe Weise berechnen können.

Es gibt folgende Klassen:

Klasse 1 (siehe Abbildung 7-5). Der Drehpunkt befindet sich in der Mitte des Hebels, Last und Kraft an den Enden. Dieser zweiseitige Hebel ist die einzige Klasse, bei der Last und Kraft in entgegengesetzter Richtung wirken (d.h., um die Last zu heben, musst du die Kraft nach unten anwenden). Beispiele dafür sind eine Wippe oder ein Kuhfuß.

Klasse 2 (siehe Abbildung 7-6 und 7-7). Last befindet sich in der Mitte des Hebels, Drehpunkt und Kraft an den Enden. Ein Beispiel dafür ist eine Schubkarre, bei der das Rad als Drehpunkt fungiert.

Klasse 3 (siehe Abbildung 7-8 und 7-9). Die Kraft setzt in der Mitte des Hebels an, Last und Drehpunkt befinden sich an den Enden. Hebel dieser Art weisen eine Kraftverstärkung kleiner als 1 auf, d.h., dass die Last hier höher angehoben werden kann, was aber auf Kosten eines höheren Kraftaufwands geht. Solche Hebel sind nützlich, wenn ausreichend Kraft zur Verfügung steht und die Last über eine größere Distanz befördert werden muss. Ein Beispiel hierfür ist der Ausleger eines Krans, der mit einem an der Mitte befestigten Pneumatikzylinder ausgefahren wird.

Abbildung 7-4: Dieser L-förmige 3x5-Balken funktioniert wie ein Brecheisen.

Abbildung 7-5: Hebel der Klasse 1 mit Drehpunkt in der Mitte und Kraft (grün) und Last (rot) an den Enden

Abbildung 7-6: Einseitiger Hebel der Klasse 2 mit Last (rot) in der Mitte und Drehpunkt sowie Kraft (grün) an den Enden

Abbildung 7-7: Eine Schubkarre ist ein Beispiel für einen Hebel der Klasse 2, wobei das Rad als Drehpunkt dient. Die Last sitzt in der Mitte der Schubkarre, die Kraft wird am Ende aufgewendet. Solange du die Kraft nicht genau dort anwendest, wo sich die Last befindet, bietet eine Schubkarre eine Kraftverstärkung größer als 1.

Abbildung 7-8: Einseitiger Hebel der Klasse 3 mit Kraft (grün) in der Mitte und Drehpunkt sowie Last (rot) an den Enden

Abbildung 7-9: Der Ausleger eines Krans ist ein Beispiel für einen Hebel der Klasse 3, bei dem sich Last und Drehpunkt an den Enden befinden und die Kraft in der Mitte ausgeübt wird (hier durch einen Pneumatikzylinder). Hebel dieser Art weisen eine Kraftverstärkung kleiner als 1 auf. Es ist also sehr viel Kraft gefordert, doch dafür kann die Last über eine große Strecke bewegt werden. Das ist die bevorzugte Lösung beim Einsatz von pneumatischen Elementen, die eine große Kraft ausüben können, aber nur eine beschränkte Reichweite haben.

Vom Hebel zum Koppelgetriebe

Wenn du die beiden Enden zweier übereinander angeordneter, identischer Hebel miteinander verbindest, geschieht etwas Bemerkenswertes: Beim Bewegen des Hebels behalten die Elemente, die die Enden verbinden, ihre Orientierung bei. Das geschieht unabhängig von der Länge der Hebel über ihren Bewegungsbereich hinweg. Ein solches System paralleler Hebel wird als Viergelenkgetriebe bezeichnet und lässt sich vorteilhaft nutzen.

Wie Abbildung 7-10 zeigt, können wir den Kranausleger aus Abbildung 7-9 erweitern, indem wir einen parallelen Hebel hinzufügen. Das bietet zwei Vorteile: Erstens können wir beide Hebel bewegen, indem wir auf einen davon Kraft ausüben, da die Verbindungselemente die Bewegung des einen Hebels auf den anderen übertragen. Noch wichtiger aber ist die Tatsache, dass sich das Element am Lastende der beiden Hebel mitbewegt, ohne seine Ausrichtung zu ändern. Der Winkel, den die Last einnimmt, bleibt also beim Auf-und Abbewegen der Hebel erhalten. Das ist sehr praktisch, um zu verhindern, dass die Last umkippt.

Bei vielen Arten von Maschinen, z.B. Frontladern und Teleskop-Gabelstaplern, werden parallele Hebel zur Bewegung von Lasten eingesetzt. Ein hervorragendes Beispiel für einen Frontlader bietet der LEGO-Bausatz 8265, den du in Abbildung 7-11 siehst. Seine Schaufel ist an Hubarmen in Form paralleler Hebel befestigt. Die Linearaktoren an den beiden Seiten fungieren dabei als unterer Hebel. Um die Schaufelhöhe zu verstellen, werden diese Aktoren ein-oder ausgefahren. Durch das Ein-und Ausfahren der Aktoren weicht ihre Länge natürlich von der des oberen Hebels ab. Um die Schaufel trotzdem gerade zu halten, ist sie über ein zusätzliches Gestänge mit den Aktoren verbunden. Diese Zusatzverbindung macht es auch möglich, die Schaufel mit einem anderen Linearaktor abzukippen. Die Ausrichtung der Schaufel hängt ganz von der Länge und Position der Hebel ab.

Um die Ausrichtung beizubehalten, müssen die beiden Hebel dieselbe Länge haben und an den Enden im gleichen Abstand verbunden sein, wie Abbildung 7-12 zeigt.

Auf diese Weise verbundene Hebel können keine ganze Drehung vollführen, da sie sich gegenseitig behindern und irgendwann gegeneinanderstoßen. Ihre Rotation ist daher eingeschränkt. Den Bewegungsbereich kannst du einstellen, indem du die Hebel nicht genau übereinander anordnest, sondern wie in Abbildung 7-13 um eine kleine Strecke versetzt. Die Elemente, die die Hebelenden verbinden, müssen nicht identisch sein und auch nicht im selben Winkel stehen. Es kommt nur auf den Winkel und die Entfernung der Verbindungspunkte an (siehe Abbildung 7-14).

Abbildung 7-10: Dieser Kranausleger besteht aus parallelen Hebeln, die dafür sorgen, dass das Element am Ende seine Stellung beibehält, wenn die Hebel auf-und abbewegt werden.

Abbildung 7-11: Der LEGO-Bausatz 8265 weist einen aufwendigen Frontlader auf, dessen Arme (die die Schaufel anheben) parallele Hebel bilden.

Abbildung 7-12: Bei parallelen Hebeln behalten die Elemente am Ende nur dann ihre Stellung bei, wenn die Hebel gleich lang und überall gleich weit voneinander entfernt sind.

Abbildung 7-13: Diese parallelen Hebel sind versetzt angeordnet, um ihren Bewegungsbereich zu vergrößern. Wenn wir den oberen Hebel nach hinten verlagern (in diesem Bild nach links), erhöhen wir die Reichweite nach oben, wobei jedoch die Reichweite nach unten sinkt.

Es gibt noch weitere mögliche Varianten von Parallelhebeln. Beispielsweise können die Elemente, die die Hebel am Angelpunkt verbinden, gedreht werden, woraufhin sich das Element am anderen Ende um denselben Winkel dreht (siehe Abbildung 7-15). Dies ist eine Möglichkeit, um die Schaufel eines Frontladers zu kippen.

Abbildung 7-14: Wichtig für das Funktionieren von parallelen Hebeln sind die Positionen ihrer Verbindungspunkte. Auch mit unterschiedlichen Elementen, die in unterschiedlichen Winkeln angeschlossen sind, lassen sich die beiden Enden in identischer Stellung verbinden.

Abbildung 7-15: Bei dieser Auslegervariante wird ein Aktor zum Absenken und Heben der Parallelhebel (grüner Pfeil) verwendet und ein anderer zum Drehen des Elements, das die beiden Hebel am Angelpunkt verbindet (roter Pfeil). Dadurch wird das Element am anderen Ende ebenfalls in Drehung versetzt.

Wie Abbildung 7-16 zeigt, gibt es einen bemerkenswerten Effekt, wenn die Hebel nicht genau parallel stehen. Werden die Hebel gedreht, so dreht sich auch das Verbindungselement am Ende ein wenig. Dadurch wird der Bewegungsbereich der Hebel eingeschränkt, was aber manchmal wünschenswert ist. Das ist beispielsweise der Fall, wenn die Elemente der Hebel in der untersten und obersten Stellung unterschiedlich ausgerichtet sein sollen.

Ein Beispiel dafür ist der Kranwagen-Bausatz 8460, bei dem eine solche Konstruktion für die Stützfüße verwendet wird. Durch diese Einrichtung stehen die Stützen im abgesenkten Zustand nahezu horizontal und im angehobenen Zustand fast senkrecht.

Auch die Tatsache, dass sich parallele Hebel relativ zu ihren Verbindungselementen drehen, kannst du ausnutzen. Wenn du Zahnräder auf Achsen verwendest, die sich zusammen mit den Hebeln drehen, kannst du die Rotation durch diese Elemente übertragen (z.B. zu einem daran angeschlossenen zweiten Paar von Parallelhebeln).

Abbildung 7-17 zeigt zwei Paare von parallelen Hebeln, die auf diese Weise verbunden sind, nämlich über Zahnräder, die die Drehung des einen Paares (links) auf das andere (rechts) übertragen. Alle Hebel sind identisch, und die Zahnräder haben ein Übersetzungsverhältnis von 1:1. Als Ergebnis wird das Element am Ende der Reihe horizontal verschoben. Technisch gibt es keine Grenze für die Anzahl der Hebelpaare, die hintereinander geschaltet werden können. Die einzigen Einschränkungen kommen durch die Reibung und durch Akkumulation des Zahnspiels zustande.

Koppelgetriebe

Koppelgetriebe sind Kombinationen aus starren Gestängen, die so über Gelenke verbunden sind, dass der Bewegungsbereich eingeschränkt ist. Hauptsächlich werden sie verwendet, um eine

Abbildung 7-16: Für die Stützfüße eines der LEGO-Mobilkräne werden Hebel verwendet, die nicht genau parallel stehen. Der gelbe Teil ist das Chassis, die Hebel sind rot dargestellt und der Stützfuß grau.

Abbildung 7-17: Hier sind zwei Paare von parallelen Hebeln durch Zahnräder verbunden, die auf einem dazwischenliegenden Element montiert sind. Die Zahnräder sorgen dafür, dass sich die Hebelpaare in entgegengesetzte Richtungen drehen, sodass sich die Teile an den beiden Enden horizontal bewegen.

Abbildung 7-18: Das Watt-Getriebe besteht aus zwei langen Gestängen und einem kürzeren Mittelbalken. Beim Schwenken eines der Seitenbalken wird das Mittelstück so bewegt, dass sein Mittelpunkt (durch den roten Stift gekennzeichnet) einer geraden Linie folgt.

Dreh-und Schwenkbewegung in eine geradlinige Bewegung umzuwandeln, was vor allem für Teile von Maschinen wichtig ist. Solche Getriebe können unter Anwendung der Hebelgesetze auch eine mechanische Kraftverstärkung bieten. Ein Hebel ist im Grunde genommen das einfachste mögliche Koppelgetriebe.

HINWEIS In allen Abbildungen von Koppelgetrieben in diesem Kapitel sind Balken gleicher Länge immer in derselben Farbe dargestellt. Dunkelgrau wird für die Tragstrukturen verwendet, an denen das Getriebe befestigt ist, die sich aber selbst nicht bewegen. Rote Stifte kennzeichnen die Stellen des Getriebes, an denen die gewünschte Bewegung erfolgt.

Der Hauptvorteil von Koppelgetrieben besteht darin, dass ihr Bewegungsbereich eingeschränkt ist, ohne dass zusätzliche Führungselemente nötig sind, wie Abbildung 7-18 zeigt. Dadurch sind sie für viele verschiedene Zwecke geeignet. In der Technik werden Koppelgetriebe verwendet, um die Bewegung der Bestandteile von Aufhängungen zu steuern. Meistens folgt nur ein Punkt des Getriebes dem gewünschten Bewegungspfad. Um diese Bewegung auf andere Elemente zu übertragen, können wir Stifte an diesem Punkt befestigen. Durch Änderung der Längen und Stellungen von lediglich drei oder vier Balken ergeben sich fast unendlich viele Bewegungsmöglichkeiten!

Tschebyscheff-Getriebe

Das Tschebyscheff-Getriebe besteht aus drei Balken, wobei es durch die Schwenkbewegung der beiden unteren angetrieben wird. Durch diese Schwenkung wird der mittlere Balken (gelb) so bewegt, dass sein Mittelpunkt (gekennzeichnet durch den roten Stift) einer geraden Linie folgt. Die Grenze der Bewegung ist an der Stelle erreicht, an der der Mittelbalken senkrecht steht. Der Mittelbalken muss der kürzeste der drei sein, damit er nicht gegen die Tragstruktur (dunkelgrau) stößt.

Hoeken-Getriebe

Das Hoeken-Getriebe besteht aus drei Balken und wird durch die Drehbewegung des kürzesten (gelb) angetrieben. Die folgenden drei Abmessungen sind von entscheidender Bedeutung für das Funktionieren des Getriebes: Länge der kürzesten Balkens (gelb), Länge des mittleren Balkens (hellgrau) und Abstand zwischen den Befestigungspunkten an der Tragstruktur. Das Verhältnis zwischen diesen Strecken muss 2:5:4 betragen. Der längste Balken (blau) kann über den oberen Verbindungspunkt hinaus beliebig verlängert werden. Die Spitze dieses Balkens bei Bewegung des kurzen Balkens folgt der Form eines abgeflachten, halbierten Ovals (gestrichelte Linie in der Abbildung), wobei die Größe des Ovals von der Länge des erweiterten Balkens abhängt. Nicht ganz die Hälfte der resultierenden Bewegung dieses Getriebes erfolgt in gerader Linie. Ein ungewöhnliches Bewegungsmuster wie dieses kann z.B. für die Beine von Laufmechanismen verwendet werden.

Storchenschnabel

Ein Storchenschnabel oder Pantograph ist ein Koppelgetriebe mit vier Balken und zwei Bewegungspunkten, wobei die Art der Bewegung besonders interessant ist: Der grün markierte Punkt fährt jede Bewegung des rot markierten Punkts nach, aber in größerem Maßstab. Die Vergrößerungsstufe hängt von der Länge des längsten Balkens (hellblau) und davon ab, ob noch andere Gestänge daran befestigt sind. (Beachte, dass der längste Balken wie ein Hebel fungiert.) Die am weitesten verbreitete Anwendung besteht darin, Vergrößerungen oder Verkleinerungen von Bildern zu zeichnen, indem man an beiden Punkten Stifte anbringt und mit einem davon manuell zeichnet. Das funktioniert auch mit Handschrift. Thomas Jefferson hat mit dieser Methode Kopien seiner Korrespondenz angelegt. Heutzutage lassen sich maßstäbliche Kopien auf einfache Weise mit dem Computer erzeugen. Pantographen werden jedoch immer noch verwendet, wenn eine genaue manuelle Steuerung von Werkzeugen erforderlich ist, z.B. beim Gravieren oder Nähen.

Peaucellier-Inversor

Der Peaucellier-Inversor (manchmal auch Peaucellier-Lipkin-Getriebe genannt) besteht aus sieben Balken und wird durch die Schwenkbewegung des mittleren Elements (gelb) angetrieben. Der Abstand zwischen den beiden Befestigungspunkten an der Tragstruktur muss die gleiche Länge aufweisen wie der Mittelbalken. Das Funktionsprinzip besteht in der Umkehrung eines Kreises (wobei der Mittelbalken einen Teil des Kreises nachfährt). Dies war das erste Koppelgetriebe, mit dem eine absolut lineare Bewegung hervorgerufen werden konnte. Die Erfindung war entscheidend für die industrielle Entwicklung des 19. Jahrhunderts und vor allem für ihren Einsatz in Dampfmaschinen.

Sarrus-Getriebe

Das Sarrus-Getriebe besteht aus vier Balken in zwei identischen Gruppen, die rechtwinklig zueinander angeordnet sind. Alle Balken sind dabei gleich lang. Angetrieben wird der Mechanismus durch die Schwenkbewegung der beiden oberen oder unteren Balken. Der Vorteil des Sarrus-Getriebes besteht darin, dass damit eine an den oberen Balken befestigte Struktur angehoben werden kann. Wie Abbildung 7-19 zeigt, ist der Bewegungsbereich dabei sehr eindrucksvoll. Beachte, dass sich die rechtwinklig angeordneten Balken in unterschiedliche Richtungen bewegen und daher gegenseitig belasten. Aus diesem Grund müssen sie sehr starr und nach Möglichkeit mehrere Noppen breit sein, damit der Mechanismus gut funktioniert.

Abbildung 7-19: Ein Sarrus-Getriebe im ganz eingefahrenen und ganz ausgefahrenen Zustand

Allerdings weist das Sarrus-Getriebe den Nachteil auf, dass immer zwei Balken aus unterschiedlichen Gruppen gleichzeitig bewegt, also mechanisch synchronisiert werden müssen. Abbildung 7-20 zeigt eine der einfachsten Möglichkeiten zur Synchronisierung. Das Sarrus-Getriebe funktioniert auch mit drei oder vier Gruppen. Für eine stabile Bewegung der oberen Struktur sind jedoch nur zwei sauber synchronisierte Gruppen erforderlich.

Abbildung 7-20: Bei diesem Sarrus-Getriebe werden ineinandergreifende Kegelräder zur Synchronisierung der beiden Gruppen verwendet.

Scott-Russell-Getriebe

Das Scott-Russell-Getriebe besteht aus zwei Balken und wird durch die Schwenkbewegung des kürzeren (gelb) angetrieben. Das eine Ende des längeren Balkens (blau) ist so in die Tragstruktur eingefasst, dass es entlang einer geraden Linie gleiten kann. Dadurch bewegt sich auch das andere Ende in gerader Linie. Beide Enden bewegen sich, als wären sie in eine Führungsschiene eingespannt, was jedoch nur bei dem einen tatsächlich der Fall ist. Die Abstände zwischen allen Verbindungen des Getriebes (in der Abbildung durch Stifte gekennzeichnet) müssen identisch sein. In diesem Beispiel betragen sie jeweils drei Noppenlängen.

Nürnberger Schere

Bei den Nürnberger Scheren werden der Scott-Russell- und der Sarrus-Mechanismus zu einem kompakten Getriebe mit einer eindrucksvollen Hubhöhe kombiniert. Die Schere besteht aus einer beliebigen geradzahligen Menge gleich langer Balken (z.B. zwei, vier, sechs usw.). Angetrieben wird sie durch die Schwenkbewegung eines der Glieder oder durch das Verschieben eines der unteren Enden in einer Führung auf der Tragstruktur. Auch das Ende eines der beiden obersten Balken bewegt sich innerhalb der oberen Struktur. Seine Bewegung kann aber einfach dadurch eingeschränkt werden, dass das Gewicht der oberen Struktur auf ihm lastet. In der Abbildung ist dieses Ende mit einem Achsstift und einer daran angeschlossenen Lagerbuchse ausgestattet, um die obere Struktur beim Hin-und Hergleiten zu stützen.

Abbildung 7-21: Eine Nürnberger Schere mit zehn Balken im ganz ausgefahrenen und ganz eingefahrenen Zustand

Die beiden Hauptvorteile der Nürnberger Schere sind der Bewegungsbereich (siehe Abbildung 7-21) und die Stabilität. Zusammen mit der kompakten Bauweise hat sie dieses Getriebe zu einer beliebten mechanischen Lösung gemacht. Beispielsweise wird es für die Fensterheber in Autotüren verwendet, in Hebebühnen und sogar in Computertastaturen, wo es zur Stabilisierung der Tasten dient. Abgesehen davon, dass jedes Gelenk die Gesamtreibung erhöht, ist die Anzahl der Balkenpaare in einer Nürnberger Schere unbegrenzt. Es gibt auch keine besonderen Anforderungen an die Länge oder Entfernung. Es müssen nur alle Balken gleich groß sein.

Watt-Getriebe

Das Watt-Getriebe (das du weiter vorn in Abbildung 7-18 gesehen hast) besteht aus drei Balken, nämlich einem kurzen mittleren (hellblau) und zwei längeren seitlichen (blau). Angetrieben wird dieser Mechanismus durch die Schwenkbewegung eines der Seitenbalken. Wenn er sich dreht, wird der Mittelbalken so bewegt, dass der Mittelpunkt der gestrichelten Linie folgt. Im größten Teil des Bewegungsbereichs ergibt sich also eine geradlinige Bewegung. An den Enden knickt die Linie nach links und rechts ab, allerdings kannst du die Bewegung des Balkens so einschränken, dass er nur den geraden Teil durchläuft.

Das Watt-Getriebe wird manchmal in Aufhängungen verwendet, damit sich die Bestandteile auf-und abbewegen und nicht seitwärts. Meistens sind die Seitenbalken zwei-oder sogar dreimal so lang wie der mittlere.

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Eigene mechanische Lösungen

LEGO produziert zwar eine unglaublich breite Palette an Technic-Sonderteilen, doch erfüllen diese nicht immer unsere Bedürfnisse. Manchmal müssen wir Elemente kombinieren, um damit mechanische Lösungen aus der realen Technik nachzubilden. In diesem Kapitel geht es daher um Mechanismen, mit denen du die Funktionsfähigkeit deiner Konstruktionen über die Möglichkeiten der vorgefertigten LEGO-Teile hinaus erweitern kannst. Du erfährst hier, wie du Mechanismen baust, um eine Form von Bewegung in eine andere umzuwandeln, wie du aus den einfachen LEGO-Lampen anspruchsvolle Signalsysteme baust usw.

Diese Maschinerien zu bauen, macht an sich schon Spaß, da du damit ingenieurwissenschaftliche Konstruktionsprinzipien entdecken kannst. Sie erweisen sich aber auch beim Einsatz in größeren Modellen als äußerst nützlich.

Ein robusteres Differenzial

Differenziale gehören zu den unverzichtbaren Bestandteilen der Antriebsachsen von Radfahrzeugen und sind auch in großen und schweren LEGO-Fahrzeugen sehr wichtig. Die vorgefertigten LEGO-Differenziale bestehen aus einem Gehäuse mit einem Zahnkranz, Einsteckmöglichkeiten für zwei Achsen und drei Kegelrädern im Inneren, wie Abbildung 8-1 zeigt. Diesen Mechanismus können wir in robusterer und besserer Form nachbauen.

HINWEIS Es gibt drei Varianten der vorgefertigten LEGO-Differenziale, die alle in Kapitel 5 besprochen wurden.

Zwischen den Rädern von Autos befindet sich ein Differenzial. Sein Gehäuse ist angetrieben, und diesen Antrieb überträgt es über seine beiden ausgehenden Achsen auf die Räder. Die Übertragung erfolgt vom Gehäuse über das mittlere Kegelrad, das mit den Kegelrädern an den beiden Achsen verzahnt ist. Das mittlere Kegelrad kann den Antrieb zwischen den beiden ausgehenden Achsen aufteilen, also die eine Achse schneller antreiben als die andere. Dadurch kann das Fahrzeug Kurven gleichmäßig durchfahren. Wie du in Abbildung 8-2 siehst, durchlaufen die Räder eines Fahrzeugs in einer Kurve unterschiedliche Bögen. Das innere und das äußere Rad legen also eine unterschiedliche Entfernung zurück. Ein Differenzial kann diesen Unterschied ausgleichen, indem es das äußere Rad schneller antreibt als das innere.

Abbildung 8-1: Ein vorgefertigtes LEGO-Differenzial mit Gehäuse (dunkelgrau), drei inneren Zahnrädern (hellbraun) und zwei ausgehenden Achsen (hellgrau)

Die vorgefertigten LEGO-Differenziale reagieren sehr empfindlich auf Drehmomente und werden außerhalb großer, teurer Bausätze kaum verwendet. Wie Abbildung 8-3 zeigt, können wir aus einer großen Technic-Drehscheibe unser eigenes Differenzial bauen.

Dieses selbst konstruierte Differenzial ist viel größer und viel robuster als die vorgefertigten. Dank der Verwendung einer Drehscheibe kann der Mechanismus die Bewegung übertragen, ohne auf Kegelräder zurückgreifen zu müssen, und stattdessen die viel stärkeren Knebelräder einsetzen. Außerdem stellt die Drehscheibe auch einen robusten Befestigungspunkt dar und hält das Differenzial fest am Chassis.

Abbildung 8-2: Das Differenzial eines Fahrzeugs beim Kurvenfahren. Die rote Achse überträgt den Antrieb auf das Differenzialgehäuse, das ihn wiederum auf die Räder überträgt.

Abbildung 8-3: Ein selbst gebautes Differenzial aus einer Technic-Drehscheibe, die an einen noppenlosen Rahmen angeschlossen ist. Die Eingangsachse ist rot dargestellt, die ausgehenden Achsen grün. Die dunkelgrauen Balken gehören zum chassis.

Es ist zwar auch möglich, ein Fahrzeug ohne Differenzial zu bauen, aber dadurch ergeben sich mehrere Nachteile. Ohne Differenzial rutscht in Kurven mindestens ein Rad durch, was die Reibung und den Verschleiß der Reifen erhöht und die Manövrierfähigkeit des Fahrzeugs verschlechtert.

Eine angetriebene, nicht gelenkte Achse ohne Differenzial kann in Kurven auch ganz wegrutschen. Das kann sogar beabsichtigt sein, wenn du ein Fahrzeug bauen willst, dessen Heck in Kurven dramatisch herumschleudert. Tatsächlich werden kleine, leichte Fahrzeuge wie Go-Karts gewöhnlich ohne Differenzial hergestellt, da die Vorteile dieses Bauteils den komplizierteren Aufbau des Antriebsstrangs in diesem Fall nicht rechtfertigen.

Bei einer angetriebenen und gelenkten Achse (etwa die Vorderachse eines Autos mit Frontantrieb) ohne Differenzial kann das Kurvenfahren sehr viel schwieriger werden. Bei gelenkten Achsen ist der Unterschied zwischen der Geschwindigkeit der inneren und äußeren Räder in Kurven viel höher als bei nicht gelenkten Achsen, was zu einer erheblichen Reibung führt. Dadurch wird der Antriebsstrang stark belastet, was sogar zum Abwürgen des Motors führen kann. Außerdem wird der Wendekreis größer, da die Räder ihre Haftung verlieren, wenn sie gezwungen sind, sich gleich schnell zu drehen.

Differenzialsperren

Bei all ihren Vorteilen weisen Differenziale auch einen Nachteil auf, der sich vor allem bei Offroad-Fahrzeugen bemerkbar macht: Sie neigen dazu, mehr Kraft auf diejenige der ausgehenden Achsen zu übertragen, die weniger stark belastet ist. In Kurven ist das kein Problem, aber wenn eines der Räder durchdreht oder den Kontakt mit dem Boden verliert, kann ein Fahrzeug dadurch zum Stillstand kommen, weil das Differenzial die gesamte Kraft auf dieses Rad überträgt, sodass die anderen anhalten. In diesem Fall können wir mit einer Differenzialsperre dafür sorgen, dass beide Räder angetrieben werden, um den Schlupf zu überwinden.

Die Differenzialsperre verbindet die beiden ausgehenden Achsen und schaltet das Differenzial faktisch aus: Der Antrieb wird nur noch übertragen, aber nicht mehr aufgeteilt. Beachte aber, dass die Differenzialsperre eine Schlupfsituation nicht verhindert, sondern nur bei ihrem Auftreten eingreift und sie beseitigt, da die Sperre und das Getriebe schließlich nicht gleichzeitig arbeiten können. Daher bleibt die Differenzialsperre im normalen Betrieb ausgeschaltet, sodass das Differenzial wie vorgesehen funktionieren kann, und wird nur dann zugeschaltet, wenn eine Schlupfsituation das Fahrzeug zum Stillstand bringt. Echte Offroad-Fahrzeuge haben manuelle oder automatische Sperren, die beim Auftreten einer Schlupfbedingung zugeschaltet und nach ihrer Beseitigung wieder gelöst werden. LEGO-Differenziale können relativ einfach manuell gesperrt werden. Eine automatische Sperre ist zwar auch möglich, aber extrem kompliziert und eigentlich nicht praktikabel. Die Abbildungen 8-4 und 8-5 zeigen einfache manuelle Differenzialsperren für alle drei Arten von vorgefertigten LEGO-Differenzialen.

Ein selbst gebautes Differenzial

Bei den LEGO-Differenzialsperren werden Getriebeantriebsringe (6539) verwendet, die über einen Anschlag zur Getriebeumschaltung (6641) zugeschaltet und gelöst werden können. Der Anschlag lässt sich mit einem Motor oder einer Pneumatik fernsteuern. Letzteres ist die bequemere Lösung, wenn das Fahrzeug über mehrere Sperren verfügt, die sich zusammen mit der Aufhängung bewegen. Es ist übrigens nicht erforderlich, jedes Differenzial eines Fahrzeugs mit einer Sperre auszustatten. Ein einziges reicht gewöhnlich, um eine Schlupfsituation zu überwinden.

Abbildung 8-6 zeigt eine kompakte, robuste Konstruktion für eine nicht gelenkte Achse, deren Grundlage ein noppenloser Rahmen der Größe 5x7 ist. Hierbei kann das Differenzial mit einer Übersetzung von 3:1 von vorn oder von hinten angetrieben werden. Damit lässt sich der Antrieb über diese Achse auf die nächste übertragen. Außerdem kann das Differenzial auf einfache Weise gesperrt und entsperrt werden. Dazu dient ein Hebel, der sich über einen Motor oder – wie in diesem Beispiel – durch einen kleinen Pneumatikzylinder betätigen lässt.

Wie du siehst, wird die Breite des Chassis durch Differenzialsperren erheblich erweitert. Aus diesem Grunde werden sie in aufwendige LEGO-Aufhängungen (siehe Kapitel 15), die schon selbst ziemlich breit sind, nur ungern eingebaut. Da Sperren nicht auf allen Achsen erforderlich sind, sollten sie am besten auf nicht gelenkten Achsen montiert werden, da sie dort besser passen als auf den gelenkten.

Abbildung 8-4: Sperren für die ältesten (oben) und neuesten (unten) LEGO-Differenziale können aus vier zusätzlichen Zahnrädern und einem Getriebe-Antriebsring zusammengebaut werden. Durch diese Anordnung werden die beiden ausgehenden Achsen verbunden, wobei das Differenzial ausgeschaltet wird. Bei der neuesten Variante ist die Sperre eine Noppe kürzer als bei der ersten.

Abbildung 8-5: Bei der dritten Variante von LEGO-Differenzialen ist die Sache einfacher: Jede Seite des Gehäuses kann direkt durch einen Getriebe-Antriebsring zugeschaltet werden, wodurch eine der ausgehenden Wellen gesperrt und das Getriebe ausgeschaltet wird.

Abbildung 8-6: Hier siehst du eine nicht gelenkte Achse mit kompakt gebauter Differenzialsperre. Der Getriebe-Antriebsring wird nicht über einen Umschaltanschlag bewegt, sondern über einen normalen Verbinder, der kein Spiel hat und daher unter Last nicht so leicht bricht.

Achse mit Differenzialsperre

Ratschen

Manche Mechanismen sollen ihre Stellung nicht mehr ändern, nachdem sie angehalten wurden. Das ist beispielsweise bei Winden, Kränen oder Bahnschranken der Fall. Sind diese Mechanismen motorisiert, halten sie zwar an, wenn der Motor anhält, können sich aber zurückdrehen, wenn die Last auf dem Mechanismus so groß ist, dass sie den Widerstand des Motors überwindet. Bei schweren Lasten, wie sie etwa ein Kran trägt, ist eine solche Situation sehr wahrscheinlich.

Eine Möglichkeit, um einen Mechanismus komplett zu sperren, besteht in der Verwendung eines Schneckengetriebes (siehe Kapitel 5). Das allerdings verringert die Geschwindigkeit des Mechanismus erheblich, und außerdem fehlt die Möglichkeit zum Entsperren. Ratschenmechanismen bilden die bessere Alternative.

Eine LEGO-Ratsche besteht aus zwei Elementen, nämlich einem frei drehbaren Zahnrad und einer Klinke. Letzteres ist ein kleiner Hebel, der verhindert, dass sich das Zahnrad dreht (siehe Abbildung 8-7). Die Klinke ist so angebracht, dass sich das Zahnrad in einer Richtung drehen kann, aber sofort blockiert wird, wenn es versucht, sich andersherum zu drehen.

Abbildung 8-7: Die einfache Klinke (rot) sichert ein Zahnrad mit 24 Zähnen (grau). Das Zahnrad kann sich gegen den Uhrzeigersinn frei drehen, wie die grünen Pfeile anzeigen, aber sobald es versucht, im Uhrzeigersinn zu rotieren, blockiert die Klinke den nächsten Zahn. (Es ist jedoch immer noch möglich, die Sperre einfach von hand zu lösen.)

Abbildung 8-8: Die Klinke muss in einem solchen Winkel angebracht werden, dass die Verlängerung der Linie durch den Befestigungspunkt und das Ende knapp unterhalb des Zahnradrandes verläuft.

Damit die Klinke korrekt funktionieren kann, muss die Spitze an ihrem Ende die Zähne des Rades in einem bestimmten Winkel berühren. Wie du in Abbildung 8-8 siehst, muss die Verlängerung der Linie zwischen dem Befestigungspunkt und der Spitze der Klinke knapp unterhalb des Außenrands des Zahnrads verlaufen. Liegt sie zu niedrig, wird das Zahnrad in beiden Richtungen gesperrt, liegt sie zu hoch, tritt überhaupt keine Sperrung auf. In diesem Fall rattert die Klinke einfach über die Zähne, anstatt die Drehung anzuhalten.

Auch die Form der Klinke ist von Bedeutung. Zum Glück eignet sich für unsere Zwecke aber schon ein einfacher Stift. Außerdem muss die Klinke so ausbalanciert sein, dass die Spitze unter ihrem eigenen Gewicht auf das Zahnrad sinkt. Ratschen sind daher schwerkraftabhängig.

HINWEIS Um eine Ratsche schwerkraftunabhängig zu machen, kannst du ein elastisches Element, etwa ein Gummiband, anbringen, das die Klinke auf das Rad drückt.

Abbildung 8-9 zeigt eine mögliche Verwendungsweise für eine Ratsche – eine Einrichtung, um die potenzielle Energie von Federn zu speichern.

Abbildung 8-9: In meinem Modell eines Federkatapults von Leonardo da Vinci habe ich eine Ratsche als Auslösemechanismus verwendet. Sie hält das Katapult beim Spannen fest und feuert den Schuss ab, wenn sie entsperrt wird. Die Ratsche ist stark genug, um die Energie zweier gebogener Achsen zu speichern, die als Feder dienen.

Lineare Kupplung

Eine lineare Kupplung verhält sich wie das in Kapitel 5 beschriebene Zahnrad mit 24 Zähnen und Kupplung – es dreht unter Last durch. Wenn du es zwischen einem Motor und einem Mechanismus einbaust, kannst du dadurch verhindern, dass der Motor bei einer Blockierung des Mechanismus abgewürgt wird.

Der Unterschied zwischen einer linearen Kupplung und einem Kupplungszahnrad besteht darin, dass Letzteres mit einem Rad auf der anderen Achse verzahnt werden muss, wohingegen die lineare Kupplung zwei Achsen in einer Linie verbindet. Das spart eine Menge Platz, da die lineare Kupplung einfach anstelle jeder Achse von mindestens vier Noppen Länge eingebaut werden kann. Diese Kupplung passt auch zwischen zwei Kardangelenke, die mindestens zwei Noppen voneinander entfernt stehen. Da sie nicht gestützt werden muss, kann sie in beliebigen Winkeln funktionieren.

Die lineare Kupplung besteht aus zwei Achsstiften mit Reibung, die wie in Abbildung 8-10 in einem Stiftverbinder zusammengesteckt werden. Die Achsenden können dann mithilfe von Achsverbindern oder Kardangelenken an Achsen beliebiger Länge angeschlossen werden. Beachte, dass die Einzelteile dieser Kupplung bei anhaltender Benutzung schließlich verschleißen.

Abbildung 8-10: Zwei Achsstifte (blau), die in einen Stiftverbinder (rot) eingeführt werden, bilden das Kernstück einer linearen Kupplung (oben). Sie können dann zwischen zwei Achsverbinder (unten) oder zwei Kardangelenke (Mitte) gesteckt werden.

Exzentermechanismen

Ein Exzentermechanismus oder Kurbeltrieb dient dazu, eine Drehbewegung in eine Hin-und Herbewegung umzuwandeln und umgekehrt. Dies ist ein entscheidendes Bauteil fast aller Automotoren, das die lineare Bewegung der Kolben in die Drehung der Antriebwelle umwandelt.

Ein Exzentermechanismus besteht allgemein gesagt aus einer Scheibe und einem kurzen Balken, der die Scheibe mit einer Stößelstange verbindet. Wenn sich die Scheibe dreht, bewegt der Balken die Stößelstange in gerader Linie vor und zurück, wie Abbildung 8-11 zeigt. Wird die grüne Stößelstange geführt, kann sie sich ausschließlich geradlinig bewegen. In diesem Fall bilden die gelben Technic-Steine eine Führung.

Die Weglänge der Stößelstange hängt vom Durchmesser der Scheibe ab. Je größer der Durchmesser, umso weiter bewegt sich die Stange. Die Rotation können wir auch mithilfe eines kürzeren Balkens statt einer Scheibe hervorrufen, wie du in Abbildung 8-12 siehst. Dabei hängt die Weglänge der Stößelstange von der Länge des kürzeren Balkens ab.

Mit einem Exzentermechanismus kann eine Drehbewegung auch in eine Schwenkbewegung (also eine teilweise Drehbewegung) umgewandelt werden. Diese Art von Mechanismus siehst du in Abbildung 8-13. Anstelle einer Stößelstange wird dabei eine zweite Scheibe verwendet, die sich hin-und herdreht. Wie weit diese Teildrehungen reichen, hängt vom Verhältnis der Kreisumfänge ab. Den Grad der Bewegung können wir also durch die Verwendung unterschiedlich großer Scheiben festlegen. Damit ein solcher Mechanismus funktionieren kann, muss die zweite Scheibe einen größeren Durchmesser haben als die erste. Außerdem muss der Balken länger sein als der Durchmesser der ersten Scheibe.

Abbildung 8-11: Ein Exzentermechanismus mit Scheibe (hellgrau), Balken (rot) und Stößelstange (grün). Die Weglänge der Stößelstange beträgt 2 Noppen, was sich aus dem Durchmesser der Scheibe minus 1 Noppe ergibt.

Abbildung 8-12: Ein Exzentermechanismus mit einem kürzeren Balken statt einer Scheibe

Abbildung 8-13: Ein Exzentermechanismus mit zwei Scheiben, die über einen Balken verbunden sind. Die kleinere Scheibe rotiert vollständig, die größere dreht sich nur teilweise hin und her.

Wie du in Abbildung 8-14 siehst, können wir in dieser Art von Exzentermechanismus die Scheiben auch durch Balken ersetzen. Da der zweite Balken keine volle Umdrehung durchführt, nimmt der gesamte Mechanismus weniger Platz ein. Beachte, dass diese Art von Mechanismus nur in eine Richtung funktioniert. Es ist nicht möglich, den grauen Balken durch den grünen anzutreiben.

Abbildung 8-14: Ein Exzentermechanismus mit Balken statt Scheiben. Da der zweite Balken (grün) keine volle umdrehung durchführt, nimmt der gesamte Mechanismus weniger Platz ein.

Exzentermechanismen können auf verschiedene Weise eingesetzt werden. Beispielsweise sind sie in Scheibenwischern und Drehventilatoren enthalten.

Scotch-Yoke-Kurbeltrieb

Ein Scotch-Yoke-Kurbeltrieb (auch Kurbelschleife oder Kreuzschleifenkurbel genannt) ist eine einfache Alternative zu einem Exzentermechanismus. Er erledigt dieselbe Aufgabe, nämlich eine Drehbewegung in eine Hin-und Herbewegung umzuwandeln oder umgekehrt –, enthält aber weniger bewegliche Teile. Allerdings sind die Teile weniger gebräuchlich als diejenigen, die in einem Exzentermechanismus eingesetzt werden.

Ein Scotch-Yoke-Kurbeltrieb nimmt mehr Platz ein als ein Exzentermechanismus, bricht dafür aber unter Einwirkungen hoher Drehmomente nicht so leicht zusammen. Er besteht aus einem rechteckigen Rahmen, der in eine Achse eingeschaltet ist. Auf einer neben dem Rahmen montierten Scheibe befindet sich ein einzelner Stift, der in den schmalen Innenraum dieses Rahmens hineinragt (siehe Abbildung 8-15). Wenn sich die Scheibe dreht, kann sich dieser Stift innerhalb des Rahmens zwar frei nach oben und unten bewegen, seine Seitwärtsbewegung aber wird direkt auf den Rahmen und damit auf die Achse übertragen.

Abbildung 8-15: Arbeitszyklus desscotch-Yoke-Kurbeltriebs mit einem Rahmen (grün) und einerscheibe mit stift (gelb)

Bei jeder Umdrehung der Scheibe wird der Rahmen vorund zurückbewegt. Die Weglänge entspricht dabei dem vollen Scheibendurchmesser. Die Bewegung wird also mit einem höheren Wirkungsgrad umgewandelt als bei einem Exzentermechanismus. Um den Bewegungsbereich zu erweitern, müssen wir eine größere Scheibe verwenden und auch den Rahmen vergrößern. Die Höhe seines Innenraums muss mindestens dem Scheibendurchmesser entsprechen. Der Bewegungsbereich des Kurbeltriebs ist damit auch gleich der Mindesthöhe des Rahmeninneren.

Scotch-Yoke-Kurbeltrieb

Oldham-Kupplung

Eine Oldham-Kupplung überträgt den Antrieb zwischen zwei gegeneinander versetzten Achsen. Zwar kannst du auch mit Kardangelenken und sogar mit Zahnrädern eingehende und ausgehende Achsen verbinden, die nicht in einer Linie hintereinander liegen, doch sind diese Lösungen nicht für alle Bedürfnisse geeignet. Zwei Kardangelenke nehmen oft viel Platz in der Länge ein, während Zahnräder die Drehzahl oder das Drehmoment auf unerwünschte Weise ändern können. Eine Oldham-Kupplung dagegen weist ein Übersetzungsverhältnis von 1:1 auf und nimmt in der Länge nur wenig Platz ein. Allerdings ist sie komplizierter aufgebaut, hat einen größeren Durchmesser und ruft zusätzliche Reibung hervor. Um die Funktionsweise einer Oldham-Kupplung beobachten zu können, sieh dir www.youtube.com/watch?v=2M9cp_lJ4_I an.

Eine Oldham-Kupplung besteht aus zwei identischen Befestigungen – eine für die eingehende und eine für die ausgehende Achse – und einem gleitenden Element dazwischen. Eine echte Oldham-Kupplung bietet vor allem den Vorteil der Kürze. Oldham-Kupplungen aus LEGO-Elementen können wir mit einer Länge von drei Noppen bauen, was nur die Hälfte des Platzes ist, den zwei Kardangelenke erfordern.

Die in Abbildung 8-16 gezeigte Kupplung überträgt den Antrieb zwischen einer eingehenden und einer ausgehenden Achse, die horizontal und vertikal jeweils um eine Noppe versetzt sind (die Lage dieser Achsen kannst du in Abbildung 8-17 erkennen). Eine solche Kupplung kann auch mit längeren Achsen gebaut werden, um den möglichen Versatz der eingehenden und der ausgehenden Welle zu vergrößern. Die Kupplung bleibt dabei weiterhin 3 Noppen lang, der Durchmesser erhöht sich aber erheblich.

Abbildung 8-16: Eine Oldham-Kupplung besteht aus zwei identischen Befestigungen (blau und rot) und einem Element, das zwischen ihnen gleitet. Diese Oldham-Kupplung ist nur 3 Noppen lang.

Eine Oldham-Kupplung

Abbildung 8-17: Bei dieser Oldham-Kupplung können die eingehende und die ausgehende Achse maximal um eine Noppe in horizontaler und in vertikaler richtung versetzt sein. um einen größeren versatz zuzulassen, kann die Kupplung erweitert werden, wobei ihr durchmesser jedoch größer wird.

Schmidt-Kupplung

Wie die Oldham-Kupplung überträgt auch die Schmidt-Kupplung den Antrieb zwischen zwei gegeneinander versetzten Achsen und behält dabei ein Übersetzungsverhältnis von 1:1 bei. Auch dieser Mechanismus ist eine Alternative zur Verwendung von Zahnrädern oder Kardangelenken.

Eine Schmidt-Kupplung besteht aus drei Scheiben oder Dreikreuzen, die mit insgesamt sechs Balken untereinander verbunden sind. Die erste Scheibe ist an der eingehenden Achse befestigt, die dritte an der ausgehenden. Die mittlere braucht keine Unterstützung, sondern kann einfach in der Luft hängend betrieben werden. Das besondere Merkmal dieser Kupplung besteht darin, dass sich die eingehende und die ausgehende Achse relativ zueinander bewegen können, da die mittlere Scheibe diese Bewegung ausgleicht. Daher kann diese Kupplung Antrieb zwischen zwei Elementen übertragen, die sich in Längsrichtung bewegen, was mit herkömmlichen Zahnradgetrieben und Oldham-Kupplungen nicht möglich ist.

Um eine Schmidt-Kupplung aus LEGO-Steinen zu bauen, verwenden wir Teil 57585 als Mittelstück der Dreikreuze, wie Abbildung 8-18 zeigt. Beachte, dass du nur reibungsfreie Stifte verwenden solltest. Die Kupplung ist fünf Noppen lang, aber äußerst robust und kann größere Drehmomente aufnehmen als alle anderen Lösungen, einschließlich Kardangelenke. Sie ist außerdem faszinierend zu beobachten. Die Kupplung in Abbildung 8-19 kann um bis zu 5 Noppen bewegt werden. Dieser Wert lässt sich noch erhöhen, indem wir die Arme der Dreikreuze verlängern. Dabei müssen auch die Balken länger gemacht werden. Damit die Kupplung richtig funktioniert, dürfen die einzelnen Balken (gelb) jedoch nur wenig länger sein als der Radius der Scheiben bzw. die Arme der Dreikreuze.

Abbildung 8-18: Mit dem LEGO-Element 57585 (hellgrau) lassen sich dreikreuze verschiedener Größe erstellen.

Abbildung 8-19: Eine schmidt-Kupplung mit drei dreikreuzen (grün, rot und blau) und sechs Balken (gelb). Beachte, dass das mittlere dreikreuz (rot) keine unterstützung benötigt, sondern sich bei laufender Kupplung ruhig bewegen kann.

Schrittmotoren

Schrittmotoren drehen sich nicht kontinuierlich, wenn sie eingeschaltet werden, sondern immer nur um einen bestimmten Winkel. Ein solcher Motor kann beispielsweise immer nur eine Vierteldrehung vollziehen, wenn eine Taste gedrückt wird. Solche Motoren sind für aufwendige Automatisierungsverfahren vieler Arten sehr nützlich. Fertigungsstrecken stecken voller Schrittmotoren.

LEGO produziert keine Motoren dieser Art, doch können wir selbst eine mechanische Alternative dazu bauen. Mithilfe eines einfachen Mechanismus, den wir an einen normalen Motor anbauen, können wir ihn wie einen Schrittmotor funktionieren lassen und für verschiedene Aufgaben nutzen. Beispielsweise können wir damit ein Reihenschaltgetriebe fernsteuern.

Um einen Schrittmotor zu konstruieren, montieren wir an der ausgehenden Achse eines Motors ein Knebelrad und befestigen mit einem elastischen Element, z.B. einem Stoßdämpfer oder einem Gummiband, einen Balken daran. Dies kannst du in Abbildung 8-20 sehen.

Abbildung 8-20: Durch das Gummiband (grün) wird der Balken (rot) ständig auf den Vorsprung des Knebelrads (blau) gedrückt, was zu einem Verhalten wie bei einem Schrittmotor führt.

Da der Balken ständig fest auf das Knebelrad drückt, wird der Motor bei jeder Vierteldrehung (90°) gebremst. Der Motor braucht eine Weile, um den Druck zu überwinden und die nächste Vierteldrehung zu vollziehen. Dabei wird die kontinuierliche Drehbewegung in eine periodische umgewandelt. Wenn wir den Motor nur für die passende Dauer einschalten, können wir die Bewegung genau steuern und dafür sorgen, dass er nur die gewünschte Anzahl von Umdrehungen ausführt. Um die Anzahl der Umdrehungen nachzuverfolgen, können wir das Knebelrad beobachten oder einfach auf das Motorgeräusch achten, das sich deutlich von dem eines kontinuierlich laufenden Motors unterscheidet. Beachte, dass durch diesen Mechanismus ein gewisser Druck auf den Motor ausgeübt wird, sodass seine inneren Bauteile schneller verschleißen als üblich.

Malteserkreuzgetriebe

Das Malteserkreuzgetriebe (siehe Abbildung 8-21) wandelt jede volle Umdrehung der eingehenden Achse in eine Drehung der ausgehenden Achse um einen bestimmten Winkel um. Anders ausgedrückt, es macht aus einer kontinuierlichen Rotation eine periodische. Malteserkreuzgetriebe mögen merkwürdig aussehen, sind aber häufig anzutreffen, beispielsweise in mechanischen Uhren oder Filmprojektoren, wo der Filmstreifen bei jedem Bild für einen Bruchteil einer Sekunde angehalten wird.

Abbildung 8-21: Ein einfaches Malteserkreuzgetriebe mit Eingang (rot) und Ausgang (grün). Bei jeder vollständigen Rotation des Eingangs wird der Ausgang um eine Vierteldrehung (90°) weitergeschoben.

Da bei echten Malteserkreuzgetrieben komplizierte kreisförmige Elemente verwendet werden, um die gewünschte Bewegung zu erzielen, ist es sehr schwer, sie mit LEGO-Steinen nachzubauen. Die folgende Bauanleitung zeigt ein relativ einfaches und kleines Modell.

Beachte, dass sich die ausgehende Achse hier frei drehen kann, wenn sie nicht vom Eingangselement in Betrieb gesetzt wird, während sie bei echten Getrieben dieser Art gesperrt ist. Letzteres lässt sich in einem LEGO-Nachbau nur äußerst schwer erreichen und würde zu einem sehr großen und komplizierten Mechanismus führen. Dieses Verhalten des Malteserkreuzgetriebes kann jedoch auf einfache Weise simuliert werden, indem man die grüne Achse mit sehr viel Reibung versieht. Dadurch bleibt der Mechanismus stehen, wenn er nicht von der Eingangsachse in Betrieb gesetzt wird.

Malteserkreuzgetriebe

Rückfahrleuchten

Nehmen wir an, du willst bei einem Fahrzeug die Rückfahrscheinwerfer automatisch einschalten lassen, wenn es sich rückwärtsbewegt. Das können wir mithilfe eines einzigen Schalters erreichen, der an die Antriebswelle angeschlossen ist, wobei wir ihn jedoch so blockieren müssen, dass er nur noch in die Stellungen Ein und Aus gedrückt werden kann. Power-Functions-Schalter haben die drei möglichen Stellungen Ein/Aus/Ein, was wir auf Ein/Aus reduzieren können, indem wir eine der äußersten Positionen wie in Abbildung 8-22 unzugänglich machen.

Abbildung 8-22: Mit dieser einfachen Einrichtung wird der Power-Functions-schalter auf die stellungen Ein und Aus beschränkt. der stift verhindert, dass der orangefarbene schalter in die Ein-stellung ganz rechts gedrückt werden kann.

Dann müssen wir nur noch die Achse, die durch den Schalter läuft, mit der Antriebswelle verbinden. Dazu verwenden wir ein Zahnrad mit Kupplung, damit die Welle nach dem Umlegen des Schalters nicht angehalten wird (siehe Abbildung 8-23). Beachte hierbei das Übersetzungsverhältnis, denn eine Untersetzung würde den Schaltvorgang verlangsamen, was wir nicht wollen. Damit der Schalter schnell auf eine geänderte Drehrichtung der Antriebswelle reagieren kann, brauchen wir ein Übersetzungsverhältnis von 1:1 oder höher.

Abbildung 8-23: der eingeschränkte Power-Functions-schalter wird über ein zahnrad mit 24 zähnen und Kupplung (weiß) mit derAntriebswelle des Fahrzeugs (rot) verbunden.

Die Lampen, die mit diesem Schalter verbunden sind, werden eingeschaltet, wenn sich das Fahrzeug in die eine Richtung bewegt, und ausgeschaltet, wenn es in die andere Richtung fährt. Es ist möglich, dass wir beim ersten Versuch die Richtungen vertauschen, sodass die Rückfahrleuchten bei der Vorfahrtsfahrt eingeschaltet werden. Ändere in diesem Fall einfach die Drehrichtung der Achse, die durch den Schalter verläuft, indem du den Schalter auf die gegenüberliegende Seite der Antriebswelle verlegst oder indem du ein weiteres Zahnrad zwischen der Achse und der Antriebswelle einbaust. Durch diesen Mechanismus wird dem Antriebssystem während der Fahrt jedoch die Reibung der Kupplung auferlegt. Das führt zu einem Verlust an Leistung im Antriebsstrang, der mit wachsendem Übersetzungsverhältnis zwischen Antriebswelle und Schalterzahnrad immer stärker wird.

Blinklichter

Um LEGO-Lichter blinken zu lassen, haben wir zwei Möglichkeiten: Wir können entweder die alten 9-V-Steine mit Lampen nutzen (siehe Abbildung 8-24), die über eine Blinkfunktion verfügen, oder die LEGO-LEDs aus dem Power-Functions-System verwenden und um einen selbst gebauten Mechanismus ergänzen.

Abbildung 8-24: Vier Arten von 9-V-Steinen mit Lichtern

Die 9-V-Steine sind so eingerichtet, dass sie je nach Polung Dauerlicht geben oder blinken. Um zwischen den beiden Betriebsarten hin und her zu wechseln, musst du den Schalter des Drahtes von der Stromquelle (oder, was einfacher ist, den Stein) um 180° drehen, wie du in Abbildung 8-25 siehst.

Im Vergleich mit LEGO-LEDs weisen Steine mit Beleuchtung jedoch eine Reihe von Nachteilen auf. Vor allem werden sie schon lange nicht mehr hergestellt, sodass es schwierig und teuer ist, heute noch gut funktionierende Steine dieser Art zu bekommen. Zweitens enthalten sie winzige Glühbirnen, weshalb sie viel Strom verbrauchen, schnell ausfallen und ein starkes, gelbliches Licht in alle Richtungen aussenden (siehe Abbildung 8-26). LEGO-LEDs sind frei von all diesen negativen Eigenschaften und lassen sich auch auf engerem Raum einbauen. Ihr einziger Nachteil besteht darin, dass sie keine eingebaute Blinkfunktion mitbringen, die wir jedoch mechanisch hinzufügen können.

Abbildung 8-25: Ein 9-V-Stein der Größe 1x4 mit Lichtern, angeschlossen an einen 9-V-Batteriekasten. Um zwischen den Betriebsarten der Lampen hin und her zu wechseln, muss der Stein um 180° gegenüber dem Schalter gedreht werden.

Abbildung 8-26: Ein 9-V-Stein der Größe 1x4 mit Lichtern (links) und ein Paar Power-Functions-LEDs (rechts). Beachte den Unterschied zwischen der Farbe der Lampen und der Richtung, in die sie das Licht ausstrahlen.

Um LEGO-LEDs blinken zu lassen, brauchen wir einen Schalter und einen Motor. Am einfachsten geht es mit einem alten 9-V-Schalter, aber wir können auch genauso gut einen Power-Functions-Schalter verwenden, den wir über einen Exzentermechanismus anschließen. In den Abbildungen 8-27 und 8-28 siehst du beide Möglichkeiten.

Mit dem alten 9-V-Schalter lässt sich die Blinkfunktion einfach einrichten. Der Schalter kann direkt an einen Motor angeschlossen werden, der ihn durch seine Drehbewegung ständig ein-und ausschaltet, sodass die angeschlossenen Lichter blinken. Die Blinkfrequenz kann durch ein Zahnrad zwischen Motor und Schalter oder durch eine Änderung der Motordrehzahl geregelt werden. Um einen alten 9-V-Schalter mit LEDs und Stromquellen aus dem Power-Functions-System zu kombinieren, sind Verlängerungs-und Adapterkabel erforderlich. Bei Verwendung einer alten 9-V-Stromversorgung werden keine Adapter gebraucht. Der Power-Functions-Schalter muss über einen Exzentermechanismus an den Motor angeschlossen werden, damit die damit verbundenen Lichter blinken. Dieser Mechanismus sorgt dafür, dass der Schalter seine drei Stellungen (Ein/Aus/Ein) hin und zurück durchläuft.

Abbildung 8-27: der alte 9-V-Schalter

Abbildung 8-28: der Power-Functions-schalter

Wendesignale

Da wir jetzt wissen, wie wir LEGO-Lichter zum Blinken bringen, können wir dieses Wissen nun in die Tat umsetzen und damit einen Fahrtrichtungsanzeiger bauen.

Dazu müssen wir unseren Blinkmechanismus um zwei weitere Schalter ergänzen. Das resultierende Gerät wird durch einen einzelnen Motor gesteuert, an den zwei Gruppen von LEDs angeschlossen sind. Je nach Drehrichtung des Motors blinkt dabei entweder die eine Gruppe oder die andere.

Da wir uns die Blinkfunktion schon im vorherigen Absatz angesehen haben, konzentrieren wir uns hier auf die beiden zusätzlichen Schalter. Wir müssen sie koppeln, damit beim Einschalten des einen der andere ausgeschaltet wird. Dies können wir mit zwei Zahnrädern erreichen. Am besten geht das mit Zahnrädern mit 16 Zähnen (wie links in Abbildung 8-29), da es sich dabei um die kleinsten Zahnräder handelt, die noch genau genug sind. Es ist jedoch auch möglich, zwei halbe Buchsen mit Zähnen zu verwenden (wie rechts in Abbildung 8-29). Wichtig dabei ist, die beiden Achsen um einen kleinen Winkel gegeneinander zu versetzen, damit die beiden Schalter nicht gleichzeitig ein-oder ausgeschaltet werden.

Abbildung 8-29: Feste Verbindung zwischen zwei Power-Functions-Schaltern über Zahnräder (links) und gezahnte Halbbuchsen (rechts). die Achsen der beiden auf diese Weise gekoppelten schalter sind um einen gewissen Winkel versetzt, sodass sie nicht gleichzeitig ein-und ausgeschaltet werden.

Als Nächstes müssen wir einen der beiden gekoppelten Schalter so auf die beiden Stellungen Ein/Aus (statt Ein/Aus/Ein) beschränken wie die Rücklichter, die wir weiter vorn behandelt haben (siehe Abbildung 8-30). Aufgrund der Kopplung wird dadurch der Bewegungsbereich beider Schalter eingeschränkt.

Nun verbinden wir die Achse eines der Schalter mit dem Eingang des Blinklichtmechanismus. Damit sich die Eingangsachse nach dem Schaltvorgang weiterdrehen kann, müssen wir dazu ein Zahnrad mit Kupplung verwenden (siehe Abbildung 8-31 und 8-32).

Jetzt bleibt nur noch eines zu tun, nämlich für die elektrischen Verbindungen aller Elemente zu sorgen. Den Schaltplan für die Variante mit 9-V-Schalter siehst du in Abbildung 8-33.

Abbildung 8-30: Zwei gekoppelte Schalter, von denen der eine auf zwei Stellungen beschränkt ist. Aufgrund der Kopplung wirkt sich die Beschränkung auf beide Schalter aus.

Abbildung 8-31: Zwei gekoppelte Schalter an einem motorisierten Blinkmechanismus mit einem alten 9-V-Schalter. Beachte die Untersetzung zwischen Motor und Schalter. Sie dient dazu, die Blinkrate auf einen realistischen Wert zu senken.

Abbildung 8-32: Bei einer ausgefeilteren Variante werden ein Power-Functions-Schalter und ein Exzentermechanismus eingesetzt, um die Lichter blinken zu lassen. Das Getriebe ist identisch mit dem aus der vorherigen abbildung.

Abbildung 8-33: Schaltplan für die einfachere Variante des Mechanismus. Bei einem ferngesteuerten Motor musst du den Hauptschalter an denselben IR-Empfänger anschließen wie den Motor.

Der Mechanismus mit Power-Functions-Schalter folgt demselben Muster. Der Hauptschalter (der im Blinkmechanismus) ist an dieselbe Stromquelle bzw. dasselbe Steuermodul angeschlossen wie der Motor. Die beiden Folgeschalter (die gekoppelten) sind an den Hauptschalter angeschlossen und mit den Lichtern verbunden. Der Hauptschalter sorgt also für den Blinkeffekt, während die Folgeschalter steuern, welche Gruppe von Lampen jeweils blinkt. Um zwischen den beiden Gruppen umzuschalten, musst du die Drehrichtung des Motors ändern.

Mit dieser Methode können wir eine unbegrenzte Zahn von Blinklichtern steuern. Vor allem aber kann der Motor, der diesen Mechanismus regelt, auch zur Lenkung des Fahrzeugs verwendet werden, sodass die Blinklichter automatisch richtig aufleuchten, wenn du das Modell lenkst!

Anspruchsvolle Fahrtrichtungsanzeiger

Doppelachsen-Drehscheibengetriebe

Bei einer Achse lässt sich der Antrieb auch ganz einfach über eine Technic-Drehscheibe übertragen. Wir müssen die Achse dabei nur durch die Mitte der Drehscheibe stecken. Bei manchen Fahrzeugen reicht eine Achse jedoch nicht aus. Beispielsweise sind für Bagger mit Kettenantrieb zwei getrennte Achsen zum Antrieb des rechten und des linken Fahrwerks erforderlich. Der Antriebsmotor dafür befindet sich meistens im Aufbau, der über eine Drehscheibe mit dem Chassis verbunden ist. In diesem Fall können wir einen Getriebe-Antriebsring (wie in Abbildung 8-34) oder ein leeres Differenzialgehäuse (wie in Abbildung 8-35) verwenden.

Abgesehen vom komplizierten Aufbau hat ein solches Getriebe noch einen Nachteil: Wenn sich der Aufbau relativ zum Chassis dreht, treibt diese Bewegung eine der Achsen an (die blaue in den Abbildungen 8-34 und 8-35), was dazu führt, dass sich das ganze Chassis dreht. Da sich der Aufbau gewöhnlich langsam dreht, ist dieser Effekt vernachlässigbar. Außerdem kann er durch eine Untersetzung beider Achsen unterhalb der Drehscheibe noch weiter verringert werden. Der Vorteil besteht daran, dass es bei diesem Getriebesystem möglich ist, alle elektrischen Elemente eines Kettenfahrzeugs im Aufbau unterzubringen. Es müssen also keine Kabel durch die Drehscheibe verlegt werden, sodass der Aufbau beliebig oft gedreht werden kann, ohne dass die Gefahr besteht, dass irgendwelche hindurchlaufenden Elemente beschädigt werden.

Beide Varianten können auf ähnliche Weise gebaut werden, wobei diejenige mit dem Antriebsring jedoch praktischer ist, weshalb wir uns auf sie konzentrieren. Die Bauanleitungen für diese Variante findest du auf den folgenden Seiten. Chassis und Aufbau können sehr einfach auf der Grundlage dieser Variante gebaut werden.

Abbildung 8-34: Die Vorgehensweise zur Übertragung des Antriebs durch eine Drehscheibe auf zwei unabhängige Achsen. Die Elemente, die den Antrieb übertragen, sind blau und rot dargestellt, um ihre Unabhängigkeit deutlich zu machen. Bei dieser Variante dient ein Getriebe-Antriebsring zur Übertragung des Antriebs auf die blaue Achse, die durch den Mittelpunkt der Drehscheibe verläuft. Beachte, dass innerhalb des Antriebsrings keine Achsverbinder vorhanden sind, sodass er sich frei auf der Achse drehen kann.

Abbildung 8-35: das gleiche Getriebesystem mit einem leeren differenzialgehäuse statt eines Antriebsrings. diese Variante ist einfacher, aufgrund des großen Zahnrads mit 24 Zähnen aber weniger zweckmäßig.

Doppelachsen-Drehscheibengetriebe

Ein robustes Kardangelenk

Die vorgefertigten LEGO-Kardangelenke bieten zwar eine Reihe von Vorteilen, brechen bei Anwendung eines hohen Drehmoments aber leicht. Aus einfachen Elementen können wir ein eigenes Kardangelenk bauen, das genauso funktioniert wie die vorgefertigten, aber stabiler ist. Allerdings geht dies auf Kosten der Kompaktheit (siehe Abbildung 8-36).

Abbildung 8-36: Das selbst gebaute Kardangelenk ist stabiler, aber auch größer als die vorgefertigten.

Kardangelenk

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Das Pneumatiksystem von LEGO

Das Pneumatiksystem von LEGO ist eine Miniaturausgabe der Pneumatik-und Hydrauliksysteme der realen Technik. Es besteht aus drei grundlegenden Bauteilen: einem Druckerzeuger, z.B. einer Handpumpe oder einem Motorkompressor, einem Steuermodul, also einem oder mehreren Ventilen, die den Luftstrom steuern, und Zylindern, die den Druck in eine lineare Bewegung umwandeln. Diese Bauteile sind durch elastische Pneumatikschläuche miteinander verbunden.

Das Funktionsprinzip der Pneumatik beruht auf der Neigung von Luft, von Gebieten mit hohem Druck zu denen mit niedrigem Druck zu strömen. Der Druckerzeuger füllt das Pneumatiksystem mit Druckluft, die dann über das Steuermodul in die Zylinder geleitet wird. Dadurch werden die Zylinder ausgefahren oder zusammengezogen. Ist der Druck im gesamten System gleich, tritt keine Bewegung mehr auf.

Eine Pneumatik hat immer nur eine begrenzte Druckkapazität. Bei LEGO-Modellen beträgt dieser Grenzwert gewöhnlich 3 bar, was ungefähr dem Dreifachen des normalen Atmosphärendrucks entspricht. Wenn ein LEGO-Druckerzeuger diesen Wert überschreitet, können die Schläuche von den Anschlüssen der Pneumatikbauteile abspringen.

Da beim LEGO-System Schläuche und Verbinder verwendet werden, ist es nicht perfekt abgeschlossen, und es können Mikrolecks auftreten. Durch Mikrolecks können winzige Mengen an Luft aus der Pneumatik austreten. Diese Undichtigkeiten treten gewöhnlich an Enden der Pneumatikschläuche auf. (Bei Beschädigungen auch in der Mitte.) Dadurch sinkt der Wirkungsgrad. Wie bei jedem anderen mechanischen System ist auch bei der Pneumatik ein komplizierter Aufbau der Feind eines höheren Wirkungsgrads.

HINWEIS Technisch korrekt werden die Verbindungsstellen im LEGO-System alsEinlässe undAuslässe bezeichnet, doch ich nenne sie hier der Einfachheit halber nurAnschlüsse.

Es gibt zwei verschiedene LEGO-Pneumatiken, nämlich das alte und das neue System. Wie wir in den nächsten Abschnitten sehen werden, weichen ihre Funktionsweisen ein wenig voneinander ab.

Das alte System

Das alte LEGO-Pneumatiksystem (siehe Abbildung 9-1) wurde 1984 eingeführt und ist relativ kompliziert. Das Steuermodul besteht aus zwei miteinander kombinierten Bauteilen und einem Pneumatikschlauch, der den Druckerzeuger mit den Zylindern verbindet. Der letzte LEGO-Bausatz mit diesem System wurde zwar bereits 1987 hergestellt, doch ist dieses haltbare System immer noch häufig anzutreffen.

Die rot dargestellte Pumpe verfügt gewöhnlich über eine Feder. Wird der Kolben niedergedrückt, pumpt sie Umgebungsluft durch ihren Anschluss. Die Feder sorgt dafür, dass der Kolben nach dem Loslassen wieder in seine Ruheposition zurückkehrt.

Abbildung 9-1: Beim alten pneumatischen System werden zwei Blöcke zur Steuerung des Luftstroms verwendet. Die grauen Linien in dieser Darstellung stehen für die Schläuche.

Das hellgraue Element ist ein Verteilerblock, der ein besonderes Einwegventil enthält. Luft strömt von der Pumpe zum mittleren Anschluss des Verteilerblocks, und das Einwegventil sorgt dafür, dass die beiden seitlichen Anschlüsse die Luft nur in einer Richtung weiterleiten. Der Anschluss auf der linken Seite saugt Luft an, der auf der rechten Seite stößt sie aus. Mit diesem Verteilerblock können wir den Druck im LEGO-Pneumatiksystem nicht nur erhöhen, sondern auch verringern, indem wir Luft ausstoßen.

Das hellgraue Element ist ein Ventil, das über zwei Schläuche an den Verteilerblock angeschlossen ist. Ein Verteilerblock kann mithilfe gegabelter Schläuche an mehrere Ventile angeschlossen werden. Die Gesamtzahl der Ventile hängt davon ab, wie viele Pneumatikzylinder unabhängig voneinander gesteuert werden sollen.

An dem Ventil befindet sich ein Hebel, der drei Stellungen einnehmen kann. Bei einer Position werden alle angeschlossenen Zylinder ausgefahren, bei der anderen eingefahren. Die dritte (mittlere) Stellung blockiert die Verbindung durch das Ventil, wodurch alle Zylinder gesperrt werden. Dies ist die Neutralstellung, die du in einem System mit vielen Ventilen brauchst, um zu verhindern, dass sich die Ventile gegenseitig beeinträchtigen. Außerdem ist die Druckluft bei Neutralstellung des Ventils abgeschottet und kann daher in anderen Teilen des Systems wirkungsvoller eingesetzt werden.

Das gelbe Element ist ein Zylinder, der ausfährt, wenn Luft in ihn hineingepumpt wird, und sich zusammenzieht, wenn sie aus ihm herausgesaugt wird.

HINWEIS Beim Ansaugen sinkt der Luftdruck innerhalb des Zylinders, bis er unter den Umgebungsdruck (1 bar) fällt. An diesem Punkt beginnt der Zylinder, sich zusammenzuziehen. Daher kann das LEGO-Pneumatiksystem zum Ausfahren bis zu 3 bar ausüben, zum Einfahren aber nur maximal 1 bar.

Im Vergleich mit dem neuen Pneumatiksystem (das im Folgenden vorgestellt wird) bietet das alte System einen Vorteil: Es ist nur ein Schlauch zur Verbindung eines Zylinders mit einem Ventil erforderlich. Allerdings weist es auch mehrere Nachteile auf. So wendet es beispielsweise weniger Kraft zum Einfahren eines Zylinders auf als zum Ausfahren, da zum Ausfahren Luft aus dem Zylinder herausgelassen und zum Einfahren angesogen wird. Dass die Zylinder beim Ein-und Ausfahren unterschiedliche Kraft ausüben, wird als ein erheblicher Nachteil angesehen. Das war einer der Hauptgründe für die Einführung des neuen Systems.

Außerdem ist das Steuermodul im alten System zu aufwendig, da für jedes an den Verteilerblock angeschlossene Ventil zwei Schläuche erforderlich sind. Drittens umfasst das alte System viele Sonderteile (Pumpe, Verteilerblock und Zylinder), die seit 1987 nicht mehr hergestellt werden, sodass es praktisch veraltet ist.

Das neue System

LEGO hat das neue Pneumatiksystem (siehe Abbildung 9-2) 1989 zur Vereinfachung und zur Steigerung des Wirkungsgrads eingeführt. Beim neuen System fällt der Verteilerblock weg, außerdem wurden Pumpen und Zylinder neu konstruiert. Die alten Ventile sind jedoch nach wie vor in Verwendung. Das neue System ähnelt viel deutlicher echten Pneumatik-und Hydraulikanlagen.

Abbildung 9-2: das neue Pneumatiksystem ist einfach konstruiert.

Das gelbe Element in Abbildung 9-2 ist eine Pumpe, die nur im neuen System verwendet werden kann. Bei dem hellgrauen Ventil handelt es sich um das gleiche Bauteil wie im alten System, allerdings wird es anders angeschlossen: Luft strömt durch den mittleren Anschluss ein, und die seitlichen Anschlüsse sind mit dem Zylinder verbunden. Welcher Anschluss des Ventils mit welchem Anschluss des Zylinders verbunden ist, bestimmt, welche der beiden äußeren Ventilstellungen für das Ausfahren und welche für das Einfahren des Zylinders sorgt.

Das gelbe Element ist der Zylinder. Je nachdem, über welchen Anschluss Luft einströmt, wird er ein-oder ausgefahren.

Anders als beim alten System wird beim neuen Luft durch die Ventile ausgestoßen, was beim Schalten unter hohem Druck Pfeifgeräusche verursacht. Da beim neuen System zum Einfahren keine Luft angesaugt wird, erfolgt dieser Vorgang fast mit gleicher Kraft wie das Ausfahren.

HINWEIS Du kannst die Zylinder jeweils auch im anderen System verwenden, allerdings zeigen die Zylinder des alten Systems aufgrund ihres inneren Aufbaus eine schwache Leistung.

Im Vergleich mit dem alten System bietet das neue den Vorteil, dass nur ein Steuermodul gebraucht wird und dass die Zylinder sowohl zum Ein-als auch zum Ausfahren die gleiche Kraft aufwenden. Hauptnachteil ist die Tatsache, dass für jeden Zylinder zwei Schläuche mit dem Ventil verbunden werden müssen, was Pneumatikanlagen mit mehreren Zylindern ziemlich kompliziert macht.

Heutzutage nutzen die meisten LEGO-Konstrukteure das neue Pneumatiksystem, wobei manche jedoch nach wie vor auf das alte zurückgreifen, weil dabei weniger Schläuche an den Zylindern erforderlich sind oder weil ihnen einfach die roten Zylinder besser gefallen.

Das Funktionsprinzip des neuen Systems hat sich zwar seit 1989 nicht geändert, aber es wurden einige neue Elemente hinzugefügt und andere modernisiert.

Bestandsaufnahme der Pneumatik-Bauteile

In diesem Abschnitt werden alle Pneumatik-Bauteile beschrieben, die es gibt, und zwar in der Reihenfolge ihrer Funktion vom Druckerzeugen über die Steuermodule zu den Zylindern. Da die meisten Teile aus dem neuen und dem alten System untereinander ausgetauscht werden können, habe ich sie jeweils nebeneinander aufgeführt.

Pneumatikpumpe (alt)

Dies ist eine große Handpumpe mit einzelnem Anschluss und federgelagertem Kolben. Es gibt sie in zwei Längen und in den Farben Rot und Gelb. Wird der Kolben niedergedrückt, saugt die Pumpe Umgebungsluft ein. Beim Loslassen des Kolbens führt die Feder ihn wieder in die ursprüngliche Neutralstellung zurück.

Der Unterbau der Pumpe kann auf Noppenelemente aufgestellt werden. Beide Enden verfügen über reguläre Technic-Löcher. Das untere Ende (an dem sich der Anschluss befindet) ist zwei Noppen breit, das obere eine Noppe. Die Formgebung des oberen Endes erschwert den Pumpvorgang. Bei schnellem Pumpen über einen längeren Zeitraum hinweg wird das Element aufgrund der Komprimierung der Luft in seinem Innern rasch heiß.

Pneumatikpumpe (neu)

Dies ist die große Handpumpe des neuen Systems. In LEGO-Technic-Bausätzen ist sie stets in Gelb, in LEGO-Education-Bausätzen in durchsichtigem Hellblau gehalten.

Wie die Pumpe des alten Systems weist sie einen Anschluss und einen federgelagerten Kolben auf. Sie funktioniert wie die alte Pumpe und weist auch fast dieselben Abmessungen auf. Am oberen Ende ist jedoch eine Kontaktfläche angebracht. Dadurch soll der Handbetrieb erleichtert werden, was auch tatsächlich funktioniert. Allerdings erhitzt sich die Pumpe immer noch genauso wie die alte.

Kleine Pneumatikpumpe (neu)

Diese kleine Pumpe hat einen Anschluss und einen Kolben, der zwei Noppen weit herausragt, aber keine Feder aufweist. Am besten wird sie in Verbindung mit einem Motorkompressor eingesetzt und nicht als Handpumpe. Da sie viel kleiner ist als die anderen Pumpen, dauert es länger, bis ein vergleichbarer Druck erreicht ist. Aus diesem Grund enthalten Motorkompressoren meistens mehr als eine dieser Pumpen. Dieses Modell läuft auch nicht so schnell heiß.

Die Pumpe wird in Gelb, Blau und transparentem Hellblau hergestellt. Mit dem Bausatz 8110 kam 2011 eine neue Version auf den Markt. Sie ist hellgrau und um eine halbe Noppe länger, was die Kapazität ein wenig erhöht.

Verteilerblock (alt)

Der Verteilerblock ist ein hellgraues Element von derselben Größe wie ein 2x4x1-Stein. Er wird ausschließlich im alten System verwendet, um Luft aus den Zylindern zu saugen, und wird seit 1987 nicht mehr hergestellt. An einer Seite befinden sich drei Anschlüsse, wobei der mittlere der Lufteinlass ist. Ein Einwegventil in seinem Innern regelt die Funktionsweise: Am mittleren Anschluss kann Luft in beide Richtungen strömen, am linken nur hinein-und am rechten nur hinausströmen. Bei falschem Anschluss sperrt das Ventil, wobei die Luftzirkulation innerhalb des Blocks komplett aufhört. Das Ventil öffnet sich erst dann wieder, wenn die Anschlüsse korrekt verbunden sind.

Ventil mit Noppen

Das Ventil hat die Größe eines 1x2-Steins mit einer aufgesteckten 1x2-Platte und ist stets hellgrau. An einer Seite befinden sich drei Anschlüsse, wobei der mittlere der Lufteinlass ist.

Der etwa 1,5 Noppen lange Hebel an einer der Schmalseiten kann drei verschiedene Stellungen einnehmen. In der mittleren Position (Neutralstellung) wird die Verbindung innerhalb des Ventils blockiert, wodurch die Seitenanschlüsse letztlich vom Rest der Pneumatikanlage abgetrennt werden. Die obere und untere Stellung regelt den Luftstrom durch die Seitenanschlüsse des Ventils (siehe Abbildung 9-3), um die daran angeschlossenen Zylinder entweder aus-oder einzufahren. (Das Ventil saugt nicht aktiv Luft ein, sondern empfängt lediglich Luft durch seine Anschlüsse und gibt sie durch ein Loch im Schaltergehäuse frei.)

Abbildung 9-3: Die Richtung des Luftstroms an den Anschlüssen des Ventils: Die blauen Pfeile zeigen den Luftstrom von der Pumpe an, die grünen den Luftstrom vom Ventil zum Zylinder und die roten den vom Zylinder zum Ventil.

Diese Ventile können auf oder unter jedes LEGO-Element mit Noppen gesteckt werden. Sie lassen sich auch zwischen zwei Technic-Steine der Größe 1x2 montieren, die sich dann mithilfe von Stiften an jedes Teil mit mindestens fünf Stiftlöchern anschließen lassen (siehe Abbildung 9-4).

Abbildung 9-4: Wenn du an den beiden Enden des Ventils (hier von vorn und von unten gezeigt) je einen 1x2-Technic-Stein anbringst, kannst du das Ventil an einen Stein oder Balken mit mindestens fünf Stiftlöchern anschließen.

Noppenloses Ventil (neu)

Das neue Ventil wurde 2003 eingeführt und funktioniert genauso wie das Ventil mit Noppen. Im Gegensatz zu der alten Variante ist es dunkelgrau, die Abmessungen sind aber ähnlich. Abgesehen von der Farbe besteht der einzige Unterschied darin, dass es keine Noppen aufweist, dafür aber an einer Seite zwei Stiftlöcher im Abstand von einer Noppe. Durch diese Änderungen ist es besser für noppenlose Konstruktionen geeignet. Da sich die Verbindungspunkte des Ventils auf der Seite befinden, die dem Hebel gegenüberliegt, bleibt der Hebel auch dann bequem zugänglich, wenn das Ventil an andere Teile angebaut ist.

Großer Zylinder (alt)

Dieser Zylinder aus dem alten System wird seit 1987 nicht mehr hergestellt. Er weist einen einzigen Anschluss und einen Plastikkolben auf, der um fast 4 Noppen ausgefahren werden kann. Der Zylinder ist in Gelb und Rot erhältlich, und seine Abmessungen entsprechen denen der alten großen Pumpe. Im Gegensatz zu ihr hat er jedoch keine Feder. Der obere Teil des Zylinders stößt beim Ausfahren Luft aus und saugt sie beim Einfahren aus der Umgebung ein. Zum Ausfahren übt der Zylinder mehr Kraft auf als zum Einfahren. Im neuen Pneumatiksystem ist er nur von begrenztem Nutzen, da er zwar aus-, aber nicht eingefahren werden kann.

6L-Zylinder (alt)

Bei dem gelben Zylinder handelt es sich im Grunde genommen nur um eine verlängerte Version des großen Zylinders aus dem alten System. Er verfügt über einen einzelnen Anschluss und über einen Kolben, der 6 Noppen weit ausgefahren werden kann. Im neuen System gibt es kein Gegenstück hierzu. Tatsächlich ist er der einzige Pneumatikzylinder dieser Länge. Wegen des Plastikkolbens und der großen Ausfahrlänge kann er unter Last schneller brechen als jeder andere Zylinder.

Wie bei allen Zylindern des alten Systems stößt auch hier der obere Teil beim Ausfahren Luft aus und saugt sie beim Einfahren aus der Umgebung ein. Zum Ausfahren übt er mehr Kraft aus als zum Einfahren. Wie der reguläre große Zylinder ist auch er im neuen System nur bedingt nützlich, da er dort nicht eingefahren werden kann.

Kleiner Zylinder (neu)

Der kleine Zylinder des neuen Systems verfügt über zwei Anschlüsse und über einen Plastikkolben, der 2 Noppen weit ausgefahren werden kann. In den Technic-Bausätzen ist er stets gelb, in Education-Bausätzen weist er dagegen ein transparentes Hellblau auf.

Dieses kleine und teure Pneumatikelement lässt sich leicht mit der kleinen Pneumatikpumpe verwechseln. Aufgrund der niedrigen Kapazität kann dieses Teil keine große Kraft ausüben, es wird aber wegen seiner geringen Größe geschätzt. Wie alle Zylinder des neuen Systems ist er komplett luftdicht.

Großer Zylinder mit viereckigem Unterbau (neu)

Der große Zylinder des neuen Systems ist eines der am häufigsten verwendeten Pneumatikbauteile. Er hat zwei Anschlüsse und einen Metallkolben, der um fast 4 Noppen ausgefahren werden kann. Dadurch ist er sehr robust. In der Größe ähnelt er der großen Pneumatikpumpe.

Großer Zylinder mit rundem Unterbau (neu)

Diese modernisierte Version des großen Zylinders wurde 2002 eingeführt. Auch sie hat zwei Anschlüsse und einen um fast 4 Noppen ausfahrbaren Metallkolben. Der einzige Unterschied zwischen diesem Zylinder und dem Vorgängermodell ist der Unterbau, der hier rund statt eckig ausgeführt ist. Er nimmt weniger Platz ein, kann aber nicht auf Noppensteinen montiert werden. Allerdings kann dieser Zylinder aufgrund der runden Bauweise in engem Raum gekippt werden, was ihn sehr beliebt macht.

Bei der älteren, viereckigen Version war um das untere Ende viel Platz erforderlich, um ihn zu neigen, was ihn wirklichkeitsfremder machte. Echte Hydraulikzylinder werden fast immer auf einem Drehgelenk montiert, sodass sie sich beim Hub bewegen können, um zu verhindern, dass der Aktor durch die Last gebogen wird. Der runde Unterbau des modernisierten Zylinders ermöglicht eine solche wirklichkeitsgetreuere Vorgehensweise.

Pneumatikleitungen und -schläuche

Der 4 mm dicke, elastische Gummischlauch ist ein entscheidendes Element des Pneumatiksystems von Technic. Es gibt ihn in verschiedenen Längen und Farben – Schwarz, Grau und Blau –, und er lässt sich leicht durch die Löcher in Technic-Bauteilen führen und mit den Anschlüssen des Pneumatiksystems verbinden.

Denke bei der Verwendung dieser Schläuche daran, dass die LEGO-Pneumatik keinen hohen Luftdruck über einen längeren Zeitraum hinweg aufrechterhalten kann und dass die Schläuche nicht ganz dicht sind. Das System wird also umso ineffizienter, je mehr Schläuche es enthält. Außerdem neigen die Schläuche dazu, bei einem Druck von über 3 bar von den Anschlüssen abzuspringen. Bei gedehnten oder beschädigten Schläuchen kann dies sogar bei geringerem Druck passieren. Die ältesten Schläuche, die heute nur noch selten zu finden sind, bestanden aus einem Material, das sich unter der Einwirkung von UV-Licht nach und nach zersetzte, was zu Rissen und Undichtigkeiten führten. Die neueren Schläuche sind aus Silikon gefertigt und gegen solche Einflüsse größtenteils immun.

Mit den 4-mm-Schläuchen ist es einfach, Luft durch beliebig komplizierte Pneumatikanlagen zirkulieren zu lassen. Sie nehmen auch nur wenig Platz ein. Durch ihre Flexibilität und Nachgiebigkeit können sie entlang von Bauteilen verlegt werden, die sich bewegen müssen. Allerdings ist der eigentliche Luftkanal im Innern der Schläuche schmal und kann daher leicht blockiert werden. Um dies zu vermeiden, musst du darauf achten, dass die Schläuche nicht von den umgebenden Strukturen zusammengedrückt und auch nicht gedehnt oder geknickt werden.

In Abbildung 9-5 siehst du einen Pneumatikschlauch, der mit dem oberen Anschluss eines (neuen) großen Zylinders verbunden ist. An der Stelle, an der der Schlauch über den Anschluss gestülpt wird, wächst sein Durchmesser auf mehr als eine Noppenlänge an. Daher passt der Teil des Schlauchs, der den Anschluss umfasst, nicht mehr durch ein Technic-Loch.

Abbildung 9-5: Ein Schlauch an einem Zylinderanschluss

Pneumatikschläuche können nicht nur mit Anschlüssen verbunden werden, sondern auch mit den 3 mm dicken, starren Rohren. Damit lassen sich mehrere Schläuche zu einem längeren verbinden.

Bei echten Hydraulik-und Pneumatiksystemen werden sowohl Schläuche verwendet, also flexible Leitungen, als auch starre Rohre. Um diese Terminologie zu übernehmen, verwende ich ebenfalls den Begriff Schlauch für die flexiblen Silikonverbindungen und Rohr für die starren 3-mm-Leitungen. In Abbildung 9-6 siehst du, wie du mit einem 3-mm-Rohr zwei Pneumatikschläuche verbinden kannst. Diese Rohre lassen sich aber auch an jegliche Noppenstrukturen anschließen, z.B. an Steine, und zwar auf eine Weise, die mit den normalen Schläuchen nicht möglich wäre.

Abbildung 9-6: Hier verbindet ein Rohr zwei Schläuche und ist selbst mithilfe zweier 1x1-Kacheln mit Klammern auf einen Technic-Stein aufgesteckt.

HINWEIS Bei echten Maschinen mit Pneumatik-oder Hydraulikanlage werden die Leitungen häufig in Form starrer Rohre an unbeweglichen Strukturen entlang geführt, z.B. am Ausleger eines Krans. Mithilfe der 3-mm-Rohre lassen sich solche Konstruktionen sehr leicht mit LEGO-Steinen nachbauen.

T-Stück (alt)

Die alte Version des T-Stücks, die seit 1996 nicht mehr hergestellt wird, ist einfach ein T-förmiges Element mit drei Anschlüssen. Wenn Luft durch einen Anschluss hineingepumpt wird, strömt sie durch die beiden anderen Anschlüsse wieder heraus. Das T-Stück kann also als Verbinder für pneumatische Parallelschaltungen dienen.

Jeder Anschluss wird mit einem Schlauch verbunden, sodass die Pneumatikleitung in zwei Teile aufgespaltet wird (siehe Abbildung 9-7). Zwei der Schläuche sind dabei zu einem einzigen Abschnitt kombiniert, in dessen Mitte sich das T-Stück befindet. Der dritte Schlauch, der davon abgeht, stellt die Verzweigung dar. Da jedes T-Stück eine neue Verzweigung in einer Pneumatikleitung eröffnet, brauchst du drei Teile dieser Art, um eine Leitung in vier Teile aufzuspalten. Das erste teilt die Leitung in zwei Abschnitte auf, die dann jeweils durch die beiden anderen T-Stücke abermals in je zwei Teile aufgespaltet werden. Allgemein gilt die Regel, dass zur Aufteilung einer Leitung in n Abschnitte (n – 1) T-Stücke erforderlich sind.

Abbildung 9-7: Mit zwei T-Stücken kann eine einzelne Leitung (blau) in drei einzelne Abschnitte aufgeteilt werden (rot).

HINWEIS Die Aufspaltung der Leitungen senkt den Wirkungsgrad der Pneumatikanlage, da beim Abknicken um 90° ein Luftwiderstand auftritt.

T-Stück (neu)

Die modernisierte Version des T-Stücks hat ein kugelförmiges Mittelteil, sodass sich die Schläuche leichter abziehen lassen. Diese Variante funktioniert genauso wie die alte Version, ist aber robuster und senkt ein kleines bisschen den Luftwiderstand. Alle T-Stücke sind hellgrau.

Schlauchanschluss mit Achsverbinder (neu)

Dieses Element wurde 2011 im Bausatz 8110 eingeführt. Es ähnelt ein wenig einem T-Stück, dient aber nicht zum Aufteilen, sondern zum Erweitern von Leitungen.

Es kann zwei Pneumatikschläuche so zusammenschließen, dass sie leicht wieder abgezogen werden können. Damit ist es möglich, zwei Pneumatikanlagen auf einfache Weise zu verbinden und zu trennen. Aufgrund seiner Konstruktion ist dieses Bauteil äußerst praktisch für pneumatische Zapfwellen, mit denen externe Anbaugeräte wie pneumatische Schneepflüge oder Ladekräne angetrieben werden. Im ursprünglichen Bausatz 8110 wurde es genau dafür verwendet. Auch viele Landmaschinen weisen Zapfwellen auf. Beispielsweise können bei Traktoren daran verschiedene Anbaugeräte angeschlossen werden.

Zylinderklammern

Beim neuen Pneumatiksystem gibt es keine 6L-Zylinder, aber die regulären großen Zylinder mit einem Ausfahrbereich von knapp 4 Noppen sind für manche Zwecke zu kurz. Die Lösung besteht darin, zwei Zylinder mit der Klammer aus Abbildung 9-8 zu verbinden, sodass sie wie einer wirken. Die Kolben fahren dabei nach beiden Seiten aus, was Länge und Ausfahrbereich verdoppelt.

Abbildung 9-8: Um zwei zylinder sicher zu verbinden, sind zwei Klammern erforderlich.

Die Klammern sind symmetrisch. Es ist möglich, einen Zylinder mit den Anschlüssen nach oben und den anderen mit den Anschlüssen nach unten zusammenzubauen, doch ist es zum Verbinden der Schläuche einfacher, wenn alle Anschlüsse auf derselben Seite liegen.

HINWEIS Damit die Zylinder als Einheit wirken können, musst du ihre unteren und oberen Anschlüsse jeweils mit Schläuchen verbinden, die mithilfe von T-Stücken von der Leitung abgespaltet sind.

Abbildung 9-9 zeigt zwei Klammern und zwei Zylinder, die mithilfe von zwei Achsen und zwei 3L-Balken mit Stiften zusammengesteckt sind. Klammern können nicht direkt mit Zylindern oder miteinander verbunden werden. Um sie aneinander anzuschließen, musst du entweder Achsen durch die Achslöcher führen oder Stifte in die mittleren Löcher stecken und mit 3L-Balken verbinden. Die Befestigung mit Stiften und Balken ist haltbarer, da sie verhindert, dass sich die Klammern lösen. Allerdings werden dadurch die Mittellöcher der Klammern belegt, die häufig besser zur Verlegung der Schläuche genutzt werden.

Abbildung 9-9: Zwei Klammern um zwei Zylinder

Lufttank

Der Lufttank, blau im Technic-und weiß im Education-System, speichert komprimierte Luft. Er ist sehr praktisch für Pneumatikanlagen, bei denen du nicht ständig die Pumpe betätigen willst. Mit ein wenig Bastelarbeit kannst du Pneumatikschläuche auch an Plastikflaschen oder -beutel anschließen und diese als Luftbehälter verwenden. Der Tank ist jedoch das einzige LEGO-Originalteil für diesen Zweck.

HINWEIS Die Kapazität einer pneumatischen Anlage ist das Volumen, das mit Druckluft gefüllt werden kann. Dieses Volumen wird gewöhnlich durch die Schläuche bestimmt. Wenn du viele lange Schläuche hast, steigt die Kapazität dadurch erheblich. Die Kapazität des Lufttanks ist jedoch weit größer als die irgendeiner Anzahl von Schläuchen.

Damit die Luft im Tank für die gesamte Pneumatikanlage zur Verfügung steht, musst du den Behälter zwischen der Druckversorgung und dem Steuermodul anbringen.

Laut Angabe von LEGO sind zum vollständigen Füllen des Tanks 30 bis 35 Arbeitstakte der großen Pneumatikpumpe erforderlich. Bei etwa 40 Arbeitstakten erreicht der Druck den kritischen Wert von 3 bar, wobei entweder die Pumpe aufhört zu arbeiten oder die Schläuche von den Anschlüssen springen. (Wenn eine Beschädigung auftritt, entweicht die Luft innerhalb eines Sekundenbruchteils aus dem Tank.)

Der Lufttank sieht zwar ganz einfach aus, hat aber in Wirklichkeit einen sehr aufwendigen Aufbau. Unten gibt es eine Verbindungsfläche der Größe 2x4, die auf beliebige Steine und Platten aufgesteckt werden kann. Zur Verbindung mit Elementen, die größer sind als 2x4, musst du eine 2x4-Platte dazwischenbauen (siehe Abbildung 9-10).

Die Verbindungsfläche des Tanks enthält auch drei Achslöcher von einer Noppenlänge Tiefe, mit deren Hilfe du den Behälter auf Achsen oder Achsstiften montieren kannst. Das Gleiche kannst du auch mit den Achslöchern tun, die sich jeweils über den Anschlüssen des Tanks befinden.

Abbildung 9-10: Aufgrund der Formgebung des Tankunterbaus brauchst du mindestens eine Platte als Abstandshalter, um den Behälter auf Elemente aufzustecken, die größer sind als 2x4. Hier wird dazu eine 2x4-Platte verwendet. Dank der gewinkelten Anschlüsse ist es trotz der großen, roten Platte nach wie vor möglich, Schläuche mit diesem Lufttank zu verbinden.

Das Manometer

Das Manometer wurde 2008 eingeführt und zeigt den Luftdruck in einer pneumatischen Anlage sowohl in Bar als auch in Pfund pro Quadratzoll (psi) an. Es ist in ein halbdurchsichtiges Gehäuse der Größe 5x8x3 eingeschlossen und weist unten einen Metallanschluss auf.

Um mit dem Manometer den Luftdruck in einer Pneumatikanlage zu messen, musst du es zwischen der Druckversorgung und dem Steuermodul einbauen. Es kann über einen Pneumatikschlauch mit praktisch allen Elementen verbunden werden, z.B. mit dem Lufttank oder mit irgendeinem Leitungsabschnitt, der von einem T-Stück ausgeht. Abbildung 9-11 zeigt zwei Beispiele für die Platzierung des Manometers.

Der Nutzen des Manometers ist jedoch begrenzt. An sinnvollsten ist es, das Messgerät an den Lufttank anzuschließen. In Pneumatikanlagen ohne Lufttank ändert sich die Anzeige des Manometers bei jeder Bewegung der Pumpe oder eines Ventils auf erhebliche Weise.

Das pneumatische System modifizieren

Das Pneumatiksystem eignet sich gut für Experimente. Im Folgenden findest du einige gebräuchliche Arten zu seiner Veränderung.

Nicht von LEGO stammende Schläuche

Die Original-Pneumatikschläuche von LEGO können ganz einfach durch eigene ersetzt werden, sofern sie elastisch und 4 mm dick sind (Letzteres ist erforderlich, um sie durch Technic-Löcher zu führen) und innere Kanäle von ausreichender Breite aufweisen. Dafür eignen sich einige industriell gefertigte Schläuche, z.B. die Treibstoffleitungen für funkferngesteuerte Modelle. Auch die Schläuche eines medizinischen Tropfs – also IV-Leitungen – können verwendet werden, allerdings werden sie schnell klebrig und sammeln viel Staub an.

Nicht von LEGO stammende Lufttanks

Die LEGO-Lufttanks sind zwar sehr nützlich, lassen sich aber auch durch praktisch jeden luftdichten Behälter ersetzen. Plastikflaschen, Plastikbeutel und sogar Luftballons funktionieren sehr gut, sofern du sie luftdicht mit der Pneumatikanlage verbindest.

Abbildung 9-11: Diese beiden Verlaufspläne zeigen eine Pneumatik mit Lufttank und Manometer. sowohl der Tank als auch das Manometer funktionieren in beiden schaltvarianten auf genau dieselbe Weise.

Federn entfernen (Herstellen eines Motorkompressors)

Da die großen Pneumatikpumpen weit leistungsfähiger sind als die kleinen, können sie vorteilhaft in Motorkompressoren eingesetzt werden. Das einzige Problem dabei ist die Feder der großen Pumpe, die dem Motor Widerstand entgegensetzt und dadurch den Mechanismus verlangsamt. Um dieses Problem zu lösen, musst du die Feder entfernen. Bei der alten Pumpe kannst du sie abziehen, bei der neuen musst du sie abschneiden (da die Kontaktfläche sonst im Weg ist).

Pneumatische Federung

Bei schweren Modellen kannst du große Pneumatikzylinder anstelle von Stoßdämpfern verwenden, um eine pneumatische Federung zu konstruieren. Je nach dem Luftdruck, der in ihnen herrscht, neigen die Zylinder dazu, sich unter Last zusammenzuziehen und bei verringerter oder fehlender Last wieder in die Neutralstellung auszufahren.

Vorteile der pneumatischen Federung sind ihre Robustheit und die Möglichkeit, den Bodenabstand einfach durch die Änderung des Luftdrucks einzustellen. Leider weist sie auch einige Nachteile auf. Erstens ist die Leistung schlechter als bei herkömmlichen Stoßdämpfern, zweitens eignet sie sich am besten für schwere Modelle und drittens muss die Pneumatikanlage aufgrund von Mikrolecks von Zeit zu Zeit aufgefüllt werden.

Die Pneumatik in eine Hydraulik umwandeln

In der realen Technik sind Pneumatiken weniger weit verbreitet als Hydrauliken. Mit Flüssigkeiten gefüllte Hydraulikanlagen werden für viele Maschinen verwendet, die schwere Lasten handhaben müssen, vor allem für Baumaschinen wie Bagger, Kräne, Frontlader, Radlader, Gabelstapler, Muldenkipper usw.

Wenn deine Modelle schwere Lasten handhaben müssen, kannst du die Pneumatik in eine Hydraulik umwandeln, indem du die Luft durch eine Flüssigkeit ersetzt. Dabei musst du jedoch äußerst vorsichtig vorgehen. Flüssigkeiten sind viel dichter als Luft und lassen sich weit schlechter zusammenpressen.

Natürlich besteht ein gewisses Risiko dabei, wenn du LEGO-Pneumatikanlagen mit einer Flüssigkeit füllst. Vor allem läufst du Gefahr, die großen Zylinder zu beschädigen, die über Metallkolben verfügen. Je nachdem, welche Flüssigkeit du einsetzt, können diese Kolben rosten. Außerdem sind sie mit einem Schmiermittel bedeckt, das mit der gewählten Flüssigkeit reagieren oder von ihr weggewaschen werden kann. Selbst wenn du eine »sichere« Flüssigkeit verwendest, hast du noch das Problem, die Zylinder nach dem Gebrauch wieder zu trocknen, was sehr schwierig ist, da sie fast vollständig geschlossen sind.

In der folgenden Aufstellung findest du einige Tipps zur Verwendung von Flüssigkeiten in einer LEGO-Pneumatik. Ich empfehle dir nicht, das System mit einer Flüssigkeit zu füllen, denn dabei kannst du Bauteile beschädigen. Wenn du dieses Experiment wagst, so geschieht dies auf eigene Gefahr. Lass dir gesagt sein, dass es in einer ziemlichen Schweinerei enden kann, wenn etwas schiefgehen sollte!

Als Flüssigkeit wählst du am besten ein Mineralöl – eine nicht korrosive, chemisch neutrale, geruchlose Flüssigkeit, die auch bei Hautkontakt nicht gesundheitsgefährdend ist. Mineralöl ist um 20% dünner als Wasser, billig und in den meisten Drogerien erhältlich.

Du solltest nur das neue LEGO-Pneumatiksystem in eine Hydraulik umwandeln, da hierbei nur das Ventil einen Ablass darstellt. Flüssigkeit kann nur dort austreten und nicht auch wie im alten System aus den Zylindern.

Eine gleichmäßige Zufuhr von Flüssigkeit ist erforderlich. Die LEGO-Pumpen müssen komplett untergetaucht sein, um die Flüssigkeit befördern zu können.

Die Zähigkeit der Flüssigkeit verbessert die Handhabung schwerer Lasten durch die Zylinder, allerdings musst du dafür auch mehr Kraft zum Pumpen aufwenden.

Bei der Verwendung von Flüssigkeiten ist es sehr wichtig, dass die Dichtungen in der Pneumatikanlage intakt sind. Durch Lecks kann Luft in das System gelangen, was die Funktion der Anlage ganz außer Kraft setzt.

Jegliche Lecks in einer mit Flüssigkeiten gefüllten Pneumatik haben auch Auswirkungen auf die Umgebung. Achte darauf, dass sich in deiner Konstruktion keine elektrischen Bauteile oder Metallelemente in der Nähe der Pneumatik befinden. Versuche das System so zu bauen, dass du leichten Zugang zu Schläuchen hast, sodass du sie schnell sperren oder hochheben kannst, falls sie von ihren Anschlüssen abspringen, um ein Austreten von Flüssigkeit zu verhindern.

Verwende in einem mit Flüssigkeiten gefüllten System niemals ein Manometer, da sie es dadurch unwiderruflich beschädigen können.

Es ist sehr schwierig, das Innere von Pneumatikbauteilen zu trocknen, sofern du sie nicht auseinanderbaust. Es ist hilfreich, über einen längeren Zeitraum hinweg warme Luft durch die Elemente zu pumpen. Du kannst auch versuchen, sie eine Weile in einem Beutel mit rohem Reis aufzubewahren, da Reis Feuchtigkeit aufsaugt.

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Pneumatische Geräte

In diesem Kapitel werden Geräte vorgestellt, bei denen pneumatische Bauteile auf kreative Weise eingesetzt werden – Motorkompressoren, ferngesteuerte Ventile und Pneumatikmotoren. Bei all diesen Geräten wird die Tatsache ausgenutzt, dass das Pneumatiksystem auf Anpassungsfähigkeit ausgelegt ist und es fast keine Grenze für Modifikationen gibt. In diesem Kapitel besprechen wir zunächst die grundlegendsten und vielseitigsten Geräte, bevor wir uns den anspruchsvolleren, spezialisierteren zuwenden.

Motorkompressoren

Ein Kompressor ist ein eigenständiger Mechanismus, der ununterbrochen für Druckluft sorgt, beispielsweise die massigen Geräte zum Aufpumpen von Autoreifen oder die tragbaren Varianten für Luftmatratzen. Die praktischste und am häufigsten verwendete Methode, um einen Technic-Kompressor zu bauen, besteht darin, kleine LEGO-Pumpen mit einem Motor anzutreiben. Wenn wir so vorgehen, lässt sich der Kompressor fernsteuern und läuft mit einer konstanten Rate, sodass die Zylinder in der Pneumatikanlage gleichmäßig laufen.

Besonders praktisch ist es, den Motor direkt an den Kompressor anzuschließen, denn dadurch können wir den gesamten Mechanismus fast überall in unserer Konstruktion einbauen, ohne auf Antriebswellen, Zahnräder oder irgendwelche starren Elemente angewiesen zu sein. Wir müssen lediglich einen Platz für die Kabel und Pneumatikschläuche finden.

Es gibt ein Problem, das beim Bau von Motorkompressoren zu bedenken ist, nämlich die Unregelmäßigkeit. LEGO-Pumpen laufen zyklisch: Sie werden zusammengezogen, wobei sie Luft in die Auslässe pumpen, und ausgefahren, wobei sie Luft von außen einsaugen. Dadurch können sie die Anlage nicht konstant mit Luft versorgen, sondern nur während des halben Arbeitszyklus. Das hat zwei Effekte zur Folge, die immer deutlicher werden, je mehr Pumpen gleichzeitig arbeiten: eine Schwankung des Luftstroms und Erschütterungen durch das ständige Hin und Her der Pumpenkolben.

Manche Konstrukteure haben eine Vorliebe für Riesenkompressoren mit acht oder mehr Pumpen, die von einem RC-Motor angetrieben werden (siehe Abbildung 10-1). Da RC-Motoren große, laute Stromfresser sind, ist dies jedoch nicht unbedingt die beste Lösung. Eine Alternative besteht darin, die Pumpen in Gruppen aufzuteilen, die abwechselnd arbeiten. Anstatt vier Pumpen gleichzeitig zu betreiben, können wir beispielsweise zwei Pumpen einfahren lassen, während die beiden andern ausgefahren werden. Am besten ist es, mehrere Pumpen zu haben, die gegenphasig arbeiten, da dies die Belastung des Kompressormotors und die Erschütterungen begrenzt. Um die Erschütterungen zu verringern, hilft es auch, die Enden der Pumpen so fest wie möglich abzustützen.

Abbildung 10-1: Ein Kompressor aus acht Pumpen, der von einem RC-Motor angetrieben wird. Was LEGO-Kompressoren angeht, ist diese Konstruktion ein echtes Monstrum!

Vielleicht fragst du dich, warum wir überhaupt so viele Pumpen verwenden. Nun, eine einzige Pumpe hat nur eine sehr geringe Kapazität und ist daher nicht sehr leistungsfähig. Um nur einen einzigen großen Pneumatikzylinder zu füllen, braucht sie eine ganze Weile. Wie schnell deine Pneumatikanlage läuft, hängt vom Volumen der Druckluft ab, mit der sie versorgt wird. Die logische Vorgehensweise besteht also darin, viele Pumpen zu verwenden. Die Faustregel lautet, dass für die brauchbare Druckluftversorgung einer Pneumatikanlage, in der ein oder zwei große Zylinder gleichzeitig arbeiten, mindestens zwei an einen M-Motor von Power Functions angeschlossene Pumpen erforderlich sind.

HINWEIS Alle Kompressorkonstruktionen in diesem Kapitel sind für Pumpen gedacht, die im ausgefahrenen Zustand 5,5 Noppen lang sind, nicht für die neueren 6-Noppen-Versionen. Diese lange Variante gibt es nur in einem einzigen Bausatz und ist daher ziemlich selten.

Die Abbildungen 10-2 bis 10-6 zeigen verschiedene Kompressorarten mit mehr als einer Pumpe.

Der Schwenkkompressor aus Abbildung 10-6 kann je nach Länge der Achsen 2 bis 18 Pumpen umfassen. Daher werden die Pumpen nicht wie bei anderen Kompressoren umlaufend, sondern hin-und herbewegt, was eine kompaktere Bauweise ermöglicht. Außerdem verfügt er über ein Getriebe mit vier verschiedenen Zahnradkombinationen (siehe Abbildung 10-7).

Abbildung 10-2: ein Kompressor mit zwei abwechselnd wirkenden Pumpen, an zwei Keilriemenscheiben angeschlossen. Die Konstruktion ist klein, aber es ist schwierig, sie um weitere Pumpen zu ergänzen. Bei diesem Kompressor weisen die Pumpen nur einen Phasenunterschied von 90° statt 180° auf, sodass die druckversorgung immer noch unregelmäßig erfolgt. Mit anderen Worten, wenn die eine Pumpe ganz eingefahren ist, ist die andere noch nicht völlig ausgefahren.

Abbildung 10-3: Dieser Kompressor kann zwei oder vier Pumpen enthalten und nutzt zwei zahnräder mit 36 Zähnen. Die relative Ausrichtung der Zahnräder zueinander wird durch zwei zahnräder mit 12 zähnen auf einer eigenen Achse beibehalten, die auch den antrieb überträgt. Es ist möglich, zwei oder mehr Kompressoren nebeneinander zu stellen und zu verbinden, um auf diese Weise die anzahl der Pumpen zu erhöhen.

Abbildung 10-4: Es ist auch durchaus möglich, die Pumpen in einem Kompressor in drei Gruppen aufzuteilen.

Abbildung 10-5: Die Pumpen in einem Kompressor können sogar auf vier Gruppen aufgeteilt werden, die sich jeweils an einem anderen Punkt im Arbeitszyklus befinden. Solche Konstruktionen sind jedoch erheblich komplizierter, während die dadurch erzielte verbesserung bei der Laufruhigkeit eher gering ist.

Abbildung 10-6: Schließlich haben wir hier den Schwenkkompressor. Die Pumpen werden zwar nicht bis zum Maximum ausgefahren, doch dafür kann diese Konstruktion bis zu 18 Gruppen in zwei abwechselnden Gruppen aufnehmen.

Abbildung 10-7: Die vier möglichen zahnradkombinationen für den Schwenkkompressor mit ihren Übersetzungsverhältnissen

Schwenkkompressor

Hier siehst du die vollständige Bauanleitung für eine einfache Konstruktion. Die blauen Achsen schränken die mögliche Anzahl der Pumpen ein. Wenn du sie jedoch eine Noppe länger machst, gewinnst du Platz für zwei weitere Pumpen. Der Deutlichkeit halber wird der Kompressor in dieser Anleitung ohne Pumpen gezeigt. Montiert werden sie auf den blauen Achsen.

Motorventile

Mit der Motorisierung eines Pneumatikventils verfolgen wir einen ganz einfachen Zweck, nämlich die Fernsteuerung. Ventile können ganz leicht an einen Motor angeschlossen werden, am besten über ein Zahnrad mit 24 Zähnen und Kupplung, was ein Abwürgen des Motors verhindert (siehe Abbildung 10-8). Wenn das Zahnrad das Ventil nicht mehr weiterbewegen kann, dreht sich stattdessen der graue Ring in seinem Inneren, was Beschädigungen am Motor und am Getriebe verhindert.

Der polnische Konstrukteur Maciej »dmac« Szymaski hat herausgefunden, dass sich bei der Verwendung eines regulären Zahnrads mit 24 Zähnen (also ohne Kupplung) ein selbst zentrierendes Motorventil ergibt, das beim Anhalten des Motors in seine Mittelstellung zurückkehrt und dadurch geschlossen wird (siehe Abbildung 10-9).

Abbildung 10-8: Eine einfache Möglichkeit zur Motorisierung eines Pneumatikventils besteht darin, ein zahnrad zu verwenden, das zum schutz des Motors über eine Kupplung verfügt.

Abbildung 10-9: Mit einem regulären Zahnrad anstelle eines mit Kupplung erhalten wir ein selbstzentrierendes ventil.

Beim Schalten von Pneumatikventilen kommt es häufig auf die Genauigkeit an. Den zuvor gezeigten Konstruktionen mangelt es an dieser Genauigkeit. Die Variante aus Abbildung 10-10 dagegen ermöglicht eine sehr feine Steuerung. Sie eignet sich zum Einfahren schwer belasteter Zylinder, wenn das Ventil nur nach und nach geöffnet werden darf, damit die Zylinder unter der Last nicht nachgeben.

Abbildung 10-10: Dieser Präzisionsmechanismus zum Schalten von Ventilen nutzt ein Schneckengetriebe und ein Zahnrad mit 40 Zähnen, um für Genauigkeit zu sorgen. Die rote Lagerbuchse auf dem Ventilhebel verringert das Spiel und stellt damit eine weitere Verbesserung dar. Beachte, dass diese Baugruppe keine Sicherheitskupplung enthält. Da der Mechanismus das Motordrehmoment um den Faktor 40 erhöht, besteht die Gefahr, Teile zu beschädigen, wenn der Motor nicht im richtigen Moment anhält. Um das Risiko zu verringern, kann zwischen Ventil und Motor eine Kupplung eingebaut werden.

Automatische Ventile

Ein automatisches Ventil kombiniert die Funktionen eines Motorventils und eines Kompressors. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, dass der Kompressor unabhängig von der Drehrichtung des Eingangs funktioniert. Daher können wir die Drehrichtung zur Steuerung des Ventils einsetzen. Nachdem das Ventil umgeschaltet ist, kann der Motor fortfahren, den Kompressor anzutreiben, solange es nötig ist.

Das Funktionsprinzip des automatischen Ventils basiert auf dem sogenannten gleitenden Schneckengetriebe, wie Abbildung 10-11 zeigt. Der Motor treibt den Kompressor über eine Achse an, auf der sich ein Schneckengetriebe befindet. Dieses Schneckengetriebe wiederum treibt eine von zwei identischen kurzen Achsen an, auf denen sich je ein Zahnrad mit 12 Zähnen und ein kurzer Balken (grün) befinden. Die Balken fungieren als Drücker: Jeder von ihnen kann den Ventilhebel in eine Richtung schieben und sich anschließend frei drehen. Verläuft der Antrieb aber in die entgegengesetzte Richtung, wird der Balken gegen den Hebel gedrückt, hält die zugehörige Achse an und sorgt dafür, dass das Schneckengetriebe von ihr weggleitet, bis es in das Zahnrad der anderen Achse eingreift. Daraufhin wird diese Achse angetrieben, auf der sich der andere Drücker befindet und das Ventil wieder umschaltet.

Abbildung 10-11: Bei einem automatischen Ventil werden mithilfe eines gleitenden Schneckengetriebes ein Kompressor und ein Pneumatikventil mit nur einem Motor gesteuert.

Ein Nachteil dieses automatischen Ventils ist die lange Umschaltzeit, die jedoch durch einen schnelleren Antrieb der Eingangsachse verbessert werden kann. Des Weiteren gibt es noch den Nachteil, dass pro Motor immer nur ein Ventil und ein Kompressor angeschlossen werden können. Allerdings kann der Kompressor mit einer beliebigen Pneumatikanlage verbunden sein, in denen weitere Ventile getrennt davon gesteuert werden (siehe Abbildung 10-12).

Um das automatische Ventil in Aktion beobachten zu können, schau dir http://www.youtube.com/watch?v=OsDJ4iTs-P8 an.

Abbildung 10-12: Für ein automatisches ventil lassen sich beide Arten von Pneumatikventilen verwenden (im Bild ist der alte Typ zu sehen). Es kann auch jeder Kompressor genutzt werden – das Ein-Pumpen-Modell in dieser Abbildung dient nur als Beispiel.

Motorventil

Automatisches Ventil

Automatischer Druckschalter

Ein Motorkompressor in der pneumatischen Anlage löst nicht unbedingt alle Probleme mit dem Luftdruck. Bei kompliziert aufgebauten Pneumatikanlagen mit vielen abwechselnd arbeitenden Zylindern können in einem Augenblick an allen Stellen große Mengen an Druckluft erforderlich sein und im nächsten Augenblick gar keine. Um eine ausreichende Menge an Druckluft in die Anlage zu leiten, kannst du zwar entsprechend schnelle oder große Kompressoren bauen, allerdings ist es ziemlich mühselig, sie ständig ein-und auszuschalten.

Die Lösung besteht darin, einen Druckschalter oder Druckbegrenzer zu verwenden. Dazu brauchen wir lediglich einen PF-Schalter, einen kleinen Pneumatikzylinder und ein Gummiband.

Wie funktioniert ein Druckschalter? Abbildung 10-13 zeigt, wie der Schalter den Kompressormotor mit der Stromquelle verbindet. Der untere Anschluss des Zylinders ist an die Pneumatikanlage angeschlossen, der obere bleibt offen. Ein Gummiband ist um den Zylinder gelegt und hält ihn in eingefahrenem Zustand. Wenn der Druck in der Pneumatikanlage hoch genug ist, kann der Zylinder den Widerstand des Gummibands überwinden und ausfahren. Sinkt der Druck, wird der Zylinder von dem Band wieder zusammengezogen. Wenn wir den Zylinder also an den PF-Schalter anschließen, kann dieser Schalter den Motor des Kompressors steuern und ihn bei niedrigem Druck automatisch einschalten und bei ausreichendem Druck wieder ausschalten. Ein solcher Mechanismus wird am besten in Verbindung mit einem Lufttank verwendet, um diesen bei Bedarf zu füllen.

Abbildung 10-13: Der Druckschalter aus der Nähe. Damit er beim gewünschten Druckschwellenwert aktiviert wird, ist eine Justierung erforderlich. Zur Feineinstellung können die Stärke des Gummibands, der Winkel zwischen Zylinder und Hebel und die Hebellänge geändert werden. Auch die alten 9-V-Schalter, die weniger Widerstand bieten, können verwendet werden. Es lassen sich auch mehrere Zylinder einsetzen. Ebenso ist es möglich, große Zylinder zu nutzen. Allerdings sind sie aufgrund ihrer höheren Kapazität weniger empfindlich und eignen sich daher nicht so gut für Anlagen, die schnell auf kleine änderungen des Luftdrucks reagieren müssen.

Der Druckschalter funktioniert am besten, wenn er nah bei einem Lufttank eingebaut wird, der wiederum eng mit dem Kompressor verbunden sein sollte (siehe Abbildung 10-14). Einige Konstrukteure bauen komplette Module, in denen Motorkompressor, Lufttank und Druckschalter kombiniert sind. Ich nutze lieber elastische Elemente – also Kabel und Schläuche –, um die Position dieser Elemente freier festlegen zu können. Ein Modul hat feste Abmessungen, während separate Elemente, die nur über Kabel und Schläuche verbunden sind, bei beschränkten Platzverhältnissen auf unterschiedliche Weise eingepasst werden können. Dadurch sind weniger umfangreiche und kreativere Gehäusekonstruktionen möglich.

Abbildung 10-14: Der allgemeine Aufbau eines Druckschalters und seine Verbindung zu den anderen Teilen einer pneumatischen Anlage. Schwarze Linien stehen für Elektrokabel, blaue Linien für mechanische Verbindungen und grüne Linien für Pneumatikschläuche.

Wenn du einen sauber gebauten und justierten Druckschalter hast, musst du dich nur noch um die Pneumatikventile kümmern, denn der Kompressor läuft dann automatisch, und der Druck im Lufttank bleibt ständig gleich. Es gibt keine besondere Stelle, an der die Kombination aus Schalter, Lufttank und Kompressor an den Rest der pneumatischen Anlage angeschlossen werden muss. Die Verbindung kann zwischen Kompressor und Tank, zwischen Tank und Druckschalter, hinter dem Tank (wie in Abbildung 10-13) oder hinter dem Schalter erfolgen. Die Funktionsweise ist in jedem Fall gleich. Um die Wirkung des Schalters und den Luftdruck zu beobachten, kannst du auch ein LEGO-Manometer einbauen.

Pneumatikmotoren

Pneumatikzylinder funktionieren ähnlich wie die Kolben in einem Verbrennungsmotor. Dadurch können wir einen Druckluftmotor bauen, bei dem die Zylinder eine Kurbelwelle antreiben. Ein solcher LEGO-Pneumatikmotor wird durch die Druckluft angetrieben, die in die Zylinder geleitet wird. Pneumatikmotoren bieten die Vorteile einer guten Leistung, einer starken Ähnlichkeit mit Verbrennungsmotoren und auch eines ähnlichen Klangs. Tatsächlich sind sie ziemlich laut und hören sich im Gegensatz zu Elektromotoren ähnlich an wie Automotoren. Was Bastler an diesen Motoren fasziniert, ist ihre Vielschichtigkeit, die nahezu endlos viele Möglichkeiten für Verbesserungen eröffnet. Diese Vielschichtigkeit kann jedoch auch eine ziemliche Herausforderung beim Bauen darstellen. Zu den Nachteilen von Pneumatikmotoren gehören ihre Größe und der Umstand, dass sie ständig mit einem Kompressor verbunden sein müssen. Außerdem funktionieren sie nur in einer Richtung und werden aufgrund der Reibung der vielen beweglichen Teile sowie aufgrund der Luftverdichtung in den Zylindern warm.

Das Funktionsprinzip von Pneumatikmotoren ist einfach: Der Zylinder ist über eine Nockenscheibe mit einer Welle verbunden, die er beim Ausfahren um eine halbe Umdrehung bewegt und beim Einfahren um die andere Hälfte der Umdrehung (siehe Abbildungen 10-15 und 10-16). Die Welle ist über eine zweite Nockenscheibe mit einem Ventil verbunden, das den Zylinder ständig zwischen Aus-und Einfahrbewegung umschaltet, um so einen vollständigen Arbeitszyklus hervorzurufen. Dieser Arbeitszyklus läuft wie folgt ab: Der Zylinder wird bis zum Maximum ausgefahren, das Ventil schaltet um, der Zylinder wird komplett eingefahren, das Ventil schaltet wieder um usw.

Das Problem dabei besteht darin, dass sowohl der Zylinder als auch das Ventil Totpunkte aufweisen, bei denen sie anhalten können (siehe Abbildung 10-17). Beim Zylinder ist das der Punkt, an dem er vollständig aus-oder eingefahren ist, und beim Ventil der Punkt, an dem es die Neutralstellung durchläuft und keine Luft hindurchströmt. Bei einem Motor mit nur einem Zylinder und einem Ventil fallen diese Totpunkte zusammen, sodass der Motor nach einer halben Umdrehung anhält. Das lässt sich durch die Anbringung eines schweren Schwungrads und eines umgebauten Ventils verhindern.

Unter erfahrenen Konstrukteuren von LEGO-Pneumatikmotoren ist es durchaus üblich, LEGO-Bauteile zu verändern. Die besten Pneumatikmotoren solcher Bastler sind E-Motoren von LEGO sowohl bei der Drehzahl als auch beim Drehmoment überlegen. Das hat allerdings seinen Preis. Bei solchen Motoren werden die Zylinderanschlüsse häufig aufgebohrt, um den Durchsatz zu steigern.

Abbildung 10-15: Eine einfache Möglichkeit zur Verbindung des Zylinders an die Welle bietet eine Nockenscheibe, die aus einem kurzen Balken besteht. hierbei kann der Zylinder jedoch nur um drei Noppenlängen ausgefahren werden, obwohl er eine maximale Auslenkung von vier Noppenlängen hat.

Abbildung 10-16: Um den Zylinder komplett ausfahren zu können, müssen wir ihn so montieren, dass seine Spitze 1,5 Noppen von der Welle entfernt ist. Das ist mit einer Technic-Nockenscheibe möglich.

Abbildung 10-17: Eine einfache Kombination aus einem Zylinder und einem Ventil. Die eine Verbindung besteht aus Technic-Nockenscheiben, die die Zylinderbewegung in Form einer Drehung der Kurbelwelle umsetzt, die zweite aus einer Keilriemenscheibe, über die die Drehung der Kurbelwelle übertragen wird, um das Ventil hin-und herzuschalten. In dieser Abbildung befinden sich sowohl der Zylinder als auch das Ventil am Totpunkt.

Das Innenleben der Ventile wird aufgeschnitten, um den Schaltwiderstand zu verringern, und viele der beweglichen Teile, unter anderem die Zylinder und die Nockenwellen, werden geschmiert. Röhrchen mit Klammern aus realen technischen Anwendungen ersetzen die LEGO-Schläuche und werden manchmal sogar an die Anschlüsse angeklebt. Außerdem werden solche Motoren häufig durch Kompressoren angetrieben, die nicht von LEGO stammen, z. B. durch Kompressoren für Autoreifen. LEGO-Pneumatikelemente sind nicht für schnelle Bewegungen ausgelegt. Die vielen beweglichen Teile eines Pneumatikmotors rufen daher sehr viel Reibung hervor, was für manche Bastler Modifikationen rechtfertigt.

Kehren wir aber wieder zu unserem Ein-Zylinder-Motor zurück. Mit einem umgebauten Ventil und einem Schwungrad können wir ihn zum Funktionieren bringen. Das Schwungrad sorgt dabei für den erforderlichen Schwung, um den Motor über die Totpunkte zu bekommen, und das Ventil weist einen geringeren Widerstand auf, sodass es nicht so leicht an seinem Totpunkt anhält (siehe Abbildung 10-18). Um einen solchen Motor zu starten, wird das Schwungrad manuell gedreht. Danach aber läuft er, solange er in ausreichendem Maße mit hohem Luftdruck versorgt wird.

Abbildung 10-18: Hier ist an den Motor aus Abbildung 10-17 ein Schwungrad angebaut worden, damit er die zusammenfallenden Totpunkte überwinden kann. Es ist ein bisschen knifflig, einen solchen Motor zu starten, aber wenn er erst einmal läuft, funktioniert er problemlos.

Ein-Zylinder-Motor

Dies ist die Bauanleitung für den Motor aus Abbildung 10-18. Wie bei allen Anleitungen für Motoren in diesem Kapitel sind auch hier die Zylinder und Schläuche der Übersichtlichkeit halber weggelassen worden. Die Platzierung des Zylinders und den Anschluss der Schläuche kannst du dem Foto entnehmen. Motoren wie dieser funktionieren am besten, wenn ihnen kontinuierlich ein großes Volumen von Druckluft zugeführt wird. Mit einem LEGO-Kompressor lassen sie sich nur schwer antreiben.

Motoren mit zwei, vier, sechs oder mehr Zylindern lassen sich auf folgende Weise bauen: Die Zylinder werden in zwei Gruppen aufgeteilt, wobei jede davon mit einem Ventil verbunden ist. Unabhängig von der Anzahl der Zylinder verfügen solche Motoren also über zwei Ventile. Es ist immer eine Gruppe von Zylindern dabei, sich zusammenzuziehen, während die andere ausfährt. Die Gruppen müssen so angeordnet werden, dass sich niemals zwei Zylinder derselben Gruppe nebeneinander befinden. Alle Zylinder werden mit einer gemeinsamen Nockenwelle verbunden, wobei die einzelnen Nocken jedoch jeweils um 90° zu den benachbarten gedreht sind (siehe Abbildung 10-19). Dadurch wird die Überlappung der Zylindertotpunkte verringert. Schließlich wird jedes Ventil mit dem Ende der Nockenwelle verbunden, das der am anderen Ventil angeschlossenen Zylindergruppe am nächsten liegt (siehe Abbildung 10-20). Dadurch wird verhindert, dass die Totpunkte des Ventils und der damit verbundenen Zylinder zusammenfallen.

Abbildung 10-19: Ein Zwei-Zylinder-Motor, der nach den beschriebenen Regeln gebaut wurde. Die farbigen Punkte markieren die verbundenen Anschlüsse. Beachte die Stellung der Nocken. Der Motor kann ohne äußere Hilfe starten und läuft relativ ruhig. Das hellbraune Zahnrad überträgt den Antrieb vom Motor. Diesem Motor können noch weitere Zylinder hinzugefügt werden. Am ruhigsten läuft er mit vier Zylindern, deren Nocken jeweils um 90° gegenüber der nächsten gedreht sind.

Abbildung 10-20: Schematische Darstellung eines Pneumatikmotors mit vier Zylindern. Die Zylinder treiben alle dieselbe Nockenwelle an und sind in zwei Gruppen aufgeteilt (grün und blau), die jeweils mit einem eigenen Ventil verbunden sind. Die Ventile sind an die Seite der Nockenwelle angeschlossen, die der anderen Gruppe am nächsten liegt.

Zwei-Zylinder-Pneumatikmotor

Je mehr Zylinder wir hinzufügen, umso ruhiger läuft der Motor im Allgemeinen. Die optimale Leistung erhalten wir bei mindestens vier Zylindern, deren Nocken jeweils um 90° gegenüber der nächsten gedreht sind (siehe Abbildung 10-21). Wenn wir noch mehr Zylinder hinzufügen, ergibt sich eine höhere Gesamtkapazität des Motors, die jedoch den Treibstoffverbrauch steigert. Die Kapazität von LEGO-Kompressoren ist im Vergleich mit der Kapazität solcher Motoren armselig. Es ist außerdem nicht möglich, die Motorkapazität durch die Verwendung von Lufttanks zu steigern, da der Motor eine ständige Versorgung mit Luft unter gleichbleibendem Druck braucht, der Tank jedoch nur einen einzigen, kurzen Stoß von Luft unter Hochdruck liefert. Natürlich ist es auch möglich, einen Motor mit eigenen Ventilen für jeden einzelnen Zylinder zu bauen. Manche Bastler tun dies, damit der Motor ruhiger läuft, allerdings wird der Motor dadurch viel komplizierter.

Zu beachten ist außerdem, dass die Nocken ziemlich zerbrechlich sind, wenn die Kraft der Zylinder direkt auf sie übertragen wird. Dieses Problem lässt sich durch die Verwendung von Pleueln vermeiden. Diese Elemente bewegen sich mit der Spitze der Zylinder und übertragen diese Bewegung auf die Nocken (siehe Abbildung 10-22). Die Zylinderspitze kann sich dadurch auch in gerader Linie bewegen, wodurch die Kraft besser verteilt wird und die Nocken weniger stark belastet werden. Pleuel erhöhen auch den Wirkungsgrad, da die Kraft der Zylinder nicht auf die seitliche Neigung verschwendet wird. Stattdessen wird die gesamte Kraft auf die Nocken übertragen. Wenn die Zylinder ihre Stellung nicht verändern, können sie auch dichter angeordnet werden. Pleuel erfreuen sich in komplizierten Motoren – vor allem in V-Motoren – großer Beliebtheit, da sie eine robustere Konstruktion ermöglichen.

Abbildung 10-21: Eine »optimale Kurbelwelle« mit vier Nocken, die jeweils um 90° gegenüber der nächsten gedreht sind, sorgt für den ruhigsten lauf, der bei Pneumatikmotoren möglich ist.

Abbildung 10-22: Ein Zwei-Zylinder-Motor mit Pleueln. Die farbigen Punkte markieren die verbundenen Anschlüsse. Die Pleuel sind an den roten Elementen befestigt, die sich auf den beiden hellgrauen Achsen bewegen. Sie sorgen dafür, dass sich der Zylinder in gerader Linie bewegen kann, und übertragen diese Bewegung auf die Nocken (blau). Die Auslenkung der Zylinder ist hier auf drei statt vier Noppenlängen beschränkt, aber dadurch können die Pleuel auch zur Steuerung der Ventile genutzt werden.

Zwei-Zylinder-Motor mit Pleueln

Bei V-Motoren sind die Zylinder in zwei Ebenen angeordnet, die, entlang der Achse der gemeinsamen Nockenwelle betrachtet, ein V bilden. Für den Bau solcher Motoren gibt es zwei Möglichkeiten. In beiden Fällen ist es erforderlich, zwei identische Module mit einer Reihe von Zylindern zu bauen und diese Module dann im richtigen Winkel zu verbinden. Bei der ersten Methode hat jedes Modul seine eigene Kurbelwelle, die dann über Zahnräder mit einer zentrale Welle verbunden werden. Die zweite Methode besteht darin, eine gemeinsame Kurbelwelle für beide Module zu verwenden und jeweils zwei Zylinder an einen Nockenstift anzuschließen. Damit die Module (wie in echten Motoren) einander genau gegenüberliegen, müssen wir zur Verbindung mit den Nocken dünne Balken (eine halbe Noppe dick) als Pleuel verwenden, anstatt auf die eine Noppe dicken Zylinderspitzen zurückzugreifen (siehe Abbildung 10-23).

Es gibt eine Menge von Konstruktionsweisen für Pneumatikmotoren, darunter V-und Boxer-und sogar Radialkolbenmotoren. Auf dem YouTube-Kanal http://www.youtube.com/user/DrDudeNL/ von Dr. Dude werden viele einfallsreiche Varianten ausführlich vorgestellt. Dr. Dude, ein holländischer Bastler, ist seit mehr als 30 Jahren ein Fan von LEGO Technic und vor allem von großen Technic-Automodellen.

Abbildung 10-23: Die beiden Zylinder sind links direkt mit der Nocke verbunden und rechts mithilfe von Pleueln. Dank der Pleuel ist es möglich, die Zylinder genau gegenüber anzuordnen, während sie bei der direkten Verbindung um eine Noppe gegeneinander versetzt sind.

Vorzeigeprojekte

Viele LEGO-Konstrukteure bringen eindrucksvolle Pneumatikmotoren hervor, aber der unangefochtene Meister auf diesem Gebiet ist Alex »Nicjasno« Zorko. Er baut große und schwere Sportwagenmodelle, für die sich LEGO-Motoren jedoch als zu schwach erwiesen. Daher hat er unglaublich anspruchsvolle Motoren entwickelt, darunter sowohl »einfache« Reihenmotoren, aber auch einen V6 mit Drehzahlen von über 2000 U/min und einen V8, mit dem sogar ein sehr schweres Modell angetrieben werden kann (siehe Abbildung 10-24). Alex führt seine Modelle unter http://nicjasno.com/ vor und verkauft seine Motoren unter http://lpepower.com/.

Abbildung 10-24: Der V8-Motor von Alex »Nicjasno« Zorko

Eine funktionierende Wasserdruckpumpe

Normalerweise solltest du Flüssigkeiten von LEGO-Technic-Konstruktionen fernhalten. Es ist jedoch möglich, eine Pneumatikpumpe zu bauen, die Wasser fördert, ohne dass empfindliche Bauteile in Kontakt mit der Flüssigkeit kommen. In dieser Pumpe wird Wasser durch Druckluft bewegt, sodass sie beispielsweise in einem LEGO-Modell eines Löschwagens ziemlich sicher und einfach eingesetzt werden kann.

Für die Wasserpumpe brauchen wir einen luftdichten Behälter, der mit Wasser gefüllt ist und in den Druckluft geleitet wird. Behälter aus LEGO-Elementen sind nicht so gut geeignet. Eine bessere Möglichkeit bietet eine kleine Flasche mit Metall-oder Kunststoffdeckel.

Die Pumpe funktioniert nach dem Prinzip, dass wir Luft in einen geschlossenen, mit Wasser gefüllten Behälter leiten und dadurch das Wasser verdrängen. Daher muss der Behälter über einen Lufteinlass und einen Wasserauslass verfügen. Der Einlass kann an beliebiger Stelle des Behälters angebracht sein, der Auslass dagegen sollte sich am Boden befinden, damit er so lange wie möglich von Wasser bedeckt ist.

Abbildung 10-25: Eine kleine Plastikflasche mit Metalldeckel eignet sich sehr gut als Wasserbehälter. Der dunkelgraue, elastische schlauch lässt Luft ein, durch den blauen, starren tritt das Wasser aus. (diesen schlauch kannst du erweitern, indem du an einem ende einen weiteren elastischen schlauch anschließt.) der deckel wurde an zwei stellen eingestochen, um die schläuche durchzuführen, und dann mit Knetmasse (rot) abgedichtet.

Wie in Abbildung 10-25 gezeigt, können wir dazu zwei Löcher in den Deckel bohren und zwei Schläuche hindurchführen. Der eine (dunkelgrau) dient als Lufteinlass und kann unmittelbar unter dem Deckel enden. Es macht jedoch nichts aus, wenn er tiefer in die Flasche hineinragt. Der andere Schlauch (blau) dient als Wasserauslass und sollte bis zum Boden reichen. Außerdem ist es sinnvoll, hierzu eine steife Leitung zu verwenden, die nicht auf dem Wasser schwimmt, beispielsweise einen starren LEGO-Schlauch oder einen Strohhalm. Am schwierigsten ist es, den Deckel mit den hindurchgeführten Schläuchen abzudichten. Das kannst du mit Knetgummi, Gummilösung oder geschmolzenem Kerzenwachs erreichen. Wenn du dann den ersten Schlauch an einen Kompressor anschließt, spritzt das Wasser aus dem anderen. Da sich Wasser weit weniger gut komprimieren lässt als Luft, ist ein sehr hoher Luftdruck erforderlich, damit es wirklich gut spritzt. Um die Pumpe leistungsfähiger zu machen, kannst du die Luftzufuhr beschleunigen und den Auslassschlauch enger machen. Es ist auch möglich, einen Tank voll Druckluft über ein Pneumatikventil an den ersten Schlauch anzuschließen. Wenn du das Ventil öffnest, wird der Tank im Nu in die Flasche entleert. Achte darauf, dass das Wasser nicht in die Nähe elektrischer Bauteile in deiner Konstruktion gelangt!

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Robuste Konstruktionen

Es gab eine Zeit, in der Technic-Bausteine ausreichten, um fast jeden motorisierten Mechanismus zu stützen und zusammenzuhalten. Schließlich führte LEGO jedoch stärkere Motoren ein, deren Drehmoment ausreichte, um selbst Technic-Steinverbindungen zu lösen. Mehr Drehmoment zur Verfügung zu haben, bietet nur Vorteile – bis auf eine Ausnahme: Wir brauchen eine strukturelle Verstärkung durch zusätzliche Bauteile, deren Hauptzweck darin besteht, die anderen zusammenzuhalten (siehe Abbildung 11-1). Ein korrekt verstärkter Mechanismus bleibt unabhängig von der Stärke des Motors und der Last auf dem Ausgang intakt, selbst wenn die Last ausreicht, um den Motor anzuhalten.

In diesem Kapitel sehen wir uns an, an welchen Stellen einer Struktur Verstärkungen von entscheidender Bedeutung sind, wie sich robuste und schwache LEGO-Elemente unterscheiden lassen und wie wir Gehäuse, Fahrwerke, Rahmen und Fachwerke bauen können, um unsere Modelle zu verstärken.

Abbildung 11-1: Die beiden roten Balken halten die gelben Technic-steine zusammen. Ohne diese Balken würde der leistungsstarke XL-Motor von Power Functions den unteren stein wegschieben, sobald er zu laufen beginnt.

Ursachen für das Auseinanderbrechen

Um herauszufinden, wo und wie wir unsere Strukturen verstärken können, müssen wir zunächst wissen, warum sie überhaupt auseinanderbrechen. Wenn wir einen Mechanismus in eine Struktur einbauen, verfügt er über einen Eingang, einen Ausgang und über Befestigungspunkte an der Struktur. Meistens sind dies Achsen mit Zahnrädern, die durch die Stiftlöcher der Struktur geführt werden, wie Abbildung 11-2 zeigt. Läuft ein Mechanismus, so treten Lasten auf, die den Ausgang belasten und durch die Kraft überwunden werden müssen, die auf den Eingang ausgeübt wird. Bei einem Antriebsstrang muss der Motor, der den Eingang antreibt, beispielsweise die Last überwinden, die auf die Räder ausgeübt wird, nämlich den Rollwiderstand und die Reibung. Das bedeutet, dass in einem Mechanismus im Grunde genommen zwei Kräfte auftreten, von denen die eine auf den Eingang und die andere auf den Ausgang angewendet wird. Diese beiden Kräfte wirken gegeneinander, das heißt, der Ausgang setzt dem Eingang Widerstand entgegen.

Abbildung 11-2: Ein Beispiel für einen Mechanismus, bei dem ein Motor ein Rad antreibt. Der Mechanismus besteht aus sechs Zahnrädern, die in drei Paaren auf vier Achsen angeordnet sind, und ist in einem Gehäuse aus Technic-Steinen untergebracht, die durch Platten zusammengehalten werden.

Das wiederum führt zu einer Belastung, die sich auf alle Bauteile zwischen Eingang und Ausgang auswirkt.

Stell dir diesen Mechanismus als eine Kette vor, bei der Eingang und Ausgang das erste und das letzte Glied darstellen. Die ursprünglich auf den Eingang (das erste Glied) angewandte Kraft wird über die Kette übertragen, bis sie das Glied mit dem geringsten Widerstand erreicht. Ist die Struktur rund um den Mechanismus robust, weisen alle Glieder einen höheren Widerstand auf als der Ausgang des Mechanismus (das letzte Glied der Kette). Der Mechanismus funktioniert dann wie vorgesehen, das heißt, nur der Ausgang reagiert auf den Eingang. Weist aber irgendein vorheriges Glied der Kette einen geringeren Widerstand auf als der Ausgang, so wird es aus seiner Position verschoben und vom nächsten Glied getrennt. Dadurch bricht die Kette, sodass der Mechanismus nicht funktioniert.

Schwache Glieder finden

Suchen wir also nach den schwachen Gliedern in unserer Kette. In dem Beispiel aus Abbildung 11-2 ist der Motor mit einer Achse verbunden, die Achse mit einem Zahnrad von 8 Zähnen, dieses Zahnrad wiederum mit einem von 24 Zähnen usw., bis der Ausgang und damit das Rad erreicht ist.

Die meisten Achspaare (und anderen Verbindungen) in dieser Kette sind innerhalb eines einzigen LEGO-Steins untergebracht. Die Verbindung, die in Abbildung 11-3 durch rote Pfeile markiert ist, umfasst jedoch zwei 2x4-Technic-Steine und kann daher unter Last auseinanderbrechen (siehe Abbildung 11-4). Wenn du überlegst, wo du dein Modell verstärken solltest, musst du nach den Nahtstellen Ausschau halten, die unter Last nachgeben können.

Ein Zahnradpaar zur Übersetzung (das Antriebsrad ist größer als das angetriebene) bricht auch eher auseinander als ein Untersetzungspaar (bei dem das Antriebsrad kleiner ist als das angetriebene). Bei der Übersetzung wird mehr Kraft auf das angetriebene Rad ausgeübt, sodass ein solches Zahnradpaar einen guten Kandidaten für eine Verstärkung darstellt.

Abbildung 11-5 zeigt eine offensichtliche Möglichkeit zur Verstärkung unseres Beispielmechanismus. Dabei ersetzen wir die beiden Paare aus 1x4-Steinen einfach durch zwei 1x8-Steine. Die schwache Nahtstelle ist dadurch verschwunden, alle Glieder in der Kette sind haltbar, und wir brauchen die Platten nicht mehr zu verwenden. Außerdem macht diese Lösung die Konstruktion auch nicht schwerer und erfordert auch nicht mehr Platz. Der Nachteil besteht jedoch darin, dass die Verwendung langer, durchgehender Steine einen starken Eingriff in die Konstruktion bedeutet. Auf diese Weise zu bauen verschlingt viel Zeit und ist bei komplizierten Getrieben auch ziemlich schwierig, da sie alle Elemente auf einmal platzieren müssen.

Die Abbildungen 11-6 und 11-7 zeigen andere Möglichkeiten zur Verstärkung unseres Mechanismus, nämlich durch die Ergänzung um Balken. Dadurch wird der Mechanismus schwerer und nimmt mehr Platz ein, aber es sind nur minimale Änderungen an der ursprünglichen Struktur nötig. Strukturen wie diejenige aus Abbildung 11-7 haben den Nachteil einer erhöhten Reibung, da die gelben Steine teilweise von den Achsen getragen werden. Der Aufbau kompakter Mechanismen hat seinen Preis.

Abbildung 11-3: Die Schwachstelle in dem Mechanismus aus Abbildung 13.2 ist hier durch rote Pfeile markiert. Die beiden Steine werden nur durch die Klammerkraft der beiden 1x8-Platten (gelb) zusammengehalten und können daher leicht auseinanderbrechen.

Abbildung 11-4: Ohne Verstärkung bricht die Struktur an der Schwachstelle. Die roten Zahnräder greifen nicht mehr ineinander, sodass der Mechanismus versagt.

Zu verstärkende Stellen

Wohin ein belastetes Zahnrad gedrückt wird, hängt von einer Platzierung und der Drehrichtung ab. Wenn ein Zahnrad ein anderes antreibt, das ihm Widerstand entgegensetzt, drückt es gegen das angetriebene Rad, das wiederum zurückdrückt. Dieses Prinzip kennst du wahrscheinlich noch aus dem Physikunterricht. Es ist ein Beispiel für Newtons Gesetz von Aktion und Reaktion, nach dem Kräfte jeweils paarweise in gleicher Stärke und entgegengesetzter Richtung auftreten. In Abbildung 11-8 befindet sich das Antriebsrad oben und dreht sich im Uhrzeigersinn (schwarzer Pfeil). Das angetriebene Rad liegt unten und wird gleichzeitig nach unten und zur Seite gedrückt (wie die blauen Pfeile angeben).

Abbildung 11-5: Die beiden Paare aus 1x4-Steinen der ursprünglichen Struktur wurden hier durch zwei einzelne, durchgehende 1x8-Steine ersetzt.

Abbildung 11-6: Senkrechte Balken (rot) bilden eine beliebte Vorrichtung für Verstärkungen.

Abbildung 11-7: Wenn der Platz in der Senkrechten begrenzt ist, können manchmal auch horizontale Balken (rot) verwendet werden. In diesem Fall müssen wir dazu einige längere achsen verwenden und den Motor um eine Noppe von den steinen entfernen. Um eine starre Konstruktion zu erzielen, wird jeder stein an zwei stellen mit den Balken verbunden.

Abbildung 11-8: Die Richtung der Kräfte (blau), die ein Antriebsrad (oben) auf das angetriebene Rad (unten) ausübt.

Wenn es nichts gäbe, was die Steine in Abbildung 11-8 zusammenhält, würde das angetriebene Rad nach unten und links gedrückt werden. Der Schlüssel zur richtigen Verstärkung besteht darin, die Verschiebung in beide Richtungen zu beschränken. Teile, die sich nicht voneinander lösen können, sind immer noch in der Lage, sich zu drehen und die Position und Ausrichtung wichtiger Elemente des Antriebsstrangs zu ändern.

Das gilt auch, wenn zwei Zahnräder in einem anderen Winkel ineinandergreifen, wie Abbildung 11-9 zeigt. Die Zahnräder in dieser Abbildung können sich nicht voneinander trennen, da ihre Achsen durch denselben L-Balken laufen.

Abbildung 11-9: Die Kraft auf das angetriebene Zahnrad ist nach unten und zur Seite des Antriebsrades gerichtet.

Richtige Vorgehensweise zur Verstärkung

Da wir nun wissen, wie wir die Schwachstellen in unseren Mechanismen finden wollen, wollen wir uns einige Beispiele für die Verstärkung ansehen. Die Abbildungen 11-10 bis 11-14 zeigen jeweils Beispiele für eine falsche und eine richtige Art der Verstärkung.

Wie du siehst, kommt es bei der Verstärkung von Zahnrädern darauf an, die Achsen sicher zu unterstützen. Da Achsen lang sein und sich verbiegen können, gibt es dabei zwei Regeln zu beachten:

Die Achse muss an mindestens zwei Punkten unterstützt werden.

Die Achse sollte so nah wie möglich an den Zahnrädern unterstützt werden, vorzugsweise an beiden Seiten der Räder.

Abbildung 11-15 veranschaulicht die erste Regel, Abbildung 11-16 die zweite. Achsen sind weniger starr als Balken und Steine. Sie können sich biegen, verdrehen und bei ausreichend hoher Last sogar durch die Zahnräder rutschen.

Abbildung 11-10: Um eine starre Verbindung zu bauen, reicht es nicht aus, ein Ende der Steine zusammenzuhalten. Beide enden müssen verstärkt werden.

Abbildung 11-11: Es ist möglich, die Anzahl der Verstärkungselemente zu verringern, indem man sie über die ineinandergreifenden Zahnräder legt, anstatt sie paarweise daneben anzuordnen.

Abbildung 11-12: Der L-förmige Balken allein reicht nicht aus, um eine starre Verbindung zu erzielen, da er nur an einem Punkt am oberen Stein befestigt ist.

Abbildung 11-13: Balken mit nur einem Befestigungspunkt an den benachbarten Steinen ergeben keine starre Verbindung. Es sind mindestens zwei Befestigungspunkte für jeden Stein erforderlich.

Abbildung 11-14: Platten können bei der Konstruktion starrer Verbindungen hilfreich sein. Nutze sie als Abstandshalter zwischen den Verbindungspunkten zweier Steine, um Schwingungen der Steine zu verhindern.

Abbildung 11-15: Beide Enden der Achsen müssen verstärkt werden, um zu verhindern, dass sich die Zahnräder auf ihnen voneinander lösen.

Abbildung 11-16: Wenn auf den Achsen neben den Zahnrädern Platz verbleibt, ist es möglich, dass die Räder verrutschen oder sich die Achse durchbiegt. Dieser freie Platz sollte für eine verstärkung genutzt werden.

Abbildung 11-17 zeigt eine dauerhaft verdrillte Achse. Je länger die Achse, umso schneller kann sie verdrillt werden. Daher ist es immer eine gute Idee, eine einzelne lange Achse durch mehrere kürzere zu ersetzen und sie mit Achsverbindern zusammenzuschließen. Außerdem solltest du Getriebe mit einer erheblichen Untersetzung möglichst nah am Ausgang platzieren, damit nur ein kleiner Teil des Antriebsstrangs einem hohen Drehmoment unterworfen wird.

Die Verstärkung senkrecht aufeinanderstehender Kegelräder ist schwieriger, da die Räder selbst bei einer winzigen Verschiebung in der Struktur nicht mehr ineinandergreifen. Das liegt daran, dass die Zähne nur eine kleine Kontaktfläche haben. Wir müssen dafür sorgen, dass die Zahnräder fest an Ort und Stelle gehalten werden. Es gibt eine Reihe von sowohl noppenlosen als auch noppenbewehrten LEGO-Elementen, die eigens zur Verstärkung senkrecht aufeinanderstehender Zahnräder gedacht sind (siehe die Abbildungen 11-18 bis 11-20).

Abbildung 11-17: Achsen sind viel elastischer, als es den Anschein hat. diese wurde von einem PF-XL-Motor unwiderruflich verdreht.

Wenn du diese LEGO-Sonderelemente nicht zur Verfügung hast, kannst du zur Verstärkung von senkrecht aufeinanderstehenden Zahnrädern auch Standardbausteine verwenden. Die Abbildungen 11-21 und 11-22 zeigen Beispiele dafür, wie das sowohl mit noppenbewehrten als auch mit noppenlosen Teilen geht.

Weitere Regeln zur Verstärkung

Es gibt noch einige weitere Regeln zur Verstärkung, die du dir merken solltest:

Die beste Verstärkung ist diejenige, die mit einem Minimum an Aufwand daherkommt. Zusätzliche Teile erhöhen das Gewicht und nehmen Platz ein.

Wenn sich Teile an einer Nahtstelle oder einem Gelenk trennen können, werden sie das irgendwann auch tun – und zwar gewöhnlich dann, wenn du es am wenigsten erwartest. (Und laut Murphys Gesetz befindet sich diese Stelle dann ganz tief in deinem Modell, wo du sie nicht reparieren kannst!)

Eine echte Verstärkung gibt nicht nach, solange die Teile nicht brechen.

Denke beim Bauen auch ans Zerlegen. Eine Verstärkung, die du nur auseinanderbauen kannst, indem du sie zersägst, kostet dich Bausteine.

Die letzte Regel ist nicht weniger wichtig als die vorhergehenden. Es ist gar nicht so schwer, LEGO-Steine auf eine Weise zusammenzubauen, bei der sich die resultierende Struktur nur noch durch Zersägen einzelner Teile wieder zerlegen lässt.

Abbildung 11-18: leGOBauteile zur verstärkung senkrecht aufeinanderstehender zahnräder

Abbildung 11-19: Bauteil 6585 ist eine besonders bemerkenswerte Klammer, die sowohl horizontal als auch vertikal stehende Zahnräder verstärken kann. Technic-Steine und -Platten können mit diesem Teil verbunden werden, um ihre Achsen zu unterstützen.

Abbildung 11-20: Es gibt auch Technic-Getriebegehäuse, in die besonders haltbare Kegelzahnräder eingebaut sind. Sie sind robust und können achsen aufnehmen, allerdings sind sie sehr selten.

Abbildung 11-21: Die senkrecht aufeinanderstehenden Zahnräder werden hier durch Steine verstärkt, die mit Balken zusammengehalten werden. Beachte die 2x3-Platten (blau), die den senkrechten Stein festhalten.

Abbildung 11-22: Die senkrecht aufeinanderstehenden Zahnräder werden hier durch einen L-Balken verstärkt. Dabei wird ein Ende des Balkens durch einen senkrechten Balken zusammengehalten, da es an diesem Balkenende nur Achsen gibt, die nicht in der Lage sind, die Balken zusammenzuhalten. Das andere Ende weist einen Verbinder mit Stiften auf, die die Balken mit einer Kraft zusammenhalten, die von den Zahnrädern kaum überwunden werden kann.

Abbildung 11-23: Gefährliche strukturen: sind die durch die Pfeile markierten Achsen erst einmal eingedrückt, lassen sich diese Konstruktionen nicht mehr zerlegen, ohne teile zersägen zu müssen.

Beispiele dafür zeigt Abbildung 11-23. Wie du siehst, musst du beim Einführen von Achsen Vorsichtsmaßnahmen ergreifen und immer dafür sorgen, dass sie sich wieder herausziehen oder -drücken lassen.

Verstärkte Differenzialgehäuse

Differenziale sind oft hohen Drehmomenten unterworfen, da zwischen ihnen und den Rädern meistens keine Untersetzung mehr stattfindet. Um die Sache noch schlimmer zu machen, sind sie oft senkrecht verzahnt. Erst 2009 brachte LEGO mit den noppenlosen Rahmen Elemente auf den Markt, die eigens zur Lösung dieses Problems gedacht waren. Diese Teile sind jedoch nicht sehr gebräuchlich und eignen sich auch nur für die neuesten Arten von Differenzialgetrieben, wie die Abbildungen 11-24 und 11-25 zeigen.

Abbildung 11-24: die noppenlosen rahmen gibt es in einer regulären (links) und einer verlängerten Form (rechts). Beide bieten ideale starre verstärkungen für die neuesten typen von LEGO-differenzialen.

Abbildung 11-25: Am größeren teil des Kugelgelenks ist ein c-förmiger rahmen angeschlossen, der groß genug ist, um die neueste Art von LEGO-differenzial aufzunehmen.

Vier verstärkte Differenzialgehäuse

Die folgenden Beispiele zeigen robuste Gehäuse aus herkömmlichen Bauteilen, die sich für alle Arten von Differenzialen eignen. Aufgrund ihrer Größe und ihres Gewichts sind sie den noppenlosen Rahmen von Natur aus unterlegen, erweisen sich aber dennoch als nützlich.

Verstärkte Schneckengetriebegehäuse

Aufgrund ihrer einzigartigen Konstruktion benötigen Schneckengetriebe besonders robuste Verstärkungen. Wie Abbildung 11-26 zeigt, wird nicht nur das angetriebene Rad weggedrückt. Auch die Schnecke neigt dazu, auf ihrer Achse zu verrutschen. Das liegt an den erweiterten Achslöchern der Schneckengetriebe. Die Kraft, die bei dieser Verschiebung auftritt, reicht aus, um das Schneckengetriebe in benachbarte Teile hineinzubohren, wenn über längere Zeit hinweg ein ausreichend hohes Drehmoment anliegt.

Es gibt von LEGO zwar besondere Gehäuse für Schneckengetriebe, die aber ziemlich groß sind und als angetriebenes Rad nur ein Zahnrad mit 24 Zähnen aufnehmen können (siehe Abbildung 11-27 und 11-28).

Abbildung 11-26: Die Richtungen der Kräfte, die ein Schneckengetriebe ausübt. Anders als bei normalen Zahnrädern wird hier nicht nur das angetriebene Zahnrad zur Seite gedrückt. Auch die Schnecke selbst drückt entlang ihrer Achse auf das Zahnrad.

Abbildung 11-27: Das LEGO-Gehäuse für Schneckengetriebe ist sehr robust und weit verbreitet, kann aber nur ein angetriebenes Zahnrad mit 24 Zähnen aufnehmen. Außerdem eignet es sich besser für Konstruktionen mit Noppen und nicht so gut für die noppenlose Bauweise.

Abbildung 11-28: Ein Getriebegehäuse mit einer Schnecke und einem angetriebenen Zahnrad mit 24 Zähnen darin. Diese Variante ist sogar noch robuster als das reguläre Gehäuse, allerdings ist es sehr selten.

Drei verstärkte Schneckengetriebegehäuse

Wenn du weder über ein Gehäuse noch über ein vorgefertigtes Getriebe verfügst, kannst du zum Glück leicht ein eigenes bauen. Hier findest du drei Möglichkeiten für Schneckengetriebegehäuse (mit verschiedenen Arten von angetriebenen Zahnrädern).

Tragstrukturen

Tragstrukturen bilden das Skelett eines Modells. Du kannst dir diese Strukturen wie das Fachwerk eines alten Hauses, wie die Träger einer Hängebrücke, das Chassis eines Autos oder das Knochengerüst eines menschlichen Körpers vorstellen. Sie stützen das Gewicht der Konstruktion und halten sie starr. Über die strukturelle Verstärkung hinaus haben sie keinen weiteren Zweck.

Binderiegel, Chassis und Fahrzeugrahmen

Ein Chassis ist die Art von Tragstruktur, die am häufigsten in Fahrzeugmodellen verwendet wird. Sauber gebaute Chassis sind robust genug, um das Gewicht des Fahrzeugs zu tragen, und starr genug, um seine Form auch beim Umfahren von Hindernissen und beim Transport von Lasten zu erhalten.

Wir konzentrieren uns hier auf die einfachste und am häufigsten verwendete Möglichkeit, um ein Chassis zu bauen, nämlich auf die Verwendung von Binderiegeln (oder Tragbalken). Diese Methode wird in fast allen LEGO Technic-Bausätzen angewandt.

Binderiegel sind Längsträger, die fast die gesamte Fahrzeuglänge überspannen. Da ein Riegel nicht starr genug ist, um das Fahrzeuggewicht zu tragen, weisen die meisten Fahrzeugrahmen zwei parallele Riegel auf, die über Querbalken miteinander verbunden sind, sodass sie wie ein einzelnes Element wirken. Andere Konstruktionselemente können sowohl zwischen die Riegel als auch um sie herum eingebaut werden.

Abbildung 11-29 zeigt einen kleinen, leichten LEGO-Lkw in noppenloser Bauweise, bei dem unten zwei Riegel zu sehen sind. Wie du siehst, sind weitere Elemente sowohl auf der Außenseite der Riegel angebracht (Räder, Stoßstangen, seitliche Schutzvorrichtungen) als auch zwischen ihnen (Differenzial, Kolbenmotor).

Die Abbildungen 11-30 und 11-31 zeigen Beispiele für einfache Kombinationen aus Riegeln und Querträgern mit und ohne Noppen.

Diese Konstruktionen bilden das Skelett, das die anderen Teile des Modells trägt, und werden Fahrzeugrahmen genannt. Wenn du damit rechnen musst, dass das Chassis deines Modells besonders hohen Lasten unterworfen wird, solltest du über dem ersten Riegelpaar ein zweites hinzufügen und die beiden verbinden. Die Abbildungen 11-32 und 11-33 zeigen Beispiele für Fahrzeugrahmen mit und ohne Noppen. In Abbildung 11-34 ist ein Noppenrahmen in meinem Abschleppwagenmodell Nr. 2 im Einsatz zu sehen.

Am häufigsten wird zwischen den Riegeln ein Abstand von drei bis sechs Noppen gelassen. Das reicht für die meisten schweren Elemente aus, die in die Mitte des Modells eingebaut werden, z.B. große Motoren und Stromquellen, ist aber nicht zu weit, um die Stabilität des Rahmens zu beeinträchtigen.

Es ist auch möglich, Fahrzeugrahmen mit komplizierteren Formen zu bauen, die Elemente wie Pendelaufhängungen aufnehmen können. Abbildung 11-35 zeigt Beispiele für Fahrzeugrahmen mit unregelmäßig geformten Riegeln.

Abbildung 11-29: Der LEGO-Bausatz 8041, ein kleiner Renntruck, ist ein gutes Beispiel für ein Modell, das um zwei parallele Riegel herum aufgebaut ist.

Abbildung 11-30: Eine einfache Kombination aus Riegeln, die aus noppenlosen Balken bestehen und durch Rahmen als Querträger miteinander verbunden sind. Die Rahmen bieten Platz für die Diffferenziale der Vorder-und Hinterachse. Zwischen den Riegeln ist auch genug Raum für den Antrieb oder eine Stromquelle vorhanden.

Abbildung 11-31: Ein einfaches rahmenloses Chassis aus Steinen, Stiften und Platten

Abbildung 11-32: Ein rahmenloser Fahrzeugrahmen mit zwei Riegelpaaren, die übereinander angeordnet sind. Das obere Paar wird an den Enden und in der Mitte unterstützt. Noppenlose Rahmen eignen sich gut für kleinere, kompakte Modelle, bei denen die Stabilität weniger wichtig ist als die Möglichkeit, viele Elemente zum Chassis hinzuzufügen.

Abbildung 11-33: Ein typischer Noppenrahmen, der durch vertikale Balken verstärkt ist. Diese Art von Rahmen eignet sich für große, schwere Modelle, bei denen es besonders auf die Stabilität ankommt.

Abbildung 11-34: Mein Abschleppwagenmodell Nr. 2 ist sehr schwer und fast 80 cm lang. Zusammengehalten wird es durch einen kräftigen Noppenrahmen aus zwei Riegelpaaren, der starr genug ist, um das Modell problemlos anzuheben. Der Ausleger verfügt über einen eigenen Rahmen aus vier noppenlosen Riegeln, wobei sich der ausfahrbare Teil in der Mitte befindet. Dieser Teil wird durch eine noppenlose Verschalung zugedeckt, was nicht nur das Aussehen, sondern auch die Stabilität verbessert.

Abbildung 11-35: Beispiele für noppenlose und noppenbewehrte Fahrzeugrahmen mit Riegeln in komplizierten Formen

Fachwerk

Ein Fachwerk ist eine Tragstruktur aus Balken, die eine Folge von Dreiecken bilden, wie Abbildung 11-36 zeigt. Die Dreiecke haben oft alle dieselbe Größe, aber das muss nicht so sein. Die Gelenke, an denen die Elemente in einem Fachwerk verbunden sind, werden häufig Knoten genannt. Fachwerkkonstruktionen sind bei Bauwerken und Maschinen allgegenwärtig. Beispielsweise bestehen Turmkräne fast ausschließlich aus Fachwerk. Der Vorteil von Fachwerkgerüsten besteht darin, dass sie große, leichte und sehr haltbare Strukturen bilden, ohne dass dazu mehr als eine Handvoll regulärer Bausteine erforderlich wäre. Abbildung 11-37 zeigt einen LEGO-Bausatz, in dem ein einfaches Fachwerk verwendet wird.

Abbildung 11-36: Ein einfaches Fachwerk

Es gibt zwei Kategorien von Fachwerk: Bei einem ebenen Fachwerk befinden sich alle Knoten in einer Ebene (wie in Abbildung 11-36), beim räumlichen Fachwerk erstrecken sie sich in alle drei Dimensionen (wie in Abbildung 11-38). Ein räumliches Fachwerk ist meistens stabiler als ein ebenes, und die einfache Konstruktion ermöglicht eine modulare Bauweise. Wie Abbildung 11-38 zeigt, kann es sich bei einem räumlichen Fachwerk tatsächlich um die Kombination aus zwei oder mehr ebenen Fachwerkgerüsten handeln.

Wie jede andere Tragstruktur kann auch ein Fachwerk bis zu vier Arten von Belastungen unterliegen: Druck, Zug (Spannung), Biegung und Verdrehung (Torsion). Diese Kräfte sind in Abbildung 11-39 dargestellt. Es ist zwar möglich, ein Fachwerk zu konstruieren, dass allen vier Arten von Belastung standhält, allerdings wäre das Ergebnis sehr schwer und sehr kompliziert und würde sehr viele Teile erfordern. Eine wirtschaftlichere Vorgehensweise besteht darin, die Art von Fachwerk auszuwählen, die genau die zu erwartende Art von Last aufnehmen kann.

Es gibt über 20 verschiedene Arten von Fachwerk, von denen sich viele aufgrund ihrer komplizierten Geometrie jedoch nur schwer mit LEGO-Steinen nachbauen lassen. Daher beschränken wir uns hier auf drei realisierbare Konstruktionen.

Abbildung 11-37: Der LEGO-Raupenkranbausatz 8288 enthält zwei Ausleger (in diesem Bild grau), die komplett aus einem einfachen Fachwerk bestehen.

Abbildung 11-38: Zwei ebene Fachwerkgerüste, die mithilfe von Achsen und Stiften mit Buchsen verbunden sind, bilden ein einfaches räumliches Fachwerk.

Abbildung 11-39: Von links nach rechts: Druck, Zug, Biegung und Verdrehung

Brown-Fachwerk

Das Brown-Fachwerk weist eine X-förmige Verstärkung zwischen zwei horizontalen Trägern auf. Gibt es nur eine Verstärkung zwischen den Trägern, müssen die Schrägbalken in der Mitte verbunden sein. Bei mehreren X-Formen ist diese Verbindung nicht nötig, wie Abbildung 11-40 zeigt.

Länge und Winkel der Balken im Brown-Fachwerkmodul lassen sich nach Bedarf anpassen. Das stärkste Modul ergibt sich aber, wenn die Kreuzbalken genau senkrecht aufeinander stehen. Das obige Beispiel mit 12 Noppen langen horizontalen Balken und 13 Noppen langen Querbalken weist eine praktische Größe auf. Die Stiftlöcher des oberen und des unteren horizontalen Balkens sind genau 10 Noppen voneinander entfernt.

Mit dem Grundelement des Brown-Fachwerks, dem ebenen X, kann auf ähnliche Weise wie bei einer Nürnberger Schere ein ebenes Fachwerk zusammengestellt werden, wie Abbildung 11-40 zeigt. Interessanter ist es jedoch, mehrere ebene X zu einem räumlichen Fachwerk zu kombinieren (siehe Abbildung 11-41). Mit dieser räumlichen Kombination lassen sich auch Module bauen, die wie in Abbildung 11-42 leicht aufeinandergesteckt werden können.

Abbildung 11-40: Ebene Kombination des Brown-Fachwerkmoduls

Abbildung 11-41: Räumliche Kombination des Brown-Fachwerkmoduls. Die vertikalen Balken (rot) können als zusätzliche Verstärkung hinzugefügt werden.

Abbildung 11-42: Hier sind Brown-Module zu räumlichen Modulen kombiniert worden, die übereinandergesteckt werden können. Mit dieser Anordnung lassen sich auf einfache Weise Strukturen in der gewünschten Höhe bauen.

Das Brown-Fachwerk widersteht Druck und Verdrehung. Sein Widerstand gegenüber Zug und Biegung hängt von der Stärke der Verbindungen zwischen den Modulen ab.

WarrenFachwerk

Beim WarrenFachwerk werden zwei einfache ebene Fachwerkgitter kombiniert. Länge und Winkel der Schrägbalken (hellgrau) können nach Bedarf gewählt werden. Es ist auch nicht erforderlich, dass die Schrägbalken unmittelbar nebeneinanderliegen. Kleine Lücken zwischen ihnen sind akzeptabel. Die horizontalen Balken (dunkelgrau) können noppenlose Elemente sein wie in Abbildung 11-38, aber auch Noppen aufweisen wie oben (wobei sie sich zusätzlich durch Platten verstärken lassen).

Das WarrenFachwerk widersteht Druck, Zug und Biegung. Eine Verdrehung wirkt sich auf die Verbindungen zwischen den ebenen Fachwerkgerüsten aus und kann zum Auseinanderbrechen führen.

Dreieckiges WarrenFachwerk

Das dreieckige WarrenFachwerk aus den Abbildungen 11-43 und 11-44 ist eine Kombination aus zwei einfachen ebenen Fachwerkgerüsten in Form eines dreieckigen Prismas. Dieses Fachwerk weist zwei untere, aber nur einen oberen Balken auf, weshalb es weniger wiegt als das reguläre WarrenFachwerk. Für den Aufbau sind jedoch zusätzliche Verbinder erforderlich (hier und in den Abbildungen 11-43 und 11-44 rot dargestellt). Diese Variante ist fast genauso robust wie das reguläre WarrenFachwerk, allerdings werden die unteren Balken stärker belastet als der obere. Außerdem kann eine Last auf dem oberen Balken dazu führen, dass die beiden unteren auseinandergedrückt werden, sofern sie nicht miteinander verbunden sind (z.B. durch senkrecht stehende Platten).

Abbildung 11-43: Draufsicht des dreieckigen WarrenFachwerks

Abbildung 11-44: die Untersicht des dreieckigen WarrenFachwerks zeigt, dass die unteren Balken (die horizontalen verbindungen oben und unten im Bild) nur durch Elemente zusammengehalten werden, die zwischen ihnen liegen. das bedeutet, dass sie auseinandergedrückt werden können, wenn auf den oberen Balken (horizontale verbindung in der Bildmitte) eine genügend hohe Last einwirkt.

Das dreieckige WarrenFachwerk widersteht Druck, Zug und Biegung. Wenn die unteren Balken fest durch Querträger verbunden sind, leistet es auch gegenüber Verdrehung erheblichen Widerstand.

Das richtige Fachwerk auswählen

Ein Fachwerk aus fest verbundenen Brown-Modulen widersteht allen Arten von Belastungen. Es ist jedoch kompliziert aufgebaut und schwer, weshalb du es nur verwenden solltest, wenn es absolut notwendig ist. In diesem Abschnitt sehen wir uns an, wie du herausfinden kannst, welche Fachwerktypen sich für unterschiedliche Fahrzeuge jeweils am besten eignen.

Als Erstes sehen wir uns einen Bus an, bei dem die Vorder-und die Hinterachse einen großen Abstand aufweisen. Wie Abbildung 11-45 zeigt, stützen die Achsen den Bus am Boden ab, während das Gewicht von oben in der Mitte auf das Chassis drückt, sodass es gebogen wird. Ein reguläres WarrenFachwerk kann diese Belastung leicht aufnehmen und widersteht auch den geringeren Druck-und Zugspannungen, die beim Losfahren und Anhalten des Busses auftreten.

Ein Offroad-Transporter dagegen ist aufgrund seiner geringeren Länge viel weniger stark Biegekräften unterworfen. Dafür jedoch muss die Aufhängung beim Überwinden von Hindernissen viel arbeiten, wobei sich die Räder nach oben und unten bewegen. Es ist sehr wahrscheinlich, dass die Vorder-und die Hinterachse des Transporters beim Überqueren eines Hindernisses in entgegengesetzte Richtungen schwingen, wodurch Biegekräfte auf das Chassis ausgeübt werden (siehe Abbildung 11-46).

Abbildung 11-45: Kräfte auf das chassis eines Busses. vor allem tritt hier eine Biegung auf.

Abbildung 11-46: Kräfte auf das Chassis eines Offroad-Transporters. Hier tritt vor allem eine Verdrehung auf, aber auch eine Biegung.

Wir können das Chassis des Transporters aus Brown-Modulen bauen, was es extrem stabil macht. Um Gewicht und Platz zu sparen, ist es jedoch auch möglich, auf ein dreieckiges WarrenFachwerk zurückzugreifen. Wenn die unteren Balken zusammengehalten werden, kann das dreieckige WarrenFachwerk sowohl Verdrehung als auch Biegung widerstehen.

Unser letztes Beispiel ist ein Turmkran, bei dem mehrere Elemente eine Verstärkung benötigen. Die einzelnen Abschnitte des Krans profitieren dabei jeweils von anderen Arten von Fachwerkgerüsten.

Wie Abbildung 11-47 zeigt, besteht der Kran aus vier Abschnitten. Der erste Teil ist der Turm (gelb), der den gesamten Kran stützt. Da auf ihm das Gewicht des Krans ruht, unterliegt er Druckkräften. Beim Anheben von Lasten neigt sich der Kran ein bisschen, weshalb die Struktur auch einer gewissen Biegung unterworfen ist. Außerdem kann sich der obere Teil des Krans drehen, während das gelbe Fachwerk fest auf dem Boden steht. Dadurch ergeben sich beim Beginn und Ende der Rotation Verdrehungen.

Abbildung 11-47: Kräfte auf die einzelnen abschnitte eines turmkrans

Unser gelber Kranmast muss also allen Arten von Lasten außer Zugspannungen widerstehen können. Daher ist ein Gerüst aus Brown-Modulen eine gute Wahl.

Der zweite Abschnitt des Krans ist der Ausleger (blau). Dieser Teil ist unmittelbar für die Bewegung von Lasten verantwortlich. Ein Ende ist in der Kranmitte befestigt, am anderen hängt die Last. Dieses Ende wird von einer Trosse zwischen Ausleger-und Kranspitze gehalten, die eine gewisse Druckkraft auf diesen Kranabschnitt ausübt. Wenn sich der Kran dreht, schwingt die Last ein wenig, was auch eine gewisse Drehung auf den Ausleger ausübt. Der Ausleger ist der zweitgrößte Teil des Krans und kann sehr viel zum Gesamtgewicht beitragen. Daher sollten wir den Ausleger so leicht wie möglich bauen. Ein dreieckiges WarrenFachwerk ist hierzu eine gute Wahl, da es sowohl Druck als auch Verdrehung widersteht und weniger Gewicht hat als andere mögliche Konstruktionen.

Der dritte Teil (grün) ist der Gegenausleger. Er ist an dem einen Ende an der Kranmitte befestigt und hält am anderen Ende das Gegengewicht fest. Daher ist er wie der Ausleger einer Biegung unterworfen, aufgrund seiner geringeren Länge jedoch in kleinerem Maße. Das Gegengewicht schwingt bei der Krandrehung nicht, weshalb der Gegenausleger keinen Verdrehungskräften ausgesetzt ist. Wir können hier ebenfalls das dreieckige WarrenFachwerk verwenden, aber auch auf das einfachere reguläre Warren-Dreieck zurückgreifen, da der Gegenausleger so kurz ist, dass der Gewichtsunterschied keine Rolle spielt.

Schließlich haben wir noch den grau dargestellten Abschnitt, die Turmspitze, die einfach nur die Trossen zur Verbindung der Spitzen von Ausleger und Gegenausleger festhält. Diese Trossen üben einen gewissen Druck auf die Kranspitze und eine leichte Biegung auf den Gegenausleger aus, für die wir aber schon Vorsorge getroffen haben. Da die Kranspitze klein ist und nur wenig belastet wird, können wir hierfür einen kleinen Abschnitt eines WarrenFachwerks verwenden. Es ist jedoch auch möglich, ganz auf ein Fachwerk zu verzichten und eine beliebige Struktur zu verwenden, die in der Lage ist, das Gewicht zu tragen, das direkt auf ihre Spitze wirkt. Abbildung 11-48 zeigt einen echten Turmkran, der genauso aufgebaut ist wie unser Modell.

Abbildung 11-48: ein echter Turmkran im Einsatz. Wie in unserem Modell besteht der Turm aus einem Brown-Fachwerk und der Ausleger aus einem dreieckigen WarrenFachwerk.

Die haltbarsten Teile auswählen

LEGO-Steine zeichnen sich zwar durch eine hohe Qualität und lange Lebensdauer aus, sind aber dennoch Alterung und Verschleiß unterworfen. Wenn du Teile für eine Konstruktion auswählst, die stark belastet wird, solltest du daher alte und verschlissene Teile vermeiden.

Sofern sie nicht beschädigt werden, bewahren LEGO-Steine ihre Qualität mindestens fünf bis zehn Jahre lang. Wenn deine Sammlung älter wird oder du sie durch ältere Teile oder auf Flohmärkten erworbene Schätze ergänzt, musst du bei der Auswahl der Elemente, die starken Belastungen unterworfen werden, sehr vorsichtig sein. Die einfachste Möglichkeit, um das Alter eines Elements zu bestimmen, besteht darin, einige neue Bauteile zum Vergleich aufzubewahren. LEGO-Elemente, vor allem die weißen und grauen Teile, vergilben mit der Zeit. Die Abbildungen 11-49 bis 11-51 zeigen den Unterschied.

Abbildung 11-49: Eine etwa 20 Jahre alte Lagerbuchse (links) und eine ein Jahr alte (rechts). Beachte den Riss in der seite der alten Buchse. Unter Einwirkung eines Drehmoments wird dieser Riss nachgeben und dazu führen, dass die Buchse auseinanderbricht.

Abbildung 11-50: ein alter (links) und ein neuer verbinder (rechts). das alte teil weist zwar keine Beschädigungen oder sichtbare verschleißerscheinungen auf, doch der unterschied ist trotzdem offensichtlich.

Abbildung 11-51: zwei zahnräder desselben Typs mit einem altersunterschied von zehn Jahren

Verschlissene Teile lassen sich relativ leicht erkennen. Der Verschleiß kann kaum wahrnehmbar – und damit für unsere Zwecke vernachlässigbar – sein, aber auch in Form einer offenkundigen Beschädigung daherkommen. Achte auf Verschleißerscheinungen an den Oberflächen, die andere Teile berühren, z.B. an den Zähnen von Zahnrädern und an der Umgebung von Stiftlöchern in Steinen. Verschleiß tritt viel häufiger bei Teilen auf, die hohen Belastungen unterworfen sind, z.B. bei Knebelrädern, kleinen Zahnrädern für hohe Untersetzungen und den Elementen, die in Schneckengetrieben verwendet werden. Die Abbildungen 11-52 bis 11-54 zeigen typische Beispiele für den Verschleiß von Teilen.

Abbildung 11-52: Nahaufnahme der Innenseite eines LEGO-Gehäuses für ein schneckengetriebe. hier hat sich das schneckengetriebe in die seite des Gehäuses gebohrt.

Abbildung 11-53: Die zähne dieses zahnrads wurden abgeschliffen, als es falsch mit einem größeren und stärkeren zahnrad verbunden war. das Teil ist zwar noch neu und zum größten teil intakt, doch diese art der Beschädigung macht es unbrauchbar.

Abbildung 11-54: Dieses Knebelrad weist deutlich sichtbare Verschleißerscheinungen auf – abgeschliffene Kanten, an denen das Material weggerieben wurde. Knebel übertragen hohe drehmomente über sehr kleine Berührungsflächen, was zu einem hohen verschleiß führt. Werden verschlissene Knebelräder stark belastet, rufen sie ein unverkennbares Quietschen hervor.

Übrigens weisen Teile verschiedener Farben auch einen unterschiedlichen Verschleiß auf. Dies lässt sich zwar nicht genau messen, aber nach meiner Erfahrung sind rote Bauteile besonders schwach, gelbe dagegen besonders stark. Der Unterschied ist nicht sehr groß, kann sich aber bei Dauerbelastung zeigen.

TEIL III

Motoren

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LEGOMotoren – eine Bestandsaufnahme

Elektromotoren bilden die Muskeln der meisten Technic-Konstruktionen. Man kann zwar durchaus auch handbetriebene Mechanismen bauen, und es gibt sogar einige Bastler, die sich darauf spezialisiert haben, aber die eindrucksvollen Modelle sind motorisiert. Motoren lassen sich für fast alles einsetzen – zum Fahren und Lenken, zum Drehen, Heben, Ausfahren und sogar zur Steuerung elektrischer Bauteile. In diesem Kapitel sehen wir uns an, welche LEGOMotoren sich jeweils für welche Zwecke am besten eignen.

LEGO stellt schon seit 1965 Elektromotoren her, die in drei allgemeine Kategorien fallen. Zuerst gab es 4,5-V-Motoren, die mittlerweile aber selten und in die Jahre gekommen sind und sich mit den neueren Motoren nicht messen können. Gehen wir daher gleich zur nächsten Kategorie über.

1990 führte LEGO eine neue Produktreihe von Motoren ein, die von sechs AA-Batterien mit einer Spannung von 9 V betrieben wurden (siehe Abbildung 12-1). Diese Motoren sind erheblich leistungsfähiger und bequemer zu nutzen als ihre Vorgänger. Die 9-V-Baureihe deckte auch eine größere Palette ab und umfasste Bootsmotoren mit Propeller und wasserdichtem Gehäuse. Die 9-V-Motoren sind noch gut erhältlich und erfreuen sich großer Beliebtheit. Die Motoren dieser Reihe werden wir uns in diesem Kapitel noch genauer ansehen, ausgenommen einige Sondermodelle wie diejenigen für Züge und Einschienenbahnen, die sich außerhalb des vorgesehenen Einsatzwecks nur schwer (oder gar nicht) verwenden lassen.

Die dritte Kategorie umfasst die Power-Functions-Motoren (PF), die 2007 eingeführt wurden (siehe Abbildung 12-2). Auch diese Motoren verwenden eine 9-V-Stromquelle, gehören aber im Gegensatz zur vorhergehenden Kategorie zu einem sorgfältig geplanten System aus Motoren und Sonderbauteilen, das immer noch weiter ausgebaut wird. Die Power-Functions-Produktreihe umfasst nur wenige Motoren, die einander ergänzen. Jeder Motor ist für andere Arten von Aufgaben gedacht, sodass die Merkmale der einzelnen Motoren erheblich voneinander abweichen können. PF-Motoren eignen sich sehr gut für noppenloses Bauen, da sie ungradzahlige Breiten und Stiftlöcher aufweisen. Ihr Drehmoment ist für Anwendungen mit hoher Last optimiert. Außerdem können sie ferngesteuert werden, wohingegen die Motoren aus den beiden anderen Kategorien über ein Kabel mit dem Steuergerät verbunden sind, das gleichzeitig die Stromquelle darstellt. Power-Functions-Motoren lassen sich auch feiner steuern und bieten mehr Möglichkeiten als nur den Vorwärtsund den Rückwärtslauf. Das Power-Functions-System und die zugehörigen Steuerelemente sehen wir uns in Kapitel 13 genauer an.

Abbildung 12-1: Motoren der 9-V-Baureihe werden von einem Batteriekasten gespeist, der auch als einfacher Schalter dient.

Abbildung 12-2: Die Motoren des Power-Functions-Systems können ferngesteuert werden.

In der folgenden Aufstellung sind jeweils die Drehzahlen der Motoren bei 9 V und 7 V angegeben, sofern die betreffenden Daten erhältlich sind. (Wiederaufladbare AA-Batterien und die wiederaufladbare Power-Functions-Batterie liefert nur eine Spannung von 7 V.) Außerdem verschleißen Motoren im Lauf der Zeit, weshalb zwei Motoren desselben Typs durchaus unterschiedliche Eigenschaften aufweisen können.

Es gibt zwar keine offiziellen technischen Daten für LEGOMotoren, aber der LEGO-Fan Philippe »Philo« Hurbain hat viel Zeit darauf verwendet, komplizierte Messungen an diesen Motoren vorzunehmen. Die Angaben in diesem Kapitel gehen auf seine Arbeiten zurück und werden hier mit seiner freundlichen Genehmigung verwendet. (Mehr über Philippes Arbeiten kannst du auf seiner Website http://www.philohome.com/motors/motorcomp.htm nachlesen.)

2838 – Der erste 9-V-Motor

Drehmoment: 0,45 Ncm

Leerlaufdrehzahl bei 7 V: 2000 U/min

Leerlaufdrehzahl bei 9 V: 3300 U/min

Der erste Motor der 9-V-Baureihe war der 2838. Er ist relativ groß und hat kein inneres Getriebe, weshalb er eine sehr hohe Drehzahl, aber ein niedriges Drehmoment aufweist. Für Anwendungen mit hoher Last ist er nicht sehr effizient, da er eine erhebliche Untersetzung erfordert, häufig sogar mit einem oder mehreren Schneckengetrieben. Außerdem überhitzt sich dieser Motor sehr leicht. Aus dem Motor ragt eine 1L-Achse heraus. Die Verbindung mit der Stromquelle erfolgt über eine Kontaktfläche der Größe 2x5 in der Mitte der Unterseite.

71427 – Ein beliebter und leistungsfähiger 9-V-Monitor

Drehmoment: 2,25 Ncm

Leerlaufdrehzahl bei 7 V: 160 U/min

Leerlaufdrehzahl bei 9 V: 250 U/min

Aufgrund seiner handhabbaren Größe und seiner technischen Daten ist dieser 9-V-Motor sehr beliebt. Er läuft leise und weist ein ausgefeiltes internes Getriebe auf, das für eine beim Anhalten des Motors merkbare Trägheit sorgt. Der Motor verfügt über eine 1L-Achse und wird über eine Kontaktfläche der Größe 2x2 auf seiner Oberseite mit der Stromquelle verbunden. Die Oberseite ist praktisch geformt und weist eine Vertiefung für den Stromstecker und eine Einkerbung auf, um das Kabel nach hinten zu führen. Die Unterseite besitzt eine plattentiefe Ausbuchtung der Größe 2x2.

43362 – Ein leichteres 9-V-Modell

Drehmoment: 2,25 Ncm

Leerlaufdrehzahl bei 7 V: 140 U/min

Leerlaufdrehzahl bei 9 V: 219 U/min

Dieser Motor ist äußerlich nicht von dem zuvor gezeigten 71427 zu unterscheiden, aber auf Kosten einer leichten Verringerung des Drehmoments um fast ein Drittel leichter. Aufgrund dieses geringeren Gewichts ist er viel gefragter als der ursprüngliche 71427, weshalb er zu weit höheren Preisen verkauft wird. Der Motor verfügt über eine 1L-Achse und wird über eine Kontaktfläche der Größe 2x2 auf seiner Oberseite mit der Stromquelle verbunden. Die Oberseite ist praktisch geformt und weist eine Vertiefung für den Stromstecker und eine Einkerbung auf, um das Kabel nach hinten zu führen. Die Unterseite hat eine Ausbuchtung mit der Größe 2x2 und der Dicke einer Platte. Wie der 71427 kann auch dieser Motor mithilfe der beiden Führungsschlitze an der Seite auf Schienen montiert werden (siehe Abbildung 12-3).

Abbildung 12-3: Die Führungsschlitze an der Seite des Motors 43362 können Platten mit angesetzten Schienen aufnehmen. Mithilfe von zwei (oder mehr) solcher schienen lässtsich der Motor sicher befestigen. Wie der rote Pfeil andeutet, muss der Motor auf diese Schienenplatten geschoben werden.

47154 – Ein 9-V-Motor mit halb durchsichtigem Gehäuse

Drehmoment: 2,25 Ncm

Leerlaufdrehzahl bei 7 V: 210 U/min

Leerlaufdrehzahl bei 9 V: 315 U/min

Dieser Motor ähnelt dem 71427, weist aber eine höhere Drehzahl auf und ist lauter. Außerdem ist er um eine Plattenstärke dicker als der 71427 und hat eine flache Unterseite. Der Motor verfügt über ein Achsloch von einer Noppe Tiefe und wird über eine Kontaktfläche der Größe 2x2 auf seiner Oberseite mit der Stromquelle verbunden.

Mikromotor

Drehmoment: 1,28 Ncm

Leerlaufdrehzahl bei 9 V: 16 U/min

Ein für seine geringe Größe herausragender 9-V-Motor! Er ist selten, sehr gefragt und teuer. Die Drehzahl ist so gering, dass gewöhnlich kein externes Untersetzungsgetriebe erforderlich ist, während er ein für einen Motor dieser Größe ziemlich hohes Drehmoment aufweist (beispielsweise ist es höher als das des 2838). Ein Mikromotor setzt sich aus vier Einzelteilen zusammen: der oberen und unteren Halterung, einer »Mikromotorscheibe« und dem eigentlichen Motor. Ohne die drei anderen Teile wird der Motor nur selten verwendet, allerdings kann er durchaus ohne die Halterungen betrieben werden, wenn er über den Stromstecker mit einem anderen Bauteil verbunden wird. Der Anschluss an die Stromquelle erfolgt über eine Kontaktfläche der Größe 2x2 an der Rückseite. Abbildung 12-4 zeigt eine Explosionszeichnung des Mikromotors und seiner einzelnen Teile.

Abbildung 12-4: Eine Explosionszeichnung des Mikromotors einschließlich oberer und unterer Halterung, der Riemenscheibe und des eigentlichen Motors

Die besondere Riemenscheibe des Mikromotors weist ein Achsloch von einer Noppe Tiefe und eine Rille für ein Gummiband auf. Über diese Riemenscheibe kann der Motor mit einer Achse verbunden werden. Sie dient auch als Rutschkupplung, um ein Abwürgen des Motors zu verhindern.

NXT-Motor

Drehmoment: 16,7 Ncm

Leerlaufdrehzahl bei 7 V: 82 U/min

Leerlaufdrehzahl bei 9 V: 117 U/min

Dieser Motor wurde eigens für den MINDSTORMS-NXT-Baukasten entwickelt. Er weist das höchste Drehmoment aller LEGO-Elektromotoren auf, dafür aber auch die höchste Leistungsaufnahme. Außerdem verfügt er über einen Drehsensor mit einer Auflösung von einer Umdrehung, was beim Bau von Robotern, die eine genaue Steuerung erfordern, sehr praktisch ist. Seine Form und Größe sind außerhalb von MINDSTORM-Konstruktionen jedoch von Nachteil. Außerdem erfolgt die Verbindung mit der Stromquelle über einen MINDSTORMS-Stecker, weshalb zum Anschluss an reguläre 9-Voder Power-Functions-Batteriekästen ein besonderes Adapterkabel erforderlich ist. Anders als bei anderen Motoren hat der Ausgang die Form einer drei Noppen durchmessenden Scheibe (in der Abbildung orangefarben dargestellt), auf der vier Stiftlöcher von je einer Noppe Tiefe um den Mittelpunkt angeordnet sind. Außerdem hat er ein leeres Achsloch in der Mitte, durch das jegliche Achsen eingeführt werden können, die länger als drei Noppen sind.

E-Motor von Power Functions

Drehmoment: 1,32 Ncm

Leerlaufdrehzahl bei 7 V: 300 U/min

Leerlaufdrehzahl bei 9 V: 420 U/min

Dieser ungewöhnliche Power-Functions-Motor wurde für LEGO-Education-Kästen entwickelt. Er verfügt über ein schwaches internes Getriebe, sodass er auch leicht angetrieben und als Generator verwendet werden kann. Seine erhebliche Größe, das geringe Drehmoment und die niedrige Drehzahl machen ihn jedoch im Vergleich zu anderen Power-Functions-Motoren praktisch nutzlos. Der Motor verfügt über ein Achsloch von einer Noppe Tiefe und über ein angebautes Kabel.

M-Motor (Medium) von Power Functions

Drehmoment: 3,63 Ncm

Leerlaufdrehzahl bei 7 V: 185 U/min

Leerlaufdrehzahl bei 9 V: 275 U/min

Mit einem Durchmesser von nur drei Noppen nimmt dieser beliebte Power-Functions-Motor nur wenig Platz ein und passt sehr gut in noppenlose Konstruktionen, wobei er ein sehr gutes Drehmoment bietet. Der einzige Nachteil dieses Motors ist seine Länge von sechs Noppen. Abgesehen davon ist er jedoch einfach zu verwenden, leistungsstark und vielseitig. Dieser Motor verfügt über ein Achsloch von einer Noppe Tiefe und über ein angebautes Kabel. Er kann mithilfe der vier Stiftlöcher frontal montiert werden, aber auch mithilfe der Noppen an der Unterseite.

L-Motor von Power Functions

Drehmoment: ca. 6,48 Ncm

Leerlaufdrehzahl bei 7 V: 203 U/min

Leerlaufdrehzahl bei 9 V: 272 U/min

Der L-Motor wurde 2012 eingeführt und eignet sich für Anwendungen, bei denen der M-Motor zu schwach und der XL-Motor zu groß ist. Mit 3x4x7 Noppen ist er nur wenig größer als der M-Motor, bietet aber fast 180% von dessen Drehmoment. Er ist jedoch ein wenig langsamer als der M-Motor und weist einen höheren Stromverbrauch auf (siehe »Die Funktion des Drehzahlreglers« auf S. 177). Dieser Motor verfügt über ein Achsloch von einer Noppe Tiefe und über ein angebautes Kabel. Er kann mithilfe von Stiftlöchern von vorn, von hinten und von zwei seiner Seiten montiert werden. Insgesamt verfügt er über 14 Stiftlöcher, wobei sich zwei an der Rückseite befinden.

XL-Motor von Power Functions

Drehmoment: 14,5 Ncm

Leerlaufdrehzahl bei 7 V: 100 U/min

Leerlaufdrehzahl bei 9 V: 146 U/min

Dies ist der leistungsfähigste Power-Functions-Motor. Einige seiner inneren Bauteile sind mit denen des NXT-Motors identisch, allerdings weist er ein geringeres Drehmoment und eine höhere Drehzahl auf. Aufgrund seiner hohen Leistung ist der XL-Motor sehr beliebt, und dabei ist er häufig anzutreffen und einfacher zu verwenden als der NXT-Motor. Allerdings ist es wegen seiner Größe in vielen Fällen besser, zwei M-Motoren zu koppeln. Dieser Motor verfügt über ein Achsloch von einer Noppe Tiefe und über ein angebautes Kabel. Mit Noppen kann dieser Motor nicht verbunden werden. Er verfügt über sechs Achslöcher vorn und vier an den Seiten, sodass er gegen erhebliche Ausgangsdrehmomente gesichert werden kann.

Servo-Motor von Power Functions

Der 2012 eingeführte Servomotor wurde für Lenksysteme entwickelt. Er kann sich nicht kontinuierlich drehen, sondern in beiden Richtungen immer nur um 90° von der Mittelstellung aus. Wegen seiner geringen Drehzahl kann er in den meisten Lenksystemen direkt, also ohne zwischengeschaltetes Getriebe, eingesetzt werden. Das hohe Drehmoment sorgt dafür, dass er nicht so leicht abgewürgt werden kann.

Wenn er zusammen mit der einfachen PF-Fernsteuerung eingesetzt wird, dreht sich der Servomotor um 90° in die eine oder andere Richtung, wenn der Fernsteuerungshebel betätigt wird. Beim Loslassen des Hebels kehrt er in die Mittelstellung zurück. Wird er dagegen über die PF-Fernsteuerung mit Drehzahlregler oder direkt über die wiederaufladbare PF-Batterie bedient, folgt der Motor der Drehung des Reglers. Dadurch ist eine proportionale Lenkung mit sieben Schritten in jeder Richtung einer Neutralstellung möglich (in die er zurückkehrt, wenn der Stoppschalter der Fernbedienung gedrückt wird). Mit dem PF-Drehzahlregler kann der Gesamtrotationsbereich von 180° also in 15 Schritte von je 12° aufgeteilt werden, während die Drehzahl stets gleich bleibt.

Dieser Motor misst 3x5x7 Noppen und weist eine Ausbuchtung an der Unterseite und zwei Achslöcher von je einer Noppe Tiefe an der Vorder-und der Rückseite auf. Dadurch kann der Motor zwischen zwei Achsen eingefügt werden und hält sie in einem Abstand von einer Noppe, während er beide in dieselbe Richtung dreht. Außerdem verfügt er über ein angebautes Kabel und kann mithilfe von Stiftlöchern von vorn und von zwei seiner Seiten montiert werden.

RC-Motor

Drehmoment (innerer Ausgang/äußerer Ausgang): 1,83 Ncm/2,48 Ncm

Leerlaufdrehzahl bei 7 V (innerer Ausgang/äußerer Ausgang): 906 U/min/670 U/min

Leerlaufdrehzahl bei 9 V (innerer Ausgang/äußerer Ausgang): 1245 U/min/920 U/min

Dieser 9-V-Motor wurde ursprünglich für eine Baureihe von funkferngesteuerten Automodellen entwickelt, die aber nicht mehr fortgeführt wurde. Daher weist er eine ungewöhnliche Form, ein gutes Drehmoment und eine sehr hohe Drehzahl auf. Leider ist er auch sehr laut und verbraucht extrem viel Strom. Mit einigen Stromquellen ist es nicht einmal möglich, ihn mit voller Leistung laufen zu lassen. Theoretisch machen ihn seine Drehzahl und sein Drehmoment zum leistungsfähigsten LEGO-Elektromotor, und dank seines wirkungsvollen externen Getriebes arbeitet er besser als der XL-und der NXT-Motor. Allerdings neigt er unter hoher Last zur Überhitzung, was dazu führt, dass sein eingebauter elektronischer Schutzschalter ihn ausschaltet, bis er wieder abgekühlt ist.

Was den RC-Motor einmalig macht, sind seine beiden Ausgänge. Bei beiden handelt es sich um leere Achslöcher, die in diese Richtung laufen, allerdings weisen die inneren Getriebe des Motors für die beiden Löcher jeweils ein anderes Übersetzungsverhältnis auf. Daher läuft der innere Ausgang schneller und mit einem niedrigeren Drehmoment als der äußere.

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Das LEGO Power-Functions-System

Das LEGO Power-Functions-System (kurz PF) wurde 2007 eingeführt und besteht aus einer Reihe von LEGO-Elementen, mit denen du deine Konstruktionen motorisieren, beleuchten, mithilfe von Linearaktoren bewegen und vor allem fernsteuern kannst. In diesem Kapitel sehen wir uns an, wie dieses System funktioniert und wie seine Elemente kombiniert werden.

Die Kernelemente des Power-Functions-Systems lassen sich in drei Gruppen einteilen, nämlich Stromquellen, Steuerelemente und Motoren. Im Power-Functions-System gibt es verschiedene Motoren, die wir uns bereits im vorherigen Kapitel angesehen haben. Dieses System bietet uns mehr Möglichkeiten zur Steuerung der Motoren, nämlich eine feinere Regulierung der Drehzahl und die Steuerung mehrerer Elemente auf einmal.

HINWEIS Eine der Neuheiten des Power-Functions-Systems besteht darin, dass die meisten Elemente als eigene LEGO-Kästen erhältlich sind. Eine Liste dieser Kästen findest du am Ende dieses Kapitels.

Manuelle Motorsteuerung

Wenn du einen Power-Functions-Motor mit der Hand steuern möchtest, brauchst du dazu nur zwei Elemente, nämlich den Motor und eine Stromquelle (siehe Abbildung 13-1). Alle Power-Functions-Stromquellen weisen Bedienelemente auf – einige nur einfache, andere auch anspruchsvollere –, mit denen die direkt angeschlossenen Motoren gesteuert werden können.

Die Stecker der Power-Functions-Kabel sind steckbar, sodass wir viele Kabel an einem einzigen Ausgang anschließen können, wie Abbildung 13-2 zeigt.

Abbildung 13-1: Die einfachste Motorkonfiguration im Power-Functions-System

Abbildung 13-2: Ein regulärer Power-Functions-Batteriekasten mit drei am ausgang angeschlossenen Steckern. Damit können drei Elemente gleichzeitig von diesem Kasten versorgt und gesteuert werden.

Die einfache Konfiguration aus Stromquelle und Motor weist einen ernsthaften Nachteil auf: Wenn viele Motoren an diese Stromquelle angeschlossen sind, laufen sie alle auf dieselbe Weise.

Das ist unvermeidlich, wenn die Stromquelle als Steuermechanismus verwendet wird, weshalb es im Power-Functions-System auch eigene Steuerelemente gibt. Das einfachste Element aus dieser Gruppe ist der Schalter aus Abbildung 13-3.

Abbildung 13-3: Eine etwas anspruchsvollere Konfiguration von Bauteilen aus dem Power-Functions-System

Wie alle Steuerelemente wird er zwischen der Stromquelle und dem zu regelnden Bauteil angebracht. Er hat drei mögliche Stellungen – für Vorwärtslauf, Stopp und Rückwärtslauf – und steuert alle an ihn angeschlossenen Elemente.

In dieser Konfiguration können sowohl die Bedienelemente des Schalters als auch die des Batteriekastens zur Steuerung des Monitors verwendet werden. (Wenn die Stromquelle auf AUS gestellt ist, haben die Einstellungen des Schalters natürlich keine Auswirkungen mehr auf den Motor.)

Fernsteuerung von Motoren

Die direkte manuelle Steuerung ist zwar eine nette Funktion, der besondere Vorteil des Power-Functions-System besteht jedoch in der Möglichkeit der Fernsteuerung. Dazu sind zwei weitere Elemente erforderlich, nämlich eine Fernsteuerung und ein Empfänger (siehe Abbildung 12-2 auf S. 164).

Fernbedienung und Empfänger kannst du dir wie einen Schalter vorstellen, der in zwei Teile zerlegt wurde. Der eine Teil, der Empfänger, liegt (wie ein Schalter) zwischen der Stromquelle und dem zu steuernden Element. Er verfügt auch ebenso wie ein Schalter über ein Kabel. Der andere Teil, die Fernbedienung, ist kabellos und wird nirgendwo physisch an ein anderes Bauteil angeschlossen. Stattdessen sendet sie über eine unsichtbare Infrarotverbindung Befehle an den Empfänger – ähnlich wie die meisten TV-Fernbedienungen. Sie enthält Batterien und braucht daher keine externe Stromquelle (eine weitere Gemeinsamkeit mit einer TV-Fernbedienung). Eine Konstruktion, in die ein Empfänger eingebaut ist, kann mithilfe der Fernbedienung aus einem gewissen Abstand heraus gesteuert werden.

Die Infrarotverbindung zwischen Fernbedienung und Empfänger hat jedoch ihre Grenzen. Die schwarzen, halb durchsichtigen Teile sowohl der Fernbedienung als auch des Empfängers enthalten Infrarotsensoren, die freiliegen und sich innerhalb der Sichtlinie des jeweils anderen Elements befinden müssen. Nur dann ist eine Verbindung möglich. Die Fernbedienung sendet Signale in Form von unsichtbarem Licht aus, die den Empfänger nicht erreichen können, wenn irgendetwas im Weg liegt oder wenn sie in die falsche Richtung gehen. Allerdings können diese Signale von Wand und Decke abprallen, sodass es in geschlossenen Räumen ausreicht, die Fernbedienung ungefähr in Richtung des Empfängers zu halten. Bei Konstruktionen, die nicht im Freien verwendet werden, ist es auch möglich, den Empfänger fast vollständig zuzubauen, wie Abbildung 13-4 zeigt. Es reicht aus, eine Öffnung der Größe 2x2 rund um den Empfänger oder ein wenig oberhalb seiner Spitze freizulassen. Im Freien ist es schwieriger, die Verbindung zwischen Fernbedienung und Empfänger aufrechtzuerhalten. Die Fernbedienung muss genau auf den Empfänger gerichtet werden, und wenn der Empfänger starkem Sonnenlicht ausgesetzt ist, kann die Reichweite auf 1 m fallen.

Abbildung 13-4: Ein IR-Empfänger muss deine Konstruktionen nicht hässlich machen. Du kannst ihn fast vollständig abdecken. Lediglich eine Öffnung der Größe 2x2 um den Sensor ist erforderlich. Die Abdeckung kann auf einer Ebene mit dem Sensor enden, aber auch leicht darüber, ohne die Funktionsfähigkeit des Sensors zu beeinträchtigen, sofern du die Fernbedienung oberhalb des Sensors hältst.

Wie Abbildung 13-5 zeigt, weist die Fernbedienung zwei Hebel auf, einen blauen und einen roten, zu denen es auf dem Empfänger jeweils einen gleichfarbigen Ausgang gibt. Der blaue Hebel steuert alles, was an den blauen Ausgang angeschlossen ist, der rote alles am roten Ausgang. Die Fernbedienung verfügt auch über zwei Umkehrschalter für die beiden Hebel bzw. Ausgänge. Die Funktion dieser Umkehrschalter ist ganz einfach: Sie legen fest, ob sich der an den zugehörigen Ausgang angeschlossene Motor beim Vorwärtsdrücken des entsprechenden Hebels vorwärts oder rückwärts dreht. Die blauen und die roten Elemente sind voneinander unabhängig und können gleichzeitig verwendet werden. Mit anderen Worten, der blaue Hebel beeinträchtigt den roten Hebel nicht, und die Stellung des blauen Umkehrschalters hat keine Auswirkungen auf den roten.

Abbildung 13-5: Empfänger und einfache Fernbedienung

Abbildung 13-6: Die Kanalwähler auf dem Empfänger und der einfachen Fernbedienung

Für die Formulierung, dass ein Hebel alles steuert, was an seinen zugehörigen Ausgang angeschlossen ist, gibt es einen besonderen Grund. Da Power-Functions-Stecker stapelbar sind, kannst du an einen Ausgang beliebig viele Motoren und andere Elemente anschließen, die dann alle gleichzeitig über den einen Hebel gesteuert werden. Damit ist es möglich, mehr als zwei Motoren mit einem einzigen Empfänger zu steuern, wobei alle Motoren, die an denselben Ausgang angeschlossen sind, auf die gleiche Weise laufen. Damit kannst du beispielsweise ein Fahrzeug gleichzeitig mit zwei Motoren antreiben, wenn einer allein nicht ausreicht, oder dafür sorgen, dass die Scheinwerfer beim Fahren angeschaltet werden.

HINWEIS Wie viele Elemente sich gleichzeitig an eine Stromquelle anschließen lassen, hängt davon ab, wie viel Strom sie insgesamt verbrauchen. Ziehen sie zu viel Strom, schaltet sich die Quelle ab. Das kann bei der Kombination mehrerer Motoren eher passieren als bei LEDs.

Mit einem Empfänger können wir nicht mehr als zwei Funktionen unabhängig voneinander steuern. Für weitere Funktionen können wir jedoch mehrere Empfänger verwenden, für die wir jedoch nach wie vor nur eine Fernbedienung brauchen. Wie Abbildung 13-6 zeigt, weisen sowohl Empfänger als auch Fernbedienung einen einfachen orangefarbenen Schalter auf, den Kanalwähler. Er weist vier mögliche Stellungen auf, die von 1 bis 4 durchnummeriert sind. Damit können wir eine Fernbedienung für bis zu vier Empfänger verwenden.

Nehmen wir an, wir haben vier Empfänger, die alle auf einen anderen Kanal eingestellt sind: der erste auf Kanal 1, der zweite auf Kanal 2 usw. Wenn du den Kanalwähler der Fernbedienung auf 1 einstellst, reagiert nur der erste Empfänger auf ihre Signale, die anderen drei nicht. Bei der Einstellung des Kanalwählers auf 2 steuert die Fernbedienung nur den zweiten Empfänger, bei 3 nur den dritten und bei 4 nur den vierten. Dadurch können wir mit einer einzigen Fernbedienung bis zu acht Funktionen unabhängig voneinander steuern. Da aber immer nur ein Kanal auf einmal ausgewählt werden kann, lassen sich gleichzeitig immer nur höchstens zwei Funktionen steuern. Um zwei andere Funktionen zu steuern, muss der Kanalwähler der Fernbedienung umgeschaltet werden. Abbildung 13-7 zeigt eine Konfiguration aus einer Fernbedienung, vier Empfängern und acht Motoren.

Abbildung 13-7: Jeder Empfänger ist auf einen anderen Kanal eingestellt und an jedem seiner Ausgänge mit einem Motor verbunden. Dadurch können acht Motoren unabhängig voneinander gesteuert werden.

Nur zwei Funktionen gleichzeitig steuern zu können, stellt zwar eine Einschränkung dar, allerdings können wir auf einfache Weise umgehen, indem wir weitere Fernbedienungen hinzufügen. Du kannst bis zu vier Fernbedienungen zur selben Zeit einsetzen, die jeweils auf einen eigenen Kanal eingestellt sind. Viele Bastler verwenden lieber mehrere Fernbedienungen auf einmal als eine einzige, die sie von einem Kanal auf den anderen umschalten müssen. Es ist sogar möglich, für einen Empfänger mehrere Fernbedienungen einzusetzen, die alle auf denselben Kanal eingestellt sind, beispielsweise um mehreren Personen die Steuerung ein und derselben Konstruktion zu erlauben.

Wenn mehrere Fernbedienungen gleichzeitig Befehle auf verschiedenen Kanälen senden, kann das zu einer langsameren Reaktion der Empfänger führen. Das liegt daran, dass jeder Empfänger die Befehle aller vier Kanäle gleichzeitig erhält und aufgrund der Stellung seines Kanalwählers bestimmt, welche er davon ignorieren und welche er umsetzen muss. Muss der Empfänger viele Befehle gleichzeitig lesen, wird er dadurch langsamer.

Nachdem wir nun die Funktionsweise des Power-Functions-Systems kennen, sehen wir uns die einzelnen Elemente an.

Stromquellen

Im Power-Functions-System gibt es verschiedene Stromquellen. Damit haben wir die Wahl zwischen zwei unterschiedlichen Arten von Batterien und können sogar ganz auf die Verwendung handelsüblicher Batterien verzichten. An jede Stromquelle können mehrere Elemente angeschlossen werden, aber wenn zu viele davon gleichzeitig laufen, wird die Quelle durch eine elektronische Sicherung ausgeschaltet. Das kann vor allem bei Elementen geschehen, die viel Strom verbrauchen, z.B. bei Motoren. Schalte die Stromquelle in einem solchen Fall einfach aus und wieder ein.

AA-Batteriekasten

Dieser einfache Kasten nimmt sechs AA-Batterien auf, wobei die beiden Seitenfächer je drei Batterien fassen. Der Kasten ist 11x4x7 Noppen groß, wobei der orangefarbene Netzschalter eine Noppe nach oben herausragt. Dieser Schalter hat drei mögliche Stellungen – Vorwärtslauf, Stopp und Rückwärtslauf. In der ersten und zweiten Position leuchtet die AnzeigeLED neben ihm grün. Der Kasten ist vollständig noppenlos und wird über seitliche Stiftlöcher befestigt.

AAA-Batteriekasten

Dieser Kasten fasst sechs AAA-Batterien. Zum Einlegen muss die Unterseite des Kastens abgeschraubt werden. Der Kasten ist 8x4x5 Noppen groß und oben und unten mit Noppenanschluss versehen. Als Netzschalter dient eine einfache, grüne Taste, über die der Kasten ein-und ausgeschaltet wird. Die AnzeigeLED leuchtet grün, wenn der Kasten eingeschaltet ist. Mit einem einfachen, orangefarbenen Umkehrschalter wird bestimmt, ob sich die an den Kasten angeschlossenen Motoren beim Einschalten vorwärts oder rückwärts drehen. AAA-Batterien sind kleiner und leichter als AA-Batterien, können aber nicht so viele Elemente gleichzeitig antreiben und weisen nur etwa ein Drittel der Lebensdauer auf.

HINWEIS Dieser Kasten hat einen Timer, über den er nach zwei Stunden Laufzeit wieder ausgeschaltet wird. Diesen Timer kannst du anhalten, indem du den Netzschalter drei Sekunden lang drückst. Wenn du den Kasten aus-und wieder einschaltest, wird der Timer zurückgesetzt. Diese Funktion ist als Schutzmaßnahme dagegen gedacht, dass sich die Batterien entladen, wenn jemand vergisst, den Kasten auszuschalten. Allerdings kann sie sehr leicht zu der Annahme verführen, dass irgendeine Fehlfunktion vorliegt.

Akkumulator

Bei dieser Stromquelle müssen keine Batterien eingesetzt und ausgetauscht werden, da sie einen Akkumulator enthält, der über einen Trafo aufgeladen wird. Sie ist 8x4x5 Noppen groß und oben und unten mit Noppenanschluss versehen. Anders als die regulären Batteriekästen lässt sie sich nicht öffnen. Als Netzschalter dient eine einfache, grüne Taste, über die der Akku ein-und ausgeschaltet wird. Neben dem Schalter befinden sich eine AnzeigeLED, die bei eingeschalteter Spannung grün leuchtet, und ein Drehzahlregler mit 15 Positionen – je sieben für den Vorwärts-und Rückwärtslauf und eine Stoppstellung. Durch Drehen des Reglers werden die Drehzahlen aller angeschlossenen Motoren und die Helligkeit aller Lampen gesteuert. Auf die angeschlossenen Empfänger hat dieser Regler keine Auswirkung. Auf der anderen Seite des Netzschalters befinden sich die Ladebuchse für den Trafoanschluss und eine LED, die beim Aufladen rot blinkt und nach Abschluss des Ladevorgangs rotes Dauerlicht abgibt.

Der Akku enthält zwei Lithiumionen-Polymerzellen mit einer Gesamtladung von 1100 mAh, die eine Dauerspannung von 7,4 V abgeben können. Die LEGO Group empfiehlt, zum Aufladen den eigens dafür vorgesehenen Trafo zu verwenden, der getrennt verkauft wird. Die Zeit für einen vollständigen Aufladevorgang wird mit vier Stunden angegeben.

Dieser Akku ist zwar kostspielig, kann aber für Bastler, die viele herkömmliche Batterien verbrauchen, durchaus attraktiv sein. Mit ihm sind leichtere und einfachere Konstruktionen möglich, da er weniger als 80 g wiegt (je nach Hersteller der verwendeten Batterien kann der AA-Batteriekasten mehr als 200 g auf die Waage bringen). Dieser Akku kann auch dauerhaft in Modelle eingebaut werden, da nur eine Öffnung von 2x2 Noppen Größe für den Zugang zum Netzschalter und zur Ladebuchse erforderlich ist. Die Spannung ist geringer als bei Standardbatterien (9 V), aber höher als bei aufladbaren AA-Akkus (7,2 V). Auch die Ladung ist geringer als bei den meisten AA-Batterien, sodass er schneller entladen ist. Dafür aber müssen niemals Batterien ausgetauscht werden. Wenn er leer ist, kann er zum Aufladen innerhalb der Konstruktion verbleiben, da lediglich der Trafo angeschlossen werden muss. Batteriekästen dagegen müssen zum Batteriewechsel meistens ausgebaut werden.

HINWEIS Auch dieser Akku hat einen Timer, über den er nach zwei Stunden Laufzeit wieder ausgeschaltet wird. Anders als beim AAA-Batteriekasten kann dieser Timer jedoch nicht angehalten werden. Wenn du den Akku aus-und wieder einschaltest, wird der Timer zurückgesetzt.

Empfänger

Der in Abbildung 13-8 gezeigte Power-Functions-Empfänger ist 4x4x5 Noppen groß und braucht an der Rückseite mindestens eine halbe Noppenlänge Platz für den Anschluss von Steckern. Ober-und Unterseite sind mit Noppenanschlüssen versehen, und an der Vorderseite gibt es zwei Stiftlöcher. Außerdem gibt es vorn einen Kanalwähler mit vier Stellungen sowie gleich daneben eine AnzeigeLED, die leuchtet, wenn der Empfänger mit Strom versorgt wird und beim Empfang von Befehlen über den ausgewählten Kanal blinkt.

Abbildung 13-8: Vorder-und Rückansicht des Power-Functions-Empfängers

Abbildung 13-9: Der V2-Empfänger des Power-Functions-Systems. Beachte die leuchtende AnzeigeLED.

2012 wurde eine Version mit verbesserten elektronischen Elementen veröffentlicht, die sich äußerlich nur durch den Aufdruck V2 auf der Vorderseite unterscheidet (siehe Abbildung 13-9). Sie liefert mehr Strom an die Motoren, sodass sie über einen Ausgang zwei PF-L-Motoren vollständig versorgen kann. Auch bei der alten Version war es möglich, zwei L-Motoren an einen Ausgang anzuschließen, allerdings liefen sie dann nicht mit voller Leistung.

Abbildung 13-10: Die Power-Functions-Fernbedienungen: die einfache Variante (links) und die Version mit Drehzahlregler (rechts). Die Stromversorgung erfolgt jeweils über drei AAA-Batterien.

Fernbedienungen

Wie Abbildung 13-10 zeigt, gibt es zwei verschiedene Power-Functions-Fernbedienungen, nämlich die einfache und die weniger weit verbreitete mit Drehzahlregler, die sich leicht voneinander unterscheiden:

Einfache Fernbedienung Auf den Laufbefehl hin dreht sich der Motor, bis das Laufsignal nicht mehr eingeht.

Fernbedienung mit Drehzahlregler Auf den Laufbefehl hin läuft der Motor, bis das Stoppsignal eingeht.

Der Hauptunterschied besteht darin, dass bei der Verwendung der einfachen Fernbedienung der Motor anhält, wenn das Laufsignal nicht mehr gesendet wird. Das bedeutet, dass wir die Infrarotverbindung zwischen Fernbedienung und Empfänger so lange aufrechterhalten müssen, wie der Motor laufen soll. Wird der Hebel der Fernbedienung in die Stoppstellung gedrückt, hält der Motor sofort an, aber bei einem Verlust der Infrarotverbindung verlieren wir die Kontrolle über den Motor. In diesem Fall führt der Motor den zuletzt empfangenen Befehl weitere zwei Sekunden lang aus und hält erst dann an – sofern es uns nicht gelingt, die Verbindung innerhalb dieser zwei Sekunden wiederherzustellen.

Bei einer Fernbedienung mit Drehzahlregler müssen wir das Laufsignal nur senden, um den Motor zu starten. Um ihn anzuhalten, senden wir den Stoppbefehl. Es ist nicht erforderlich, die Infrarotverbindung zwischen diesen beiden Befehlen aufrechtzuerhalten.

Ein weiterer Unterschied besteht darin, wie die Signale gesendet werden. Die einfache Fernbedienung sendet einen Befehl so lange, wie der Hebel in Vorwärts-oder Rückwärtsposition steht. Bei der Fernbedienung mit Drehzahlregler dagegen wird immer nur bei der Betätigung des Reglers oder beim Drücken der Stopp-Taste ein Signal übertragen.

HINWEIS Du solltest nicht beide Arten von Fernbedienung gleichzeitig für denselben Empfänger einsetzen, da sie einander stören, was dazu führen kann, dass die mit dem Empfänger verbundenen Motoren anhalten oder sich unkontrolliert verhalten.

Dadurch kann es knifflig werden, eine Fernsteuerung zum Fahren und zum Lenken eines Modells einzusetzen, da sich die Variante mit Drehzahlregler zwar sehr gut für den Fahrantrieb eignet, aber sehr schlecht für die Lenkung (sofern du nicht den Power-Functions-Servomotor verwendest, wie in »Die Funktion des Drehzahlreglers« erklärt wird). Am besten ist es, die Lenk-und die Fahrmotoren an zwei verschiedene Empfänger anzuschließen, die auf unterschiedliche Kanäle eingestellt sind, und die Lenkung dann über die einfache Fernbedienung vorzunehmen. So kannst du die Lenkung über einen Empfänger auf Kanal 1 und den Antrieb über einen zweiten Empfänger auf Kanal 2 steuern. Solange die Fernbedienungen auf die getrennten Kanäle eingestellt sind, treten dabei keine Störungen auf.

Die einfache Fernbedienung

Die einfache Fernbedienung hat einen roten und einen blauen Hebel, die jeweils eine Vorwärts-, eine Stopp-und eine Rückwärtsstellung einnehmen können. Beim Loslassen kehren die Hebel in die StoppStellung zurück. Außerdem verfügt die einfache Fernbedienung über Umkehrschalter für die beiden Hebel. Sie misst 10x6x4 Noppen und weist einen Kanalwähler sowie eine AnzeigeLED auf, die so lange grün leuchtet, wie ein Befehl gesendet wird. Die Stromversorgung erfolgt über drei AAA-Batterien. Um sie einzusetzen, musst du die Verschalung an der Unterseite abschrauben. An beiden Seiten gibt es sieben Stiftlöcher, über die du mehrere Fernbedienungen nebeneinander verbinden kannst.

Fernbedienung mit Drehzahlregler

Die zweite Form der Fernbedienung weist einen roten und einen blauen Drehzahlregler auf, die keine feste Nullposition haben und beim Loslassen in ihrer Stellung verbleiben. Außerdem hat diese Fernbedienung zwei Umkehrschalter (je einen für die beiden Regler), zwei rote Stopp-Tasten (je eine für die beiden Regler), einen Kanalwähler und eine AnzeigeLED, die beim Senden eines Befehls grün blinkt. Die Fernbedienung misst 10x12x4 Noppen. Ihre Stromversorgung erfolgt über drei AAA-Batterien. Um sie einzusetzen, musst du die Verschalung an der Unterseite abschrauben. An beiden Seiten gibt es sieben Stiftlöcher, über die du mehrere Fernbedienungen nebeneinander verbinden kannst.

Bei der Verwendung des Power-Functions-Servomotors weist diese Fernbedienung eine besondere Funktion auf: Die Regler steuern in diesem Fall nicht die Drehzahl des Motors, sondern den Winkel des Ausgangs. Wenn du den Regler also um 30° nach rechts drehst, dreht sich auch der Ausgang des Servomotors um 30° nach rechts – oder nach links, je nachdem, wie der Umkehrschalter steht.

Die Funktion des Drehzahlreglers

Im Power-Functions-System gibt es 15 mögliche Gänge, nämlich sieben Vorwärts-und sieben Rückwärtsgänge sowie einen »Nullgang«, bei dem der Motor angehalten wird. Die Regelung erfolgt über eine Spannungsänderung und wirkt sich dadurch nicht nur auf die Drehzahl von Motoren, sondern auch auf die Helligkeit von Lichtern aus.

Bei der einfachen Power-Functions-Fernbedienung gibt es nur drei Gänge, nämlich für den Vorwärts-und den Rückwärtslauf mit voller Drehzahl und für die Drehzahl 0. Die Drehzahlregler der anderen Power-Functions-Fernbedienung dagegen senden bei der Drehung in die eine Richtung den Befehl Gang + 1 und in der anderen Richtung Gang + 2. Allerdings kann der Regler nicht sofort weitergedreht werden, sondern erst, wenn er den letzten Befehl gesendet hat. Er kann also nicht stufenlos gedreht werden, sondern nur schrittweise.

Es ist möglich, einen Regler durch alle Drehzahlbereiche von +7 bis -7 zu schalten, aber selbst wenn die Höchstgeschwindigkeit erreicht ist, kann er noch weitergedreht werden. Die Regler haben keine festgelegten Ausgangsstellungen und keine Anschläge, sondern können ewig im Kreis gedreht werden, wobei immer ein Signal nach dem anderen gesendet wird. Daher ist es nicht möglich, die Geschwindigkeit schnell zu ändern oder die aktuelle Drehzahl an der Stellung des Reglers abzulesen. Aus diesem Grund verfügt diese Form der Fernbedienung über zwei Stopp-Tasten, je eine für die beiden Regler. Es ist zwar möglich, ein Fahrzeug mithilfe der Regler anzuhalten, aber dazu sind Zeit und ein genaues Vorgehen erforderlich. Du musst das Fahrzeug beobachten, um zu erkennen, ob du tatsächlich die Drehzahl 0 erreicht hast und nicht schon bei -1 gelandet bist. Mit den Stopp-Tasten hast du dagegen eine einfache und sichere Möglichkeit – die du sehr zu schätzen wissen wirst, wenn dein Modell einem tiefen Abhang entgegenrast!

Der Power-Functions-Akku verfügt über einen Regler mit definierten Positionen. Damit können alle Motoren und Lichter gesteuert werden, die direkt oder über einen Schalter daran angeschlossen sind. Auf Infrarotempfänger und die damit verbundenen Elemente hat dieser Regler jedoch keinerlei Auswirkung.

Fernbedienungen umbauen

Es gibt viele mögliche Ergänzungen, die wir an Fernbedienungen vornehmen können, um sie an unsere Zwecke anzupassen. Im Folgenden sehen wir uns drei Möglichkeiten dafür an.

Reglerrad für eine einfache Fernbedienung

Diese einfache, robuste Ergänzung eignet sich für die Steuerung von Fahrantrieb und Lenkung.

Seitliche Hebel für eine einfache Fernbedienung

Diese kompliziertere und empfindlichere Modifikation nutzt ein Koppelgetriebe.

Lenkrad für eine Fernbedienung mit Drehzahlregler

Diese Variante dient zur Lenkung von Kettenfahrzeugen, wobei jeder Regler eine einzelne Kette steuert. Die beiden Regler sind über das zentrale Lenkrad verbunden, das nicht nur gedreht, sondern auch nach vorn und hinten geneigt werden kann. Bei richtig eingestellten Umkehrschaltern steuert die Neigung des Lenkrads den Fahrantrieb, die Drehung dagegen die Lenkung. Um das Modell beispielsweise vorwärtsfahren und dann nach rechts schwenken zu lassen, drückst du das Lenkrad nach vorn und drehst es dann nach links.

Bei diesem Umbau macht sich der Nachteil der Fernbedienung mit Drehzahlregler bemerkbar, nämlich die Tatsache, dass pro Sekunde nicht mehr als zwei Befehle gesendet werden können. Am besten funktioniert das Lenkrad, wenn du es vorsichtig und nicht zu schnell betätigst.

Linearaktoren

Linearaktoren wurden als Ergänzung zum Power-Functions-System entwickelt und bilden eine interessante Alternative zur LEGOPneumatik. Es gibt zwei Varianten, eine große und eine kleine. Die Bewegung erfolgt mithilfe eines internen Schraubengetriebes. Wird der Eingang gedreht, so wird der Aktor je nach Drehrichtung aus-oder eingefahren. Ist der Aktor komplett aus-oder eingefahren, tritt die innere Kupplung in Kraft, sodass sich der Eingang weiterdrehen kann, ohne dass das Bauteil beschädigt wird. Daher können Aktoren ohne äußere Kupplung motorisiert werden. Das Übersetzungsverhältnis des inneren Getriebes reicht aus, um sie mit Power-Functions-Motoren anzutreiben, ohne ein externes Getriebe zu verwenden. Ihre Leistung unterscheidet sich von derjenigen der LEGO-Pneumatikzylinder, sodass sie Letztere in einigen Anwendungen ersetzen und in anderen nur ergänzen können. Im Folgenden sehen wir uns die Linearaktoren an und vergleichen sie mit den Pneumatikelementen.

Großer Linearaktor

Ein großer Linearaktor ist im eingefahrenen Zustand 11 Noppen und voll ausgefahren 16 Noppen lang. Der Durchmesser beträgt zwei Noppen, es gibt jedoch zwei Arten von Halterungen (siehe Abbildung 13-11), die den Durchmesser auf drei Noppen erweitern. Mit der einen Halterung kann der Aktor beweglich montiert werden, mit der anderen fest. Zur Befestigung der Halterungen an den Aktoren sind ein oder zwei 2L-Achsen erforderlich. Die Abbildungen 13-12 und 13-13 zeigen Beispiele dafür, wie ein Aktor angetrieben werden kann.

Abbildung 13-11: Ein großer Linearaktor mit den Halterungen für die Gelenkverbindung (links) und die starre Montage (rechts)

Abbildung 13-12: Drei Beispiele für die Übertragung des Antriebs auf den großen Linearaktor. Das Übersetzungsverhältnis beträgt in allen drei Fällen 1:1.

Abbildung 13-13: Mit der Klammer für die starre Montage können ein Motor und ein Aktor zu einer Einheit zusammengeschlossen werden, die sich um eine der Befestigungsachsen dreht (hellgrau).

2010 hat LEGO bekannt gegeben, dass die früher gefertigten Aktoren einen Konstruktionsfehler aufwiesen, der bei hoher Last zu hoher Reibung und damit zu einer langsamen und plumpen Funktionsweise führen konnte. Die neue Konstruktion wurde im September 2010 eingeführt. Die nach diesem Datum hergestellten Aktoren sind äußerlich mit den alten identisch. Am einfachsten lassen sie sich durch einen Blick auf den angebrachten Produktionscode unterscheiden, wie die Abbildungen 13-14 und 13-15 zeigen.

Abbildung 13-14: Der rote Pfeil gibt an, wo sich der Produktionscode auf dem Aktor befindet. Auf der flachen, dunkelgrauen Oberfläche stehen drei Ziffern und der Buchstabe X.

Der Produktionscode besteht aus drei Ziffern und dem Buchstaben X, also z.B. 36X0. Die ersten beiden Ziffern geben die Kalenderwoche an, in der der Aktor hergestellt wurde, die letzte ist die Endziffer des Produktionsjahrs. Der Produktionscode 36X0 bedeutet also, dass der Aktor in der 36. Woche des Jahres 2010 gefertigt wurde. Das ist der Zeitpunkt, an dem die neue Konstruktion eingeführt wurde. Vor diesem Datum hergestellte Aktoren – z.B. mit dem Code 29X0 – weisen die ältere Konstruktion auf, später gefertigte – z.B. 40X0 – die verbesserte. Aber auch wenn du einen Aktor mit »Konstruktionsfehler« hast, muss das nicht unbedingt heißen, dass der Mangel tatsächlich zutage tritt.

Abbildung 13-15: Der Linearaktor aus der Nähe. Der Produktionscode lautet 40X0. Das Element wurde also in der 40. Woche des Jahres 2010 hergestellt, vier Wochen nach Einführung der verbesserten Konstruktion.

Linearaktoren können beeindruckende Lasten handhaben. Der Nachteil ist jedoch die innere Kupplung, die für erhebliche Geräuschentwicklung und Erschütterungen sorgt, sobald sie in Aktion tritt.

Kleiner Linearaktor

Ein kleiner Linearaktor ist im eingefahrenen Zustand 7 Noppen und voll ausgefahren 10 Noppen lang. Sein Durchmesser beträgt eine Noppe, die Halterung zur festen Montage ist drei Noppen breit. Der Eingang besteht hier nicht aus einem Achsloch, sondern aus einer 1L-Achse. Abbildung 13-16 zeigt einfache Möglichkeiten, um einen kleinen Linearaktor anzutreiben.

Abbildung 13-16: Drei Beispiele für die Übertragung des Antriebs auf den kleinen Linearaktor. Das Übersetzungsverhältnis beträgt in allen drei Fällen 1:1.

Der Linearaktor kann viel kleinere Lasten handhaben als sein großer Bruder, doch angesichts seiner Größe ist seine Kapazität immer noch eindrucksvoll. Im Gegensatz zum großen Aktor hat der kleine eine innere Welle aus Kunststoff, die weniger haltbar ist als die Metallwelle des großen. Die Kupplung im kleinen Linearaktor arbeitet sehr ruhig und schaltet sich nahezu nahtlos ein. In Kombination mit dem M-Motor bildet der kleine Aktor eine platzsparende Lösung.

Linearaktoren und Pneumatikzylinder im Vergleich

Linearaktoren können die meisten Aufgaben von Pneumatikzylindern übernehmen, sind aber nicht als Ersatz dafür gedacht. Die beiden Systeme unterscheiden sich auf vielen Gebieten. Die besten Ergebnisse erzielst du, wenn du sie so kombinierst, dass sie jeweils ihre eigenen Vorteile einbringen. Im Vergleich mit Pneumatikzylindern weisen Linearaktoren die folgenden Vor-und Nachteile auf.

Vorteile:

Die Lastkapazität ist höher.

Linearaktoren lassen sich direkt von Motoren antreiben; es sind keine Kompressoren und Ventile erforderlich.

Da Linearaktoren nicht auf Luftdruck angewiesen sind, weisen sie in allen Stellungen eine höhere Genauigkeit auf.

Der Stellung der Aktoren bleibt unter jeglichen Lasten erhalten. Das innere Schraubengetriebe hält den Aktor an, sodass er vom Gewicht der Last nicht bewegt werden kann.

Es sind keine Pneumatikschläuche vorhanden, nur Antriebswellen.

Nachteile:

Die Übertragung des Antriebs kann schwieriger sein, da Wellen nicht so flexibel sind wie Pneumatikschläuche. Je komplizierter das System wird und je mehr Aktoren eingesetzt werden, umso stärker fällt dieser Nachteil ins Gewicht.

Sie bewegen sich stets mit derselben Geschwindigkeit, sodass damit nicht der gleiche geschmeidige Lauf erzielt werden kann wie mit druckabhängigen Pneumatikzylindern.

Sie sind im Allgemeinen größer.

Wenn die innere Kupplung in Aktion tritt, rufen große Aktoren starke Erschütterungen hervor, was Probleme verursachen kann.

Es ist viel schwieriger, mehrere Linearaktoren zu koppeln.

Linearaktoren spiegeln echte Hydrauliksysteme nicht so gut wider wie Pneumatikzylinder.

Verlängerungskabel

Die meisten elektrischen Bauteile des Power-Functions-Systems verfügen über Kabel, die an einem Ende fest mit dem Element verbunden sind und am anderen einen Stecker aufweisen. Die Länge dieser Kabel ist jedoch beschränkt, weshalb zwei Verlängerungskabel von 20 cm bzw. 50 cm Länge eingeführt wurden (siehe Abbildung 13-17).

Diese Kabel dienen nicht nur dem offensichtlichen Zweck, elektrische PF-Verbindungen zu verlängern, sondern weisen darüber hinaus einen Adapterstecker auf. Dabei handelt es sich um eine besondere Variante des Power-Functions-Steckers, an der oben reguläre PF-Stecker und unten die Stecker des alten 9-V-Systems angeschlossen werden können (siehe Abbildung 13-18 und 13-19). Daher ist es mit den Verlängerungskabeln möglich, Elemente aus dem Power-Functions- und dem alten 9-V-System miteinander zu verbinden.

Viele 9-V-Elemente können mithilfe des Power-Functions-Systems gesteuert werden, darunter alle Motoren (dabei funktioniert auch die Drehzahlregelung) und alle Arten von Lichtern. Es ist in begrenztem Maße auch möglich, PF-Elemente in ein 9-V-System einzubauen. Beispielsweise lassen sich PF-Motoren mithilfe von 9-V-Batteriekästen und -Schaltern steuern. Für PF-Empfänger jedoch sind PF-Stromquellen erforderlich.

Abbildung 13-17: Power-Functions-Verlängerungskabel von 50 cm (oben) und 20 cm Länge (unten)

Abbildung 13-18: Draufsicht und Untersicht eines regulären Power-Functions-Steckers (links) und des Adaptersteckers (rechts). Alle Verlängerungskabel haben je einen Stecker dieser Art.

Abbildung 13-19: Oben auf dem Power-Functions-Adapterstecker (hellgrau) können beliebig viele Power-Functions-Stecker (dunkelgrau) angeschlossen werden, unten beliebig viele 9-V-Stecker (schwarz).

POWER-FUNCTIONS-ELEMENTE ALS EIGENSTÄNDIGE LEGO-KÄSTEN

Die folgenden Power-Functions-Elemente werden als eigenständige LEGO-Kästen angeboten:

8869: Schalter

8870: LED-Lampen

8871: Langes Verlängerungskabel

8878: Akkumulator

8879: Fernbedienung mit Drehzahlregler

8881: AA-Batteriekasten

8882: XL-Motor

8883: M-Motor

8884: Empfänger

8885: Einfache Fernbedienung

8886: Kurzes Verlängerungskabel

8887: Trafo für Akkumulator

88000: AAA-Batteriekasten

Sonstige Elemente

Es gibt noch einige weitere Elemente im Power-Functions-System, von denen die meisten jedoch hochgradig spezialisiert sind – z.B. für Eisenbahnen –, weshalb wir sie hier nicht beschreiben. Damit bleiben noch zwei Elemente übrig, die so universell einsetzbar sind, dass sie hier der Erwähnung bedürfen.

Schalter

Wie bereits erwähnt ist der Schalter das einfachste Steuerelement. Er misst 5x2 Noppen, hat einen Unterbau von der Höhe eines Steins und verfügt über ein angebautes Kabel, einen Stromausgang, einen Umkehrschalter und einen orangefarbenen Hebel. Der Hebel ist identisch mit dem auf der einfachen Fernbedienung und hat ebenfalls drei Stellungen (Vorwärtslauf, Rückwärtslauf und Stopp). Allerdings kehrt er beim Loslassen nicht in die Mittelstellung zurück. Außerdem verfügt er über ein Achsloch, über das der Schalter motorisiert werden kann.

LED-Lampen

Die Lampen des PF-Systems, die du in Abbildung 13-20 bis 13-22 siehst, bestehen aus einem LED-Paar, einem Y-förmigen Kabel und einem regulären Power-Functions-Stecker. Auf halber Länge tritt das Kabel in einen schwarzen Stein der Länge 2x2x1 ein, der es zweiteilt, sodass die beiden LEDs an den Enden relativ weit voneinander entfernt platziert werden können. Der schwarze Stein ist kein Stecker, sondern wie ein normaler LEGO-Stein vollständig geschlossen. Die LEDs stecken in durchsichtigen Gehäusen, die weniger als zwei Noppen hoch und weniger als eine Noppe breit sind. Die LEDs befinden sich in vorspringenden Röhren, die in ein Stiftloch passen.

Abbildung 13-20: Die Power-Functions-LEDs mit einem Hamster zum Größen vergleich

Abbildung 13-21: Seitenansicht der LEGO-LED. Das Kabel ist ein Stück weit in das Gehäuse hineingeführt, sodass es nicht so leicht abgerissen werden kann. Die eigentliche LED befindet sich in einer vorspringenden Röhre, die in ein Stiftloch passt und etwas weniger als eine Noppe lang ist.

Abbildung 13-22: Die häufigsten Methoden zum Einbau von LEDs in andere LEGOElemente. Die LEDs passen genau in ein Stiftloch. Da der vorspringende Teil weniger als eine Noppe lang ist, bleibt noch genug Platz, um auf der anderen Seite beispielsweise halbdurchsichtige runde Platten einzubauen, um die Farbe des Lichts zu ändern.

Die LEDs senden helles, weißes Licht aus, das nur vorwärtsgerichtet ist. Der Stromverbrauch ist minimal, und ihre Helligkeit lässt sich mit der Power-Functions-Drehzahlregelung einstellen. LEGO hat den Typ der verbauten LEDs im Laufe der Zeit geändert. Die Lampen aus älterer Fertigung hatten einen eher gelblichen Schein, die neueren einen bläulichen.

TEIL IV

Mechanik für Fortgeschrittene

14

Lenksysteme für Radfahrzeuge

Die Lenkung von Radfahrzeugen ist ein wichtiges und kompliziertes Thema der Automobilkonstruktion. Einige der Probleme, die sich bei richtigen Autos stellen, spielen bei LEGO-Modellen aufgrund der geringen Größe und des geringeren Gewichts keine entscheidende Rolle, aber dennoch zahlt es sich aus, die Grundprinzipien zu kennen.

In diesem Kapitel geht es um den Aufbau typischer LEGOLenksysteme sowie um die Umsetzung zusätzlicher Funktionen, etwa einer selbstzentrierenden Lenkung. Außerdem sehen wir uns die Lenkgeometrie und die Lenkung mehrerer Achsen an.

Fahrzeuge mit weniger als vier Rädern werden in diesem Kapitel nicht behandelt. Die Lenkung von Zwei-oder Dreiradfahrzeugen ist einfach, weshalb wir gleich zu den Punkten übergehen, die eine echte Herausforderung darstellen.

Einfache LEGOLenksysteme

Lenksysteme für LEGO-Konstruktionen können mit einer Reihe von Sonderelementen gebaut werden, es ist aber auch durchaus möglich, ausschließlich auf Standardteile zurückzugreifen. Als Erstes sehen wir uns einen typischen Lenkmechanismus wie den aus Abbildung 14-1 an.

In diesem Kapitel werden durchgängig dieselben Farben für bestimmte Elemente verwendet. Schwarze Teile gehören immer zum Chassis, während das Lenkrad gelb dargestellt ist. Darüber hinaus gibt es aber noch vier weitere wichtige Teile:

Lenksäule (rot) Diese Achse verbindet das Lenkrad oder den Motor mit dem Ritzel des Zahnstangengetriebes.

Zahnstangengetriebe (grau) Dieses Getriebe besteht aus einem Ritzel (hier ein Zahnrad mit acht Zähnen) und einer Zahnstange darunter (siehe Abbildung 14-4). Wenn sich das Ritzel dreht, wird die Zahnstange dadurch verschoben.

Spurhebel (blau) Diese Hebel drehen sich um ihren Anschlusspunkt am Chassis. Die Drehung wird vom Zahnstangengetriebe gesteuert.

Spindeln (grün) Dies sind die Achsen in den Spurhebeln, auf denen die Räder montiert sind.

Abbildung 14-1: Ein typischer LEGO-Lenkmechanismus

Abbildung 14-2 zeigt unseren Mechanismus in Aktion. Wenn sich die Spurhebel drehen, ändert das Fahrzeug die Fahrtrichtung. Wie Abbildung 14-3 zeigt, ist natürlich mindestens eine weitere Achse erforderlich, damit das Fahrzeug wenden kann.

Die Zahnstange in Abbildung 14-2 ist ein Sonderbauteil (2791), das eine gewisse Elastizität aufweist, sodass es sich biegen kann, um bei einer Drehung des Lenkrads nicht den Kontakt mit dem Ritzel zu verlieren. Das Ritzel kann auch zusammen mit anderen Zahnrädern eingesetzt werden, wobei wir aber die Drehung der Spurhebel ausgleichen müssen. Dieses Problem wird in Abbildung 14-4 veranschaulicht.

Abbildung 14-2: Unser einfacher Lenkmechanismus bei äußerster Auslenkung nach links, bei Geradeausfahrt und bei äußerster Auslenkung nach rechts

Wenn sich die Spurhebel drehen, fahren die Stifte, mit denen sie an der Zahnstange befestigt sind, einen Kreisbogen nach. Dadurch bewegt sich die Zahnstange in zwei Dimensionen, nämlich nicht nur nach rechts oder links, sondern auch nach vorn oder hinten. Nur die Querbewegung ist dabei erwünscht, da die Längsbewegung dazu führen kann, dass Zahnstange und Ritzel nicht mehr ineinandergreifen. Abbildung 14-5 zeigt die einfachste Lösung für dieses Problem: die Verwendung eines zusätzlichen Ritzels.

Abbildung 14-3: Ein LEGO-Mechanismus mit einer festen und einer gelenkten Achse

Abbildung 14-4: Die Drehung der Spurhebel (blau) sorgt dafür, dass sich die Zahnstange (hellgrau) nicht nur seitwärts, sondern auch nach vorn und hinten bewegt.

Eine andere Lösung besteht darin, das Ritzel in der Mitte der Längsausrichtung der Zahnstange zu platzieren, wie es in den Abbildungen 14-6 und 14-7 gemacht wird.

In diesen Abbildungen ist auch ein neues, einfaches Element des Lenksystems zu sehen. Wenn wir keine Sonderteile verwenden, benötigen wir zwei Elemente: eine Zahnstange (hellgrau, unter dem Ritzel), bei der es sich um eine gezahnte 1x4-Platte handelt, und eine Spurstange (hellblau). Die Spurstange verbindet die Enden der Spurhebel mit der Zahnstange.

Da sich die Spurstange nach vorn und hinten bewegen kann, braucht sie freien Platz um sich herum, wozu die zwei Noppen breite Lücke da ist. Wenn wir keinen Platz für eine solche Lücke verschwenden wollen, können wir eine etwas kompliziertere Spurstange wie die aus Abbildung 14-8 bauen.

Abbildung 14-5: Die einfachste Lösung für das Problem der »wegrutschenden« Zahnstange besteht darin, zwei Ritzel zu verwenden, sodass die Zahnstange in das zweite eingreift, wenn sie den Kontakt mit dem ersten verliert.

Abbildung 14-6: Ein Lenkmechanismus in der Stellung für Geradeausfahrt. Die hellblaue Spurstange ist mittig in dem zwei Noppen breiten Freiraum um die Zahnstange herum angeordnet.

Abbildung 14-7: Ein Lenkmechanismus in extremer Rechts-und Linksposition. Die Spurstange bewegt sich innerhalb des zwei Noppen breiten Abstands um das Ritzel.

Abbildung 14-8: Ein Lenkmechanismus mit dreiteiliger Spurstange. Die kurzen, über Gelenke verbundenen Abschnitte an den Seiten können schwenken, um die Drehung der Spurhebel auszugleichen.

Hier besteht die Spurstange aus drei Abschnitten, dem langen in der Mitte (mit der Zahnstange), an den mithilfe von Stiften die beiden kurzen an den Seiten angeschlossen sind. Die kurzen Abschnitte drehen sich, um die Drehung der Spurhebel auszugleichen und die Längsbewegung des Mittelabschnitts auf null zu reduzieren, wie Abbildung 14-9 zeigt.

Die dreiteilige Spurstange bildet eine zuverlässige und häufig eingesetzte Lösung. Wichtig ist, dass die seitlichen Abschnitte kürzer sind als der mittlere. Die ganze Baugruppe ist jedoch ziemlich breit und daher für schmale Fahrzeuge ungeeignet. Bei solchen Modellen können wir ein sehr einfaches Lenksystem bauen, bei dem die Zahnstange durch einen Hebel ersetzt wird (siehe Abbildung 14-10).

Damit haben wir jetzt drei Lösungen für das Problem kennengelernt, dass sich die Spurstange in Längsrichtung bewegt, und einige Beispiele dafür gesehen, wie sich ein einfaches Lenksystem aus einer Handvoll Standardteile bauen lässt. Jetzt können wir dazu übergehen, unser Lenksystem um zusätzliche Funktionen zu ergänzen.

Abbildung 14-9: Ein Lenkmechanismus mit dreiteiliger Spurstange in extremer Links-und Rechtsposition. Der mittlere Abschnitt hat keine Auslenkung mehr in Längsrichtung.

Abbildung 14-10: Ein Lenkmechanismus ohne Spurstange. Stattdessen werden zwei Knebelräder und ein kurzer Hebel (grau) verwendet, um die Bewegung der Lenkachse auf die Spurstange zu übertragen.

Selbstzentrierende Lenkung

Wie der Name schon sagt, ist eine selbstzentrierende Lenkung ein Mechanismus, der beim Loslassen von allein in die mittlere Stellung (Geradeausfahrt) zurückkehrt. Eine solche Vorkehrung wird am besten zwischen dem Lenksystem und dem Motor angeordnet, der es steuert. Die Selbstzentrierung bildet eine praktische Ergänzung beim Einsatz von Fernsteuerungen, denn dadurch kannst du ein Lenksystem konstruieren, das beim Betätigen der Hebel auf der Fernsteuerung nach links oder rechts ausschlägt und von selbst in die Mittelposition zurückkehrt, wenn du den Hebel loslässt.

HINWEIS Für diese Mechanismen werden eine einfache Power-Functions-Fernsteuerung und ein normaler Motor benötigt. Stattdessen kannst du auch eine PF-Fernsteuerung mit Drehzahlregler und einen PF-Servo-motor verwenden, deren Kombination nicht nur ein selbstzentrierendes Lenksystem möglich macht, sondern auch eine proportionale Lenkung. Einzelheiten dazu erfährst du in Kapitel 13.

Die einfachste Möglichkeit, um ein selbstzentrierendes LEGOLenksystem zu bauen, bietet das seltene Sonderelement x928cx1, die sogenannte Spannfeder. Dieses Element ist in seinem Inneren mit einer Feder ausgestattet und kann an den PF-M-Motor angeschlossen werden (siehe Abbildung 14-11). In dieser Konfiguration dreht sie den Motor immer wieder in die mittlere Position zurück, sobald er anhält.

Wenn du dieses Sonderteil nicht zu fassen bekommst, kannst du auch mithilfe eines Gummibands einen einfachen Zentriermechanismus bauen. Wie Abbildung 14-12 zeigt, besteht er aus dem Band (weiß), das zwei Balken (gelb) gegen die Seiten eines Verbinders auf der Lenkachse (rot) drückt. Wenn der Motor die Welle zu drehen beginnt, schiebt der Verbinder die Balken auseinander. Ist das Gummiband ausreichend straff, hält es die Bewegung des Verbinders rasch an. Sobald der Motor anhält, drückt es die Balken wieder zusammen, sodass der Verbinder und damit die Achse wieder in die Mittelstellung zurückkehren. Damit dieser Mechanismus reibungslos läuft, musst du ein Gummiband mit der richtigen Spannung finden.

Wie jeder andere Mechanismus hat auch die selbstzentrierende Lenkung ihre Vor-und Nachteile. Sie ist schnell und vereinfacht die Steuerung des Modells, doch da es nur drei mögliche Positionen gibt, ist eine genaue Steuerung damit nicht möglich. Daher eignet sie sich besser für schnelle Modelle, bei denen das Lenksystem schnell reagieren muss, aber nicht so gut für langsamere Fahrzeuge, die ein genaueres Lenksystem brauchen. Es ist außerdem gefährlich, eine selbstzentrierende Lenkung zusammen mit einem weiten Lenkanschlag einzusetzen, da das Fahrzeug dann bei schnellen, weiten Kurven instabil werden kann. (Der Lenkanschlag ist der maximale Winkel, um den die Räder auf einer gelenkten Achse gedreht werden können, wie in Kapitel 1 erklärt wurde.) Nach meiner Erfahrung ist jedes Modell, das nicht auf hohe Geschwindigkeiten ausgelegt ist, mit einem normalen Lenksystem, bei dem die Fahrtrichtung genau eingestellt werden kann, besser bedient. In den meisten Fällen muss der PF-M-Motor mit dem Verhältnis 9:1 untersetzt werden, um bei regulären Lenksystemen einen optimalen Ausgleich zwischen Geschwindigkeit und Genauigkeit zu erzielen.

Ackermann-Lenkgeometrie

Wenn ein Radfahrzeug in die Kurve geht, folgen die inneren und die äußeren Räder Kreisbögen mit unterschiedlichem Radius, da sie um eine Fahrzeugbreite voneinander getrennt sind. Wie Abbildung 14-13 zeigt, fährt das innere Rad einen Kreisbogen des Radius r_1 ab, das äußere einen Kreisbogen des Radius r_2 (wobei r_2 = r_1 + Breite des Fahrzeugs).

Abbildung 14-11: Die Spannfeder (gelb) und das Prinzip zum Anschluss an einen PF-M-Motor

Abbildung 14-12: Die selbstzentrierende Lenkung mit Gummiband für einen PF-M-Motor

Abbildung 14-13: Das innere und das äußere Rad eines lenkbaren Fahrzeugs folgen Kreisbögen mit unterschiedlichen Radien. r_2 ist gleich r_1 plus die Fahrzeugbreite.

Abbildung 14-14: Die Ackermann-Lenkgeometrie hält die Räder auf der gelenkten Achse beim Kurvenfahren senkrecht zum Radius.

Bei einer regulären gelenkten Achse werden das linke und das rechte Rad um genau denselben Winkel gedreht, sodass sie beide nicht dem korrekten Kreisbogen folgen. Das ruft eine zusätzliche Reibung hervor und verstärkt den Abrieb der Reifen. Bei der Ackermann-Lenkgeometrie werden die Räder um verschiedene Winkel gedreht, um diesen Fehler zu korrigieren. Genauer gesagt, sie werden so gedreht, dass sie stets senkrecht auf der Verbindungslinie zum Mittelpunkt des Fahrzeugwendekreises stehen (siehe Abbildung 14-14).

Diese Geometrie, bei der die Räder den korrekten Kreisbögen folgen, wird durch eine Änderung an den Spurhebeln erzielt. Wie Abbildung 14-15 zeigt, weisen sie nun auf die Mitte der Hinterachse.

Die zusätzliche Reibung und Reifenabnutzung sind bei LEGO-Fahrzeugen – außer bei sehr schweren und großen Modellen – vernachlässigbar. Die verbesserte Handhabung, die durch die Ackermann-Geometrie erzielt wird, ist durchaus vorteilhaft, aber auch nur bei großen Fahrzeugen mit weitem Lenkanschlag bemerkbar. Die Ackermann-Geometrie ist so wichtig, dass sie in vielen hochgezüchteten Rennautos und auch in zwei LEGO-Technic-Bausätzen verwendet wird, nämlich den Rennwagenmodellen 8865 und 8880 (siehe Abbildung 14-16). Bei beiden wird eine unabhängige, gelenkte Aufhängung verwendet, die im Bausatz 8880 auch angetrieben ist.

In diesen beiden Kästen werden besondere Spurhebel mit verschobenen Drehpunkten eingesetzt, wie Abbildung 14-17 zeigt. Beide Teile sind heute sehr selten, aber es ist möglich, aus anderen Teilen eigene angepasste Spurhebel zu bauen (siehe die Anleitung auf S. 198).

Abbildung 14-15: Echte Ackermann-Geometrie: Die Spurhebel der Vorderachse zeigen auf den Mittelpunkt der Hinterachse.

Abbildung 14-16: Bei den LEGO-Bausätzen 8865 und 8880 wurde die Ackermann-Geometrie verwendet.

Abbildung 14-17: Spurhebel aus den Bausätzen 8865 (links) und 8880 (rechts), montiert auf den Armen der Federung (blau). Beide verfügen über verschobene Drehpunkte, um eine Ackermann-Geometrie zu ermöglichen. Beim Modell 8880 können die Räder auch angetrieben werden.

Abbildung 14-18: Ackermann-Lenkgeometrie unter Verwendung einer dreiteiligen Spurstange mit längerem Mittelstück

Es gibt noch eine andere Möglichkeit, um eine Ackermann-Geometrie zu erreichen: Wie können eine dreiteilige Spurstange verwenden, bei der der Mittelabschnitt länger ist, und die beiden Seitenabschnitte im Winkel ansetzen (siehe Abbildung 14-18). Eine solche Spurstange kann sich nicht sehr weit bewegen und sollte vor der Vorderachse eingebaut werden. Bei dieser Lösung zeigen die Spurhebel nicht auf die Mitte der Hinterachse, weshalb sich nur schwer erkennen lässt, ob die korrekte Geometrie erreicht ist. Außerdem werden die Spurstangen hierbei einer starken Belastung ausgesetzt. Die mittlere Zahnstange muss geführt werden, um sie senkrecht auf dem Chassis zu halten.

Die Ackermann-Lenkgeometrie wurde weniger aufgrund ihrer Vorteile in die LEGO-Baukästen aufgenommen, sondern eher als zusätzliches technisches Schmankerl. Angesichts des Gewichts und der Größe von LEGO-Modellen sind die Vorteile einer solchen anspruchsvollen Konstruktion vernachlässigbar. Viele Bastler sehen die Verwendung in einem Modell jedoch als ein Anzeichen großer Fähigkeiten an.

Einfacher Spurhebel mit Ackermann-Geometrie

Konvergenz von Achsen

Bei der Erörterung der Ackermann-Lenkgeometrie haben wir auch den Wendekreis des Fahrzeugs erwähnt, dessen Mittelpunkt dort liegt, wo beim Kurvenfahren die Senkrechten auf die Räder zusammentreffen, wie die Abbildungen 14-19 und 14-20 zeigen. (Bei einer regulären Lenkgeometrie werden dabei die äußeren Räder ignoriert.) Wie weit der Mittelpunkt vom Fahrzeug entfernt liegt, hängt davon ab, wie stark die Räder eingeschlagen werden.

Stell dir jetzt eine Linie vor, die zu diesem Mittelpunkt weist, gleichzeitig aber auch senkrecht auf der Längsrichtung des Chassis steht. In Abbildung 14-21 geht diese Linie genau durch die feste Hinterachse. Unabhängig vom Einschlag der Räder durchquert diese Linie das Chassis immer an derselben Stelle. Dies ist die sogenannte Konvergenzlinie.

Abbildung 14-19: Der Mittelpunkt des Wendekreises bei einem Fahrzeug mit regulärer Lenkgeometrie. Das äußere gelenkte Rad wird ignoriert.

Abbildung 14-20: Der Mittelpunkt des Wendekreises bei einem Fahrzeug mit Ackermann-Lenkgeometrie. Alle Räder »zeigen« auf diesen Punkt.

Sind die Achsen eines Fahrzeugs konvergent, kann es leicht und ohne viel Reibung wenden. Die genaue Lage der Konvergenzlinie hängt von den nicht gelenkten Achsen ab. Gibt es eine davon, so fällt sie mit der Konvergenzlinie zusammen. Bei zwei nicht gelenkten Achsen liegt die Konvergenzlinie genau zwischen ihnen (siehe Abbildung 14-22). Bei drei solchen Achsen in regelmäßigen Abständen ist die Konvergenzlinie mit der mittleren identisch usw.

Bei mehr als einer gelenkten Achse können wir anhand der Konvergenzlinie deren korrekten Abstand und den Unterschied zwischen den Lenkanschlägen bestimmen. Liegen die gelenkten Achsen beispielsweise vorn und hinten am Fahrzeug, sollten sie symmetrisch um die Konvergenzlinie angeordnet sein. Das heißt, die Vorderachse und die Hinterachse müssen in entgegengesetzte Richtungen gedreht werden (siehe Abbildung 14-23).

Abbildung 14-21: Die blaue Markierung gibt die Konvergenzlinie an, also die Linie, die senkrecht auf der Längsrichtung des Chassis liegt und auf den Mittelpunkt des Wendekreises zeigt.

Abbildung 14-22: Bei einem Fahrzeug mit einer gelenkten Vorderachse und zwei nicht gelenkten Hinterachsen liegt die Konvergenzlinie genau in der Mitte zwischen den Hinterachsen. Da die Achsen der Hinterräder nicht auf den Drehpunkt zeigen, scheuern die Räder in einer Kurve über den Boden. Das stellt ein großes Problem für Fahrzeuge und Anhänger mit vielen nicht gelenkten Achsen dar, aber auch für Flugzeuge, die auf engem Raum wenden müssen.

Der komplizierteste Fall liegt vor, wenn zwei oder mehr gelenkte Achsen hintereinander liegen. Um die Konvergenz zu erhalten, müssen sie um verschiedene Winkel eingeschlagen werden. Diesen Unterschied beim Einschlag können wir mithilfe trigonometrischer Funktionen (hier vor allem des Arcustangens) berechnen.

Abbildung 14-24 zeigt ein Chassis mit zwei gelenkten und einer nicht gelenkten Achse. In diesem Fall läuft die Konvergenzlinie durch die nicht gelenkte Achse. Wir müssen nun das Verhältnis zwischen den beiden Einschlagwinkeln der gelenkten Achsen bestimmen. Dazu vergleichen wir die Abstände zwischen den beiden gelenkten Achsen und der Konvergenzlinie für einen bestimmten Einschlagwinkel der Vorderräder, in diesem Beispiel 45°. Die Vorderachse ist 13 Noppen von der Konvergenzlinie entfernt, die mittlere Achse 7 Noppen. Nun müssen wir das Verhältnis zwischen diesen beiden Abständen berechnen.

Abbildung 14-23: Wenn es sowohl vorn als auch hinten gelenkte Achsen gibt, müssen sie symmetrisch um die Konvergenzlinie herum verteilt sein.

Abbildung 14-24: Die beiden vorderen Achsen dieses Fahrwerks müssen um einen unterschiedlichen Winkel eingeschlagen werden, um die Konvergenz zu erhalten.

Als Nächstes müssen wir den Arcustangens dieses Quotienten bestimmen:

tan–1(0,54) ≈ 28 Grad

Damit kennen wir jetzt den Winkel, um den die Mittelachse eingeschlagen werden muss, wenn der Winkel der Vorderachse 45° beträgt. Um das Verhältnis zwischen diesen beiden Winkeln zu bestimmen und damit die Übersetzungsverhältnisse im Lenksystem, müssen wir den Quotienten dieser Winkel berechnen.

Das Ergebnis können wir auf 0,6 runden. Die mittlere Achse muss also um das 0,6-Fache oder um 60% des Winkels eingeschlagen werden, den die Vorderachse einnimmt. Daher muss die Lenkung der Mittelachse im Vergleich zur Vorderachse um den Faktor 0,6 untersetzt werden. Das können wir auf zwei verschiedene Weisen erreichen:

Wir verwenden ein-und dieselbe Lenkachse für beide Achsen, setzen auf den einzelnen Zahnstangen dafür aber jeweils unterschiedlich große Ritzel ein (siehe Abbildung 14-25).

Wir verwenden auf beiden Achsen die gleichen Ritzel, nehmen aber zwei Lenkachsen mit einem Getriebe dazwischen (siehe Abbildung 14-26).

Abbildung 14-25: Die erste Methode, um zwei Achsen um unterschiedliche Winkel einzuschlagen: eine Lenkachse mit zwei Ritzeln verschiedener Größe

Abbildung 14-26: Die zweite Methode, um zwei Achsen um unterschiedliche Winkel einzuschlagen: zwei identische Ritzel, aber getrennte Lenkachsen, die über ein Getriebe verbunden sind

Bei beiden Möglichkeiten kommt es auf die Größe der Zahnräder an. Wenn wir für die Vorderachse ein Zahnrad mit 20 Zähnen einsetzen, ergibt sich die Größe des Zahnrads für die Mittelachse wie folgt:

20 Zähne x 0,6 = 12 Zähne

Wir brauchen für die zweite Achse also ein Zahnrad mit 12 Zähnen. Beim Bauen des Modells müssen wir außerdem darauf achten, dass die beiden gelenkten Achsen korrekt aneinander ausgerichtet sind.

Um sich die Berechnungen zu sparen, gibt es auch noch die einfache Alternative, ein vereinfachtes Modell des Chassis zu bauen, bei dem es nur auf die Abstände zwischen den Achsen ankommt. Dieses Modell setzt du dann auf ein Blatt Papier und drehst die Räder so, dass ihre Senkrechten auf den Mittelpunkt des Wendekreises zeigen. Anschließend zeichnest du die Linien auf das Papier und misst die Winkel. Wenn diese ganzen Methoden für deine Zwecke zu aufwendig sein sollten, kannst du das Thema Konvergenz auch ganz links liegen lassen. Deine Modelle werden trotzdem fahren und Kurven nehmen – nur nicht ganz so gut wie mit konvergenten Achsen.

15

Radaufhängungen

Im vorherigen Kapitel haben wir die Prinzipien der Steuerung von Radfahrzeugen erläutert. Jetzt werfen wir einen Blick auf zwei Themen, die untrennbar mit der Steuerung von Achsen verbunden sind: Radaufhängungen und Antrieb. Diese zusammengehörigen Mechanismen sind häufig voneinander getrennt, trotzdem beeinflussen sie beide das gleiche Bauelement, die Räder, und können nur in begrenzt vielen Kombinationen gebaut werden. Ein bestimmte Aufhängung funktioniert nur mit einer bestimmten Lenkung und Antrieb.

Jede Achse eines Radfahrzeugs kann gleichzeitig aufgehängt, angetrieben und gesteuert werden. Natürlich kann eine Achse keine dieser Funktionen haben und Räder einfach verbinden. Da eine solche Achse jedoch sehr leicht zu bauen ist, behandelt dieses Kapitel nur Achsen, die zumindest angetrieben sind. Wir besprechen Achsen vier verschiedener Gruppen mit steigender Komplexität:

angetriebene Achsen (die Kraft übertragen)

angetriebene und aufgehängte Achsen
gelenkte und aufgehängte Achsen
angetriebene, gelenkte und aufgehängte Achsen

Nach Abschluss der ersten Gruppe beschäftigen wir uns mit dem Konzept der Radaufhängung. Wir lernen, wie Aufhängungen funktionieren, wie sie eingeteilt werden und wie du eine Aufhängung wählst, die den Anforderungen am besten entspricht.

Angetriebene Achsen

Eine angetriebene Achse ist ein Mechanismus, der zwei Räder verbindet und dabei Antriebskraft vom Chassis überträgt. Die Kraft stammt normalerweise von einer Antriebswelle, die sich längs des Chassis befindet und rechtwinklig zur Achse. Eine Verbindung beider Elemente ist notwendig, und ein Paar Kegelräder ist die einfachste Lösung. In der Praxis neigen Kegelräder jedoch unter hohem Drehmoment zum Springen, und an der Antriebswelle können wir ein hohes Drehmoment erwarten. So bleiben uns zwei andere Möglichkeiten: ein Differenzial oder Knebelräder. Ein Differenzial neigt viel weniger zum Springen, besonders wenn es in einer festen Struktur verbaut ist, wie in Abbildung 15-1 gezeigt. Knebelräder springen wegen ihrer Bauart wahrscheinlich überhaupt nicht (gezeigt in Abbildung 15-2).

Abbildung 15-1: So kann eine einfache, angetriebene Achse aussehen. Die Antriebswelle (rot) treibt das doppelte Kegelrad mit 20 Zähnen an, das mit dem Differenzial verbunden ist. Der noppenlose 5x7-Rahmen umfasst das Differenzial und verhindert das Springen. Es gibt zwei separate 7 Noppen lange Achsen, die das Differenzial mit den Rädern verbinden. So verwendete Achsen nennt man Halbachse.

Abbildung 15-2: Dieselbe angetriebene Achse mit einem Paar Knebelräder statt des Differenzials. Die Knebelräder springen viel weniger, selbst wenn sie in einem schwachen Rahmen verbaut werden. Die beiden Radachsen sind jetzt mit einem Achsverbinder verbunden (grün), sodass sie wie eine einzelne Achse wirken. Weitere Informationen über Differenziale, ihre Vor-und Nachteile und wie du ein eigenes baust, findest du in Kapitel 8.

Aufhängungssysteme: Konzepte und Kategorien

Eine Aufhängung ist ein Verbindungssystem, das das Chassis eines Fahrzeugs mit den Rädern verbindet. Sein Hauptzweck besteht darin, alle Räder ständig mit dem Boden in Verbindung zu halten, wodurch die Stabilität und der Antrieb des Fahrzeugs gewährleistet werden. Die Aufhängung kann das Chassis von Stößen und Vibrationen durch Bodenkontakt isolieren, dies ist aber nur eine Sekundärfunktion und nicht in alle Arten von Aufhängungen integriert.

Um die Stabilität zu erhalten, muss ein Fahrzeug mindestens drei Kontaktpunkte besitzen. Ein Fahrrad bietet z.B. nur zwei Kontaktpunkte, nämlich dort, wo die Räder den Boden berühren, und fällt um, wenn es nicht anderweitig gestützt wird oder schnell fährt. In diesem Fall kommt die Stabilität aus dem Kreiseleffekt des drehenden Rades. Ein Fahrzeug benötigt also mindestens drei Stützpunkte, und diese Punkte nennen wir Drehpunkt oder Aufhängung. Manchmal werden sie auch einfach Punkte genannt – daher der Name 3-Punkt-Aufhängung für eine Aufhängung mit drei Stützpunkten und 4-Punkt-Aufhängung für eine mit vier.

Dabei ist es wichtig zu verstehen, dass bei einem Aufhängungssystem die Anzahl der Räder und der Stützpunkte unterschiedlich ist. Eine nicht aufgehängte Achse bietet zwei Stützpunkte (einen an jedem Rad), während eine aufgehängte Achse nur einen bietet, und zwar an der Position der Aufhängung am Fahrzeug. Ein Fahrzeug mit vier Rädern kann z.B. eine aufgehängte und eine nicht aufgehängte Achse besitzen und damit drei Stützpunkte (Abbildung 15-3). Ein sechsrädriges Fahrzeug hat ebenfalls drei Stützpunkte, wenn alle drei Achsen aufgehängt sind (Abbildung 15-5).

Sieh dir einige der einfachen Chassis-Beispiele in den Abbildungen 15-3 bis 15-7 mit verschieden vielen Rädern und drei (oder mehr) Stützpunkten an (Stützpunkte sind mit roten Pfeilen markiert, Chassis schwarz und schwingende Teile der Aufhängung blau).

Die Art, wie sich Ränder zueinander bewegen, ist der erste Schritt bei der Einteilung einer Aufhängung:

Eine Aufhängung ist unabhängig, wenn sich ein Rad auf einer gegebenen Achse unabhängig vom anderen bewegen kann.

Eine Aufhängung ist abhängig, wenn sich ein Rad auf einer gegebenen Achse nicht unabhängig vom anderen bewegen kann.

In abhängigen Aufhängungen bewegt sich ein Rad abwärts, wenn sich das andere aufwärtsbewegt und umgekehrt. Alle hier gezeigten einfachen Beispiele sind abhängig (Abbildungen 15-3 bis 15-7). Die Art der Aufhängung kann bei unterschiedlichen Achsen variieren Ein Fahrzeug kann z.B. eine unabhängige vordere Aufhängung (an der Vorderachse) und eine abhängige hintere (an der Hinterachse) haben. Eine solche Kombination ist recht beliebt, da sie es ermöglicht, Fahrzeuge zu bauen, die nur so komplex wie nötig sind. In vielen Fällen gibt es einfach keinen Grund, komplizierte Aufhängungen für alle Achsen zu verwenden.

Abbildung 15-3: Ein einfaches Chassis mit vier Rädern, davon zwei auf aufgehängten Achsen

Abbildung 15-4: Es ist möglich, Chassis mit nur zwei Stützpunkten zu bauen, wie dieses mit zwei aufgehängten Achsen, aber es benötigt Elastikelemente, die es an den Achsen abstützen, damit es nicht zur Seite fällt.

Abbildung 15-5: Ein Chassis mit sechs aufgehängten Rädern

Abbildung 15-6: Ein Chassis mit acht Rädern und vier Stützpunkten, also mit vier Aufhängungspunkten. Lange Fahrzeuge mit vielen Rädern haben oft mehr als drei Stützpunkte.

Zweitens können wir Aufhängungen danach einteilen, wie sie Stöße von der Straße übertragen:

Eine Aufhängung ist gefedert, wenn das Chassis durch elastische Elemente gestützt wird, die so an der Achse befestigt sind, dass sie z. T. absorbiert werden.

Abbildung 15-7: Auch bei vielen Rädern kann die Anzahl der Stützpunkte reduziert werden, indem komplexere Aufhängungssysteme verwendet werden, die um mehr als eine Achse schwingen. So können sich die Räder der Form von Hindernissen auf mehreren Ebenen anpassen.

Eine Aufhängung ist ungefedert, wenn das Chassis direkt durch eine Achse gestützt wird, sodass alle Stöße voll auf das Chassis übertragen werden.

Die einfachste Möglichkeit, eine gefederte von einer ungefederten Aufhängung zu unterscheiden, ist zu versuchen, das Fahrzeugchassis herunterzudrücken. Eine gefederte Aufhängung gibt nach, während eine ungefederte dies nicht tut. Das liegt daran, dass ein ungefedertes Fahrzeug eine feste Bodenfreiheit besitzt, was dazu führt, dass das Chassis immer denselben Abstand zum Boden behält. Ungefederte Aufhängungen werden daher oft bei schweren Maschinen verwendet, da sie nicht unter schweren Lasten nachgeben.

Aufhängungsarten

Von den vielen Aufhängungen der Praxis erlernen wir vier, die wir mit LEGO bauen:

einfache unabhängige Aufhängung

Tatra-Aufhängung (eine besondere Art der unabhängigen Aufhängung, die von der Firma Tatra entwickelt und patentiert wurde)

Pendelachse (eine sehr einfache, abhängige Aufhängung, die auf der Drehung einer einzelnen Achse basiert)

Schwebeachse (eine Achse ohne feste Verbindung mit dem Chassis)

Wir besprechen diese Aufhängungsarten jetzt jeweils anhand einfacher Modelle. Danach betrachten wir heutige Typen von Aufhängungen.

Doppelquerlenker-Aufhängung

Typ: unabhängig, gefedert

Das Chassis ist schwarz, die Querlenker sind gelb, die Spurhebel (in diesem Fall nicht gelenkt) sind blau und die Achsen grün. Wie du siehst, ist jeder Querlenker an vier parallelen Hebeln aufgehängt, sodass er sich relativ zum Chassis auf-oder abwärtsbewegen kann und das Rad in einer aufrechten Position bleibt. Sieh dir die Beispiele in den Abbildungen 15-8 und 15-9 an.

In diesen Abbildungen fehlt ein Element, denn die Querlenker müssen ebenfalls aufgehängt werden. Mit anderen Worten: Das Chassis benötigt elastische Elemente, um es an den Querlenkern abzustützen, oder die ganze Aufhängung versagt. Stoßdämpfer sind dazu gut geeignet und in dieser Funktion sehr beliebt (Abbildung 15-10). Abbildung 15-11 zeigt ein Beispiel für ein Modell, das eine unabhängige Aufhängung verwendet.

Vorteile: bestmögliche Aufhängung für Stabilität und Haftung, die Ausrichtung der Räder ist immer konstant

Nachteile: große Breite, relativ zerbrechliche Konstruktion

Beachte, dass es möglich ist, dieselben Elastikelemente für die Aufhängungsarme beider Räder zu verwenden, die Aufhängung dadurch aber abhängig wird. Es bewegt sich also ein Rad nach oben, während sich das andere nach unten bewegt (Abbildung 15-12).

Abbildung 15-8: Unabhängige Aufhängung mit einem Rad auf einem Hindernis. Beachte, dass die Position des anderen Rades nicht Verändert ist, wie es bei einer unabhängigen Aufhängung auch sein soll.

Abbildung 15-9: Unabhängige Aufhängung mit beiden Rädern auf Hindernissen. Beide Räder überwinden Hindernisse unabhängig voneinander, daher auch der Name der Aufhängung.

Abbildung 15-10: Unabhängige Aufhängung mit vier Stoßdämpfern, die das Chassis an den Aufhängungsarmen abstützen.

Abbildung 15-11: Mein Monster-Truck war ein gutes Beispiel für die unabhängige Aufhängung. Die vertikale Ausrichtung beider Vorderräder ist trotz der großen Höhendifferenz gleich.

Abbildung 15-12: Eine Aufhängung mit Stoßdämpfern, die die Aufhängungsarme gegeneinander abstützen (links und rechts). Diese Lösung hält das Chassis stabil, die Aufhängung wird jedoch abhängig.

Tatra-Aufhängung

Typ: unabhängig, gefedert

Die Tatra-Aufhängung, auch als Schwungarmaufhängung bezeichnet, wurde von der Firma Tatra entwickelt und patentiert und hauptsächlich auch von ihr eingesetzt. Die Tatra-Aufhängung ist eine einfachere Variante der unabhängigen Aufhängung, die nur zwei Hebel je Rad als Aufhängung verwendet und die Achsen immer rechtwinklig zu den Aufhängungsarmen hält. Das bedeutet, dass sich die Ausrichtung der Räder ändert, wenn Hindernisse überwunden werden. Standardmäßig sind die Räder geneigt, wie in Abbildung 15-13 gezeigt, was für diese Art Aufhängung einzigartig ist.

Abbildung 15-13: Die Grundposition der Tatra-Aufhängung bietet zusätzliche Bodenfreiheit. Dieses »verbogene« Aussehen kann mit Beschädigungen verwechselt werden.

Abgesehen von der Räderneigung zeigt die Tatra-Aufhängung wie in Abbildung 15-14 alle Qualitäten und Eigenschaften einer normalen unabhängigen Aufhängung. Sie wird für ihre Robustheit aufgrund ihrer Einfachheit geschätzt und ist sehr gut für raues Gelände geeignet (Tatra-Offroad-Fahrzeuge gelten als Legende); ihre Nachteile bestehen in einer schlechten Seitenstabilität und Reifenverschleiß. Eine solche Aufhängung ist nur für schwere Offroad-Fahrzeuge geeignet.

Vorteile: einfach und robuster als eine normale unabhängige Aufhängung

Nachteile: geringfügig schlechtere Haftung wegen der wechselnden Radausrichtung, schlechte Seitenstabilität

Abbildung 15-14: Die Tatra-Aufhängung überwindet mit einem Rad ein Hindernis. Die Ausrichtung der Räder verändert sich dabei, weshalb diese Aufhängung Reifen mit einem runden Profil (Ballonreifen) benötigt, um eine gute Haftung zu gewährleisten.

Pendelaufhängung

Typ: abhängig, ungefedert

Eine Pendelaufhängung ist die einfachste und robusteste Art der Aufhängung: Sie ermöglicht es der Achse, an einem einzelnen Punkt vor-und zurückzuschwingen wie ein Pendel. Da sie nur aus einem massiven Element besteht, kann sie sehr schmal und aus wenigen Teilen gebaut werden. Abbildung 15-15 zeigt die Pendelaufhängung in Aktion.

Abbildung 15-15: Die Pendelaufhängung überwindet mit einem Rad ein Hindernis. Das Chassis, das mit der Achse durch die mittlere Achse verbunden ist, wird um 50% angehoben. Das ist der Stabilität und dem Fahrkomfort abträglich.

Der Nachteil besteht im großen Platzbedarf von Pendelachsen im Chassis, sodass im Modell ein großer Freiraum für den Einbau geschaffen werden muss. Die Pendelachse kann nicht gefedert werden, benötigt aber häufig Stoßdämpfer (siehe Abbildung 15-16) oder andere Elastikelemente, um stabil zu bleiben, es sei denn, du baust die Pendelachsen so in dein Fahrzeug ein, dass sie drei oder mehr Stützpunkte bieten. Die Längsachse, die hindurch verläuft, ist außerdem der einzige Weg, die Aufhängung vom Chassis aus anzutreiben. Sie wird deshalb als Antriebsachse verwendet, was bedeutet, dass diese Aufhängung an der Antriebsachse montiert wird und Druck und damit zusätzliche Reibung überträgt.

Vorteile: einfachste und robusteste Aufhängung, kann sehr schmal sein

Nachteile: ungefedert, benötigt viel Platz im Chassis, übt Reibung auf den Antriebsstrang aus (siehe »Pendelachsenaufhängung bei Drehscheiben« auf Seite 210 mit Maßnahmen, diesen Effekt zu vermindern)

Abbildung 15-16: Eine Pendelachsenaufhängung, die mit einem Paar Stoßdämpfer stabilisiert wird. Die Stoßdämpfer arbeiten gegeneinander und müssen halb eingefahren sein, wenn die Aufhängung gerade steht. Bewegt sich ein Rad nach oben, wird der eine Dämpfer daneben mehr komprimiert und der andere weniger.

Längslenkeraufhängung (Schwebeachsenaufhängung)

Typ: abhängig, gefedert

Eine Schwebeachse ist eine gefederte Variante der Pendelachsenaufhängung. Es handelt sich um ein massives Element ohne feste Verbindungen zum Chassis. Stattdessen ist sie nur mit einigen Verbindern befestigt, die eine Auf-, Ab-und Kippbewegung ermöglichen. Sie kann so schmal und robust wie eine Pendelachsenaufhängung gebaut werden und übt keinen Drück auf die Antriebswelle aus. Sie benötigt jedoch wegen der Verbinder zwischen sich und dem Chassis sehr viel Platz.

Schwebeachsen können sehr komplex werden. Die Variante, auf die wir uns konzentrieren, ist einfacher (siehe Abbildung 15-17): Sie verwendet vier Verbinder und zwei unabhängige Aufhängungsarme über der eigentlichen Achse, die durch Elastikelemente gestützt werden muss. Sie verwendet außerdem eine Antriebswelle mit einer einzelnen Universalverbindung, um die Achse am Chassis auszurichten.

Vorteile: kombiniert die Vorteile der Pendelachsenaufhängung mit einer Federung und normalerweise größerer Stabilität

Nachteile: benötigt viel Platz im Chassis

Die beste Art von Aufhängung für ein Projekt auszuwählen ist nicht immer leicht, deine Entscheidung kann sich jedoch daran orientieren, was in der Praxis verwendet wird. Luxusautos haben wegen des Passagierkomforts z.B. eine komplett unabhängige Aufhängung, während Baufahrzeuge, wie z.B. Frontlader, normalerweise eine Pendelachse verwenden, da die von ihnen bewegten schweren Lasten eine gefederte Aufhängung zu sehr belasten würden.

Abbildung 15-17: Die Schwebeaufhängung überwindet mit einem Rad ein Hindernis. Die Ausrichtung aller vier Verbindungen ändert sich, während das Chassis stabil bleibt.

Angetriebene und aufgehängte Achsen

Achsen, die gleichzeitig angetrieben und aufgehängt sind, können relativ einfach gebaut werden und sind wichtig, weil die meisten Fahrzeuge mindestens eine davon besitzen.

Pendelaufhängung mit Drehscheibe

Wie an früherer Stelle erläutert, hat die Pendelachse den Nachteil, über die Antriebswelle mit dem Chassis verbunden zu sein und dadurch die Gewichtsbelastung des Fahrzeugs zu übertragen. Dieser einzelne Belastungspunkt erzeugt zusätzliche Reibung; das Problem kann aber fast vollständig mit einer Technic-Drehscheibe gelöst werden, mit der die Aufhängung am Chassis befestigt wird (siehe Abbildung 15-18), als Alternative zu Kugelgelenken. Die Drehscheibe stützt das Fahrzeuggewicht, während die Antriebswelle nahezu unbelastet durch die Mitte der Drehscheibe geführt werden kann.

Abbildung 15-18: Der neuere Typ der Technic-Drehscheibe wird verwendet, um die Aufhängung (der hellgraue Rahmen) mit dem Chassis zu verbinden (die schwarzen L-förmigen Balken). Eine Drehscheibe ist eine feste Struktur, die hohe Belastungen bei minimaler Reibung auf der Antriebsachse (rot) aufnehmen kann, die hindurchführt.

Beachte, dass der große Durchmesser der Drehscheibe schlecht für die Bodenfreiheit ist, sodass es sinnvoll ist, den Bau zusammen mit Portalachsen auszuführen. Die Drehscheibe muss außerdem groß genug sein, um ein Differenzialgehäuse aufzunehmen, das verwendet werden kann, um Antrieb und Steuerung durch eine einzelne Drehscheibe zu führen (siehe Abbildung 15-19).

Abbildung 15-19: Da ein leeres Differenzialgehäuse frei auf der Achse dreht, kann es zur Übertragung der Lenkung über die Antriebswelle verwendet werden. Die roten Teile dienen hier als Antriebswelle und die grünen als Steuerwelle, ohne sich gegenseitig zu stören. Die Steuerwelle wird durch Kippen der Aufhängung und Drehung der Drehscheibe geringfügig beeinflusst. Trotzdem ist es eine sinnvolle Lösung, wenn Antriebs-und Lenkwelle an derselben Seite der Aufhängung angebaut werden müssen.

Stabilisierte Pendelaufhängung

Dies ist die einfachste, robuste und kompakte Aufhängung, die mit vier Stoßdämpfern stabilisiert wird. Vergiss nicht, dass Stoßdämpfer verschiedener Länge und Dämpfung verwendet werden können.

Portalachse (Vorgelegeachse)

Portalachsen sind Achsen mit Vorgelegen an den Rädern, die die Bodenfreiheit und die Untersetzung der Antriebswelle erhöhen, wie in Abbildung 15-20 gezeigt. Praktisch jede Achse, auch gelenkte, können Vorgelege besitzen und werden unter Zunahme der Breite zur Portalachse. Die beliebtesten sind Achsen mit einer Getriebekombination aus 24 und acht Zähnen, die eine Untersetzung von 3:1 bilden. Die 3:1-Untersetzung bedeutet, dass nicht nur das Drehmoment der Räder verdreifacht wird, sondern auch andere Teile der Antriebswelle nur ein Drittel der Belastung aushalten müssen.

Abbildung 15-20: Eine normale Achse (links) und eine Portalachse (rechts)

Das ist bei gelenkten Achsen sehr nützlich, was es uns ermöglicht, Kardangelenke zu verwenden, die sonst durch die Belastung beschädigt werden könnten.

Es gibt viele Möglichkeiten, schmale und robuste Vorgelege zu bauen. Die einfachste besteht aus einem fertigen LEGO-Gehäuse für Vorgelege. In das Bauteil #92908 wird #92909 eingesetzt und das Rad angebaut (siehe Abbildung 15-21). Wir bezeichnen diese sehr bequeme Konstruktion als LEGO-Nabe. Abbildung 15-22 zeigt ein Modell, das LEGO-Naben verwendet.

Abbildung 15-21: Die Teile 92909 (links) und 92908 (rechts) bilden zusammen eine LEGO-Nabe.

Abbildung 15-22: Für mein Modell des RG-35 4×4 MRAP habe ich LEGO-Naben verwendet, um einen eindrucksvollen Bodenabstand von mehr als sechs Noppen zu erreichen.

Stabilisierte Pendelaufhängung mit Portalachse

Hierbei handelt es sich um eine Variante des vorherigen Designs mit Naben, um daraus eine Portalachse zu machen.

Eine Tatra-Aufhängung, die mit vier Stoßdämpfern stabilisiert wird

Eine einfache, robuste Aufhängung ohne Differenzial, gut geeignet für raues Gelände. Vergiss nicht, Stoßdämpfer einzusetzen, sodass die Räder ein wenig nach unten gekippt sind, wenn die Aufhängung entlastet wird.

HINWEIS Es ist möglich, aber nicht empfohlen, dieses Design für eine Portalachse umzubauen, da die Seitenstabilität leiden würde.

Eine unabhängige Aufhängung

Eine typische, unabhängige Aufhängung. Sie ist breit, bietet aber eine gute Gesamtleistung.

Eine Schwebeachse mit vier Verbindungen

Eine komplexe, aber robuste Konstruktion mit großem Spielraum. Die Anleitung enthält einen teilfertigen Fahrzeugrahmen, die einfach für eine weitere Achse erweitert werden kann.

Gelenkte und aufgehängte Achsen

Es folgen einige Bauanweisungen für Achsen, die aufgehängt sind und gelenkt werden können. Sie werden oft für Vorderachsen und Autos mit Hinterradantrieb verwendet.

Eine gelenkte Pendelachse

Eine einfache Konstruktion mit Augenmerk auf kleine Baugröße. Die roten Steine simulieren das Chassis. Die Stoßdämpfer können entfernt werden, wenn die anderen Achsen das Fahrzeug genügend stabilisieren.

Eine unabhängig gelenkte Achse

Diese Konstruktion verwendet eine Reihe von Spezialbauteilen und ist die schmalstmögliche unabhängige Aufhängung. Sie ist für kleine und leichte Fahrzeuge gut geeignet.

Angetriebene, gelenkte und aufgehängte Achsen

Hier folgen Bauanweisungen für die komlexeste Achsenkategorie.

Eine unabhängige Achse

Diese Achse ist nur geringfügig komplizierter als die Version ohne Lenkung.

HINWEIS Es gibt eine ältere Version dieser Aufhängung mit anderen (älteren) Teilen aus dem LEGO-Baukasten 8880.

Pendel-Portalachse in Schwerlastausführung

Diese komplizierte und äußerst robuste Aufhängung ist für sehr raues Gelände geeignet. Anstelle eines Differenzial werden hier Knebelräder verwendet, und sie besteht fast ausschließlich aus noppenlosen Grundelementen.

Pendelachse mit Schneckengetriebe

Dies ist eine kompakte Aufhängung mit Mitteldifferenzial und Schneckengetriebe. Sie ist gut für Fahrzeuge mit Motoren geeignet, die eine erhebliche Untersetzung benötigen. Allerdings weist sie aufgrund der beiden miteinander verzahnten 8-Zähne-Rader auch ein großes Spiel auf.

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Kettenfahrzeuge und Aufhängungen

Kettenfahrzeuge sind Fahrzeugen auf Rädern in unebenem Gelände überlegen. Panzer und Baumaschinen können sich sprichwörtlich auf ihrer eigenen Fahrbahn bewegen, egal wohin sie fahren. Wir haben zwei Möglichkeiten, mit LEGO Kettenfahrzeuge zu bauen: Gummiketten und Hartplastikketten, mit ihren jeweiligen Vor-und Nachteilen.

Gummiketten

Die LEGO-Gummiketten bestehen aus einer einzelnen zusammenhängenden Gummibahn. LEGO hat sieben verschiedene Varianten davon produziert, wobei drei davon überflüssig und schwer zu bekommen sind. Die verbleibenden vier sind sich recht ähnlich, und eine Variante ist besonders beliebt (siehe Abbildung 16-1).

Abbildung 16-1: Eine große Gummikette und zwei Technic-Naben

Diese Kette hat 34 Segmente und ist weniger als drei Noppen breit. Mit der tiefen Profilierung bietet das Gummi eine exzellente Haftung. Die Gummibahn muss mit einem speziellen Zahnrad angetrieben werden, das auch als Antriebsnabe bezeichnet wird. Die Kette benötigt zwei Zahnräder, die 13 Noppen voneinander entfernt sind, wie in Abbildung 16-1 gezeigt. Die Zahnräder haben einen Durchmesser von 3 Noppen und sind nur unwesentlich schmaler. Sie sind in unterschiedlichen Farben erhältlich und haben ein Achsloch. Damit sich die Zahnräder auf einer Achse drehen, musst du sie mit 16er-Zahnrädern verbinden, wie in Abbildung 16-2 gezeigt. Du benötigst zwei 16er-Zahnräder pro Nabe – eines auf jeder Seite – oder, um Platz zu sparen, ein einzelnes Zahnrad auf einer und eine Lagerbuchse auf der anderen.

Abbildung 16-2: Zwei Naben: eine leere (links) und eine mit eingebautem 16er-Zahnrad (rechts). Da die Nabe weniger als 3 Noppen breit ist, steht das Zahnrad leicht über.

Vorteile von Gummiketten:

Sie bestehen aus einer zusammenhängenden, unzerbrechlichen Gummibahn.

Sie haben hervorragende Haftung.

Sie sind beim Fahren sehr leise.

Nachteile von Gummiketten:

Ihre Länge ist festgelegt und beschränkt.

Ihre Antriebszahnräder sind nur in einer Größe erhältlich.

Gummi verliert mit der Zeit seine Elastizität.

Hartplastikketten

Hartplastikketten (auch als feste Ketten bekannt) bestehen aus einzelnen Plastikteilen, die miteinander verbunden sind. Ihre Länge kann einfach verändert werden und sie sind in zwei Versionen erhältlich: eine ältere (und kleinere) und eine neuere (und größere) Version, die beide in Abbildung 6-3 gezeigt werden. Abbildung 16-4 zeigt ein Fahrzeug mit der neuen Variante.

Abbildung 16-3: Die ältere 15 Glieder lange Kette, und die neue 8 Glieder lange Kette, beide 13 Noppen lang

Abbildung 16-4: Die neuere feste Kette wurde mit dem bekannten 8275-Baukasten eingeführt.

Keine der beiden festen Ketten passt genau ins Noppenraster. Die Ketten sind ein wenig schmaler, was verhindert, dass sie beim Drehen an der umgebenden Struktur schleifen. Der ältere Typ ist ein bisschen weniger als drei Noppen breit und der neuere etwas weniger als fünf. Die Kettenlängen sind etwas schwieriger zu vergleichen, da auch hier kein Glied einer geraden Anzahl von Noppen entspricht. Ein 15 Glieder langer Abschnitt der älteren Kette entspricht jedoch einem 8 Glieder langen der neuen, und diese beiden Längen entsprechen wiederum 13 Noppen, wie in Abbildung 16-3 gezeigt. Ein einzelnes Glied des neuen Typs entspricht also 1,875 Gliedern des älteren. Ein Glied der neuen Kette ist 1,625 Noppen lang, während das ältere Glied 0,867 Noppen lang ist.

Die älteren Ketten gibt es hauptsächlich in Schwarz, und sie entsprechen den LEGOKetten, wie du an ihren Gliedern in Abbildung 16-5 erkennst. Das bedeutet, dass jedes Zahnrad, das gut mit einer Kette funktioniert, als Antriebszahnrad eines Kettenfahrzeugs verwendet werden kann. Wie in Abbildung 16-6 gezeigt, belegt ein einzelnes Glied zwei Zähne am Zahnrad.

Abbildung 16-5: Normale LEGO-Kettenglieder (links) und der ältere Typ (rechts). Die älteren Kettenglieder sind leicht modifiziert.

Abbildung 16-6: Ein Abschnitt der älteren Kette auf einem 16er-Zahnrad

Für die älteren Ketten können fünf Typen von Zahnrädern als Antriebsrad verwendet werden (siehe Abbildung 16-5). Andere Zahnräder sind wegen der Form ihrer Zähne nicht geeignet oder weil sie einfach zu klein sind.

Die kleinen Öffnungen in den alten Ketten können ein Plättchen, eine Kachel oder sogar einen Stein aufnehmen, der mindestens 4 Noppen lang ist (siehe Abbildung 16-7). Da Steine meist nicht verwendet werden, weil sie leicht abfallen, dienen Platten und Kacheln der Verbreiterung der Kette und verbessern ihr Aussehen.

Abbildung 16-7: Ein Abschnitt der älteren Kette mit Kacheln. Nur jedes zweite Glied kann mit Anbauteilen versehen werden.

Abbildung 16-8 zeigt mein Modell des Liebherr-R944C-Baggers, der eine Kombination von zwei Zahnrädern nutzt, um die Ketten in Position zu halten. Ich habe zwei 24er-Zahnräder am Ende der Kette verwendet und 16er-Zahnräder, um den oberen Teil der Kette in Form zu halten.

Abbildung 16-8: Modell des Liebherr R944C, mit zwei Zahnradtypen

Die neueren Ketten bestehen aus massiven Gliedern, die meist dunkelgrau sind. Versionen in Schwarz und Metallic-Silber gibt es ebenfalls. Jedes Glied hat zwei Achslöcher, die zur Modifikation dienen (siehe Abbildung 16-9).

Abbildung 16-9: Ein Stift im Kettenglied ermöglicht den Anbau von Steinen oder Kacheln.

Die neuen Ketten können nicht durch die normalen TechnicZahnräder angetrieben werden, sondern benötigen spezielle. Es gibt zwei verschiedene: ein großes Rad und ein kleines (beide in Abbildung 16-10). Das große Zahnrad kann bis zu 10 Glieder aufnehmen, ist fast zwei Noppen breit und meist gelb, seltener orange oder schwarz. Das kleinere nimmt bis zu 6 Glieder auf, ist eine Noppe dick und schwarz oder perlgrau.

Abbildung 16-10: Antriebsräder für den neuen Kettentyp

Die Achslöcher oben auf den neueren Gliedern können zum Anbauen von Technic-Steinen verwendet werden (wie in Abbildung 16-11 gezeigt) oder Balken (in Abbildung 16-12), sodass sie breiter werden und besser auf Schnee fahren. Steine und Balken können mit zwei halben oder Dreiviertelstiften an jedes Glied angebaut werden, wobei Letztere besser halten. Es ist auch möglich, normales Gummiband in den Achslöchern zu befestigen, wodurch die Haftung der Kette verbessert und der Geräuschpegel beim Fahren verringert wird.

Abbildung 16-11: Abschnitt der neuen Kette mit angebauten Steinen

Abbildung 16-12: Abschnitt der neuen Kette mit angebauten Balken

Die beiden festen Ketten unterscheiden sich in ihrer Dehnbarkeit. Der ältere Typ ist elastischer, gleichzeitig aber auch empfindlicher und bruchgefährdet. Der neuere Typ ist viel fester, aber auch starrer, weshalb es schwer ist, die optimale Spannung zu erreichen. Wenn deine Kette zu lose oder zu fest ist, wirkt sich das auf die Fahrleistung aus. Eine Faustregel ist es, sie so weit wie möglich zu spannen und dann ein halbes Glied Spiel einzustellen.

Vorteile von festen Ketten:

Ihre Länge ist variabel.

Sie sehen realistischer aus als Gummiketten.

Sie können von verschiedenen Zahnrädern angetrieben werden.

Nachteile von festen Ketten:

Sie haben eine schlechte Haftung.

Sie können sich öffnen (besonders der ältere Typ).

Das Einstellen der optimalen Spannung ist schwer (besonders beim neuen Typ).

Sie sind laut beim Fahren (besonders der neue Typ).

Kettenantriebssysteme

Ketten verbessern die Geländegängigkeit eines Fahrzeugs erheblich, besonders in Matsch, Schnee oder anderen schlüpfrigen Oberflächen. Wie gut ein Fahrzeug auf Ketten fährt, hängt aber maßgeblich von den Antriebsrädern ab.

So komisch es klingt, Räder sind für Kettenfahrzeuge nicht weniger wichtig als für ein Auto oder einen Lastwagen. Sie übertragen die Kraft auf die Kette und verhindern deren Abfallen. Sie können aufgehängt werden, um die Geländegängigkeit eines Fahrzeugs zu verbessern, womit beschrieben wird, wie gut die Aufhängung mit Hindernissen zurechtkommt. Eine Aufhängung, die sich unebenem Gelände gut anpasst, bietet eine gute Geländegängigkeit und vermindert die Stöße auf das sich bewegende Fahrzeug.

HINWEIS Die allerersten Panzer sind ein gutes Beispiel dafür, wie wichtig die Aufhängung ist. Da diese Panzer noch gar keine Aufhängung hatten, gingen die Besatzungen oft durch die Stöße k.o., die beim Überqueren von Gräben auftraten.

Sehen wir uns die grundlegenden Radsysteme an. Das einfachste Radsystem besteht aus zwei Zahnrädern je Kette, wie in Abbildung 16-13 gezeigt. Normalerweise kommt etwa die Hälfte des Zahnrads in Kettenkontakt, was mehr ist, als jedes andere Rad im System hat. Daher ist es wichtig, dass wir gerade diese Kette antreiben. Normalerweise ist ein Zahnrad angetrieben, und häufig handelt es sich dabei um das hintere, weil der Antrieb besser hinten im Fahrzeug untergebracht ist. Es spielt aber keine Rolle, welches Zahnrad angetrieben wird, da die Kette die Kräfte auch auf das andere Zahnrad überträgt.

Abbildung 16-13: Eine Kette mit zwei Zahnrädern: Ein mitlaufendes (grau) und ein angetriebenes (rot).

Die zweite Funktion der Zahnräder ist das Aufrechterhalten der Kettenspannung, was besonders beim Überwinden von Hindernissen wichtig ist. Zahnräder können an Elastikelementen aufgehängt werden, um die Spannung aufrechtzuerhalten. Ein Verlust dieser Spannung kann dazu führen, dass die Ketten vom Antriebsrad springt oder sogar auseinanderfällt.

Mit diesem Zwei-Rad-Antriebssystem ist die Konstruktion einer Aufhängung jedoch schwer. Wir können das nicht angetriebene Zahnrad relativ leicht aufhängen, beim angetriebenen wird es jedoch schwerer. Daher wurden Laufräder erfunden.

Ein ausgefeilteres System verwendet Laufräder unten am Fahrzeug (in Abbildung 16-14 blau dargestellt). Laufräder können in beliebiger Anzahl verwendet werden, sind nicht angetrieben und können einfach aufgehängt werden. Sie befinden sich normalerweise näher am Boden als die Antriebsräder und stützen das Gewicht des Fahrzeugs. Manche Fahrzeuge besitzen Antriebs-und Laufräder auf derselben Höhe, was die Aufhängung der Laufräder erschwert, aber die Kontaktfläche wischen Kette und Gelände vergrößert. In der Praxis werden Kettenfahrzeuge mit vielen kleinen (wie in Abbildung 16-15) oder wenigen großen Laufrädern gebaut. Als Kompromiss zwischen diesen Extremen verwenden viele moderne Panzer sechs oder sieben Laufräder je Kette, die knapp halb so groß sind wie die Antriebsräder.

Die kompliziertesten Systeme verwenden zusätzlich Stützrollen (gezeigt in Abbildung 16-16). Diese sind weder angetrieben noch aufgehängt, und ihre Funktion besteht darin, den oberen Teil der Kette zu stützen. Stützrollen haben nur minimalen Kontakt zur Kette und müssen sich nicht einmal drehen. Es reicht, wenn die Kette darübergleiten kann. Da Ketten immer ein wenig Spiel haben, benötigen Fahrzeuge mit langen Ketten mindestens zwei Stützrollen. Es ist auch möglich, zwei genügend große Laufräder als Stützrollen zu verwenden, wie in Abbildung 16-17 gezeigt.

Abbildung 16-14: Eine Kette mit zwei Zahnrädern und drei Laufrädern

Abbildung 16-15: Mit 11 Laufrädern je Kette ist der britische Churchill-Panzer ein Extrembeispiel für viele kleine Laufräder.

Abbildung 16-16: Eine Kette mit zwei Zahnrädern, drei Laufrädern und zwei Stützrollen

Abbildung 16-17: Sowjetische Panzer aus dem Zweiten Weltkrieg, wie der T34, verwendeten Laufräder, die oben und unten an die Kette stießen, sodass Stützrollen überflüssig waren.

Ein gutes Beispiel eines modernen Antriebssystems ist der klassische Sherman-Panzer. Er verfügt über zwei große Antriebsräder, sechs kleinere Laufräder und zwei Stützrollen je Kette (siehe Abbildung 16-18). Nur das vordere Rad ist angetrieben, das hintere läuft mit.

Abbildung 16-18: Der klassische Sherman-Panzer verwendete ein Antriebssystem mit Stützrollen.

Nachdem du die Arten von Rädern in Kettenfahrzeugen kennst, können wir bei der Aufhängung weitermachen.

Aufhängungen

Die Hauptfunktion einer Aufhängung besteht darin, die Stabilität zu verbessern und Stöße auf das Fahrzeug zu vermindern. Die zweite Funktion besteht darin zu verhindern, dass die Ketten abfallen. Eine Aufhängung erreicht dies, indem die Laufräder in dichtem Kontakt mit der Kette gehalten werden, unabhängig von der Form des Untergrunds. Die meisten Kettenfahrzeuge besitzen nur aufgehängte Laufräder, aus Gründen der Einfachheit. Alle unten beschriebenen Aufhängungen sind für Laufräder konstruiert, funktionieren aber auch mit Antriebsrädern.

HINWEIS Die Art der LEGOKette hat keinen Einfluss auf die Aufhängung, sie legt nur den Zahnradtyp für den Antrieb fest. Die Beispielaufhängungen in diesem Kapitel verwenden beide Kettentypen, um zu zeigen, wie eine bestimmte Version mit unterschiedlichen Rädern funktioniert.

Rollenbock

Ein Rollenbock ist die einfachste Art einer Kettenaufhängung. Er besteht aus einem einfachen Balken, der an jedem Ende ein Laufrad hat. Dieser Balken rotiert frei um eine Zentralachse, die mit dem Fahrzeug verbunden ist, wie in Abbildung 16-19. Da sich die Laufräder des Rollenbocks nach oben und unten bewegen, verschiebt sich die Zentralachse nur um die halbe Strecke. Bewegt sich ein Rad also 2 Noppen nach oben, wandert die Achse nur um eine Noppe, wie in Abbildung 16-20. Rollenböcke bieten also gute Geländegängigkeit, dämpfen aber keine Stöße.

Abbildung 16-19: Der gelbe Balken dreht sich um die Zentralachse und bildet einen Rollenbock mit zwei Laufrädern.

Abbildung 16-20: In diesem Beispiel wird ein Laufrad um zwei Noppen angehoben, aber die Zentralachse (und das Fahrzeug) nur um eine Noppe.

HINWEIS Das Grundprinzip des Rollenbocks ist, dass nur die halbe Bewegung der Laufräder auf das Fahrzeug übertragen wird. Dieses Prinzip gilt jedoch nur für Hindernisse, die kürzer als die Länge des Rollenbocks sind, also kürzer als der Abstand der beiden Laufräder.

Abbildung 16-21 zeigt einen Rollenbock mit den neuen LEGOKetten. Die neueren Ketten sind länger und werden normalerweise mit größeren und schwereren Fahrzeugen verwendet. Daher ist dieser Rollenbock vorn und hinten verstärkt (und steifer).

Abbildung 16-21: Ein verstärkter Rollenbock für die neuen LEGOKetten

Längslenkeraufhängung mit Stoßdämpfern

Längslenker werden in moderneren Aufhängungen verwendet, wobei sich jedes Laufrad am Ende eines Armes befindet und vom Fahrzeuggewicht über einen Stoßdämpfer abgekoppelt ist (ein weiteres Elastikelement), wie in Abbildung 16-22. Die meisten Kettenfahrzeuge bauen recht niedrig, sodass 6,5L-Stoßdämpfer für die meisten besser geeignet sind als die längeren.

Längslenkeraufhängungen sind der Kettendrehung gegenüber empfindlich, und Ketten drehen immer leichter in eine Richtung als in die andere. Die Arme befinden sich vor dem Laufrad.

Es gibt verschiedene Varianten dieser Aufhängung, abhängig vom Gewicht, das jedes Laufrad tragen muss, wie viel Platz du hast und welche Federwege und -härte du erreichen möchtest. Die Abbildungen 16-22 bis 16-24 zeigen übliche Variationen.

HINWEIS Das erste und das letzte Laufrad der Kette tragen meist mehr Last als die mittleren. Daher ist es sinnvoll, für diese Räder härtere Stoßdämpfer zu verwenden als für die mittleren. Die Gewichtsverteilung des Fahrzeugs (kopf-, mitten-oder hecklastig) sollte ebenfalls berücksichtigt werden.

Der Aufbau in Abbildung 16-23 funktioniert nur mit 24er-Zahnrädern und ist nicht besonders nachgiebig, verbraucht aber nur wenig vertikalen Raum, was hilfreich ist, wenn die Laufräder dicht beieinander liegen.

Abbildung 16-24 zeigt einen anderen kompakten Aufbau, der bei allen Arten von Rädern funktioniert, auch beim neuen Kettensystem. Es ist insgesamt flacher, die Laufräder müssen aber weiter auseinander liegen.

Abbildung 16-22: Ein einfacher Längslenkerarm mit Stoßdämpfer

Abbildung 16-23: Ein komplexerer Längslenkerarm mit zwei 24er-Zahnrädern

Abbildung 16-24: Ein kompakter Aufbau eines Längslenkers

Längslenkeraufhängungen mit Torsionsstäben

Stoßdämpfer sind effizient, aber groß. Ihre Länge kann uns dazu zwingen, größere Fahrzeuge zu bauen als gewünscht. Erfreulicherweise gibt es eine interessante Alternative beim Bau einer Längslenkeraufhängung: Torsionsstäbe.

Ein Torsionsstab ist ein langes, etwas elastisches Plastikelement, das sich rechtwinklig zum Fahrzeugrumpf befindet. Ein Ende des Stabs ist mit dem Chassis verbunden, sodass es nicht rotieren kann. Das andere Ende wird mit einem Laufrad an einem Längslenkerarm an der anderen Seite befestigt und rotiert zusammen mit dem Arm. Wenn das Laufrad sich nach oben bewegt, biegt sich der Arm um seine Achse, wie in Abbildung 16-25. Da ist es doch erfreulich, dass alle LEGO-Achsen (bis auf die ganz kurzen) elastisch genug sind, um diese Funktion zu erfüllen.

Abbildung 16-25: Grundschema eines Torsionsstabes

In der Abbildung ist die schwarze 8L-Achse der Torsionsstab. Ein Ende ist am Chassis befestigt (dem roten Stein) und das andere mit dem Längslenkerarm verbunden (der dunkelgraue Balken). Wenn das Laufrad am Ende des Arms auf ein Hindernis trifft und sich nach oben bewegt, schwingt der Längslenkerarm um seine Achse und biegt sich ein wenig. Ist das Hindernis passiert, entspannt sich die Achse, der Arm bewegt sich nach unten und das Rad ist in der Ausgangsstellung. Natürlich muss in einem echten Fahrzeug der Torsionsstab geführt werden.

Abbildung 16-26 zeigt ein komplizierteres Beispiel einer Torsionsstabaufhängung in Aktion, einschließlich einer Führung. Die 8L-Achse geht durch zwei Steine, diese sind aber nur mit dem verbunden, der dichter an der Rumpfmitte liegt. Sie kann im äußeren Stein frei rotieren, der nur als Stützpunkt dient.

Abbildung 16-26: Eine komplexere Torsionsstabaufhängung

Die Torsionsstabaufhängung benötigt nur Standardbauteile, und ihre Härte kann über kürzere oder längere Achsen eingestellt werden oder indem der Punkt verändert wird, an dem die Achsen mit dem Chassis verbunden sind (je kürzer der Arm, desto härter die Aufhängung). LEGO-Achsen zu verdrehen, scheint riskant zu sein – sie sind aber sehr widerstandsfähig. Ich habe 8L-Achsen bei Modellen mit etwa 3,5 kg Gewicht als Torsionsstab verwendet, wobei jeder Stab ein Gewicht von etwa 250 Gramm getragen hat und eine wesentlich höhere Last beim Überfahren von Hindernissen. Selbst nach vielen Testfahrten in unebenem Gelände waren die Achsen noch in hervorragendem Zustand.

Diese Art Aufhängung hat im Gegensatz zu Stoßdämpfern den Vorteil, dass sie nur wenig Platz in der Kette einnimmt. Der Nachteil besteht in einem Platzbedarf von einer Noppe in der Vertikalen unten im Rumpf (siehe Abbildung 16-27) und dass dieser Raum so dicht mit Achsen angefüllt ist, dass kein Platz für andere Teile bleibt. Eine Torsionsstabaufhängung ist außerdem nicht gut für leichte Modelle geeignet. Wenn die Durchschnittslast je Rad weniger als 100 Gramm beträgt, ist die Aufhängung fast wirkungslos.

In Abbildung 16-27 benötigt die Aufhängung nur eine Noppe vertikalen Raum, dafür aber den ganzen. Die Balken auf jeder Seite sind separate Achsen, in diesem Fall jeweils 7 Noppen lang. Es ist möglich, eine Einzelachse zu verwenden, die durch den ganzen Rumpf führt, so lange sie in der Mitte sicher verankert ist und sich die beiden Enden nicht beeinflussen.

Abbildung 16-27: Rumpfboden eines Fahrzeugs mit Torsionsstabaufhängung

Experimentieren mit Laufrädern

Frühe Kettenfahrzeuge wurden mit Laufrädern aus massivem Metall gebaut. Später erkannten die Ingenieure, dass Vibrationen zwischen Kette und Fahrzeug durch Gummiauflagen auf den Laufrädern gedämpft wurden. Heute gehören diese Auflagen zu jedem Kettenfahrzeug. Diese Auflagen unterscheiden sich von normalen Reifen: Sie bestehen aus massivem Gummi, sind dünn und haben kein Profil.

Es ist einfach, ein Laufrad mit Gummiauflage aus LEGO-Teilen zu bauen, sodass es echt aussieht: Du kannst eine Keilriemenscheibe mit einem speziellen Reifen (#70162) wie in Abbildung 16-28 verwenden.

Abbildung 16-28: Eine Riemenscheibe mit Reifen. Der Reifen ist massiv und kann leicht aufoder abgezogen werden.

Mit einem Paar Keilriemenscheiben bauen wir ein einzelnes Laufrad, das die Kette von zwei Seiten stützt, wie in Abbildung 16-29. Keilriemenscheiben sehen beim Bau mancher Kettenfahrzeuge echter aus und ermöglichen es dir, kompaktere Aufhängungen zu bauen, wie in Abbildung 16-30. (LEGO-Modelle sind nicht schwer genug, um massives Gummi einzudrücken, daher ist der Dämpfungseffekt dieser Räder minimal).

Abbildung 16-29: Ein Paar Keilriemenscheiben mit einer Noppe Abstand kann die ältere Kette gut am Platz halten. Sind sie zwei Noppen auseinander, passen sie zur neueren Kette.

Abbildung 16-30: Diese Aufhängung mit Längslenkerarm und Stoßdämpfer profitiert von den doppelten Laufrädern, die den Stoßdämpfer so niedrig wie möglich positionieren. Mit einem zentralen Laufrad müsste der Stoßdämpfer nach außen oder viel höher angebaut werden.

Mein Modell des sowjetischen T-72M-Panzers in Abbildung 16-31 hat einen anderen Ansatz: Die Keilriemenscheiben wurden einfach in der Kettenmitte eingebaut und halten diese überraschend gut an der richtigen Stelle. Gleichzeitig sind sie alle mit Torsionsstäben aufgehängt.

Abbildung 16-31: Ein Modellpanzer mit Riemenscheibe und Reifen sowie Torsionsstabaufhängung

Eine andere interessante Sache bei Keilriemenscheiben ist, dass ihr Durchmesser ohne Reifen dem einiger Zahnräder genau entspricht. Sie können also bunte Zahnräder aus ästhetischen Gründen abdecken, wie in den Abbildungen 16-32 bis 16-34.

Abbildung 16-32: Der Durchmesser einer Riemenscheibe stimmt mit dem eines 24er-Zahnrads und dem Überstand der älteren Kette überein (links) oder dem Durchmesser eines kleineren Zahnrads in der neueren Kette (rechts). Daher können Riemenscheiben die tatsächlichen Laufräder kaschieren und die ästhetik verbessern.

Abbildung 16-33: 16er-Zahnräder werden hinter 18 x 8mm-Rädern versteckt (#56902). Wie hier gezeigt, sehen die beiden Seiten der Räder unterschiedlich aus und ergeben einen interessanten optischen Effekt.

Abbildung 16-34: Der neue Typ Kette funktioniert gut mit 49,6 x 28-VR-Rädern (#6595). Diese Räder haben ebenfalls zwei unterschiedlich aussehende Seiten, und ihre Größe und Anmutung macht sie für große Modelle sehr nützlich.

Wenn du neugierig bist, wie Kettenfahrzeuge angetrieben werden, lies einfach weiter unter »Subtrahierer« auf Seite 280, wo die Methoden zum Steuern von Kettenfahrzeugen mit unabhängigen Ketten beschrieben werden.

17

Getriebe

Wie ihre echten Gegenstücke sind LEGO-Getriebe Mechanismen, die unterschiedliche Übersetzungen ermöglichen. Sie können im Antriebsstrang durch eine Untersetzung für mehr Drehmoment sorgen oder es verringern, wenn Geschwindigkeit wichtiger ist. Das Prinzip entspricht dem Wechsel eines Ganges beim Auto oder Fahrrad und ermöglicht einen flexiblen Einsatz der LEGO-Motoren.

Ein typisches Getriebe bietet eine vorgegebene Anzahl an Übersetzungsverhältnissen, die jeweils ausgewählt werden können. Dieses Verhältnis wird meist Gang genannt. Wir können in einen niedrigeren Gang schalten (ein kleineres Übersetzungsverhältnis) oder in einen höheren (mit einem größeren Übersetzungsverhältnis). Ein Getriebe muss daher aus mindestens zwei Zahnrädern bestehen (wie in Abb. 17-1), während die komplexeren mehr als 10 haben. Abhängig von den angebotenen Übersetzungen nennen wir sie 2-Gang-Getriebe, 3-Gang-Getriebe usw.

Abbildung 17-1: Das Innere eines einfachen 2-Gang-Getriebes. Was passiert, wenn wir die rote Achse eine Noppe nach links bewegen? Die grünen Zahnräder rasten aus und die blauen ein, sodass sich das Übersetzungsverhältnis zwischen Motor und Achse verändert.

Ein Getriebe hat normalerweise einen Ein-und einen Ausgang. Der Eingang wird mit dem Antriebsmotor verbunden und der Ausgang mit den Rädern oder Ketten. Ein übliches Getriebe besitzt eine Anzahl Gänge, die für jeweils verschiedene Drehgeschwindigkeiten sorgen. Mit anderen Worten: Während einige der Zahnräder für die Antriebsübertragung und bestimmte Übersetzungen sorgen, drehen andere einfach mit. Sie befinden sich quasi im Leerlauf, sie sind angetrieben, aber ohne Wirkung. In Getrieben werden sie Totgangräder genannt, und je weniger es davon gibt, desto effizienter ist das Getriebe, da sie Gewicht und Reibung beisteuern.

Schließlich betrachten wir ein spezielles Getriebe namens Verteiler. Dieses Getriebe hat einen Eingang und mehrere Ausgänge. Mit einem solchen Getriebe können mehrere Mechanismen von einem einzelnen Motor angetrieben werden, ohne einander zu beeinflussen, da immer nur ein Mechanismus zur Zeit läuft. Diesen besonderen Getriebetyp besprechen wir am Ende dieses Kapitels, jetzt wollen wir mit den einfacheren beginnen.

Getriebetypen

Getriebe lassen sich in verschiedene Kategorien einteilen. Zuerst kann ein Getriebe synchronisiert oder unsynchronisiert sein. Damit wird beschrieben, wie die Zahnräder beim Gangwechsel ineinandergreifen. Bei jedem Gangwechsel muss ein Zahnrad einrasten, während ein anderes ausrastet. In synchronisierten Getrieben können diese Zahnräder bei jeder Geschwindigkeit und Position einrasten. Bei unsynchronisierten müssen die Zähne beim Einrasten an genau der passenden Stelle stehen, was abhängig von Zahnradposition und Geschwindigkeit nicht immer der Fall ist. Wenn Zahnräder nicht richtig ineinandergreifen, werden die Zähne beschädigt, und ein Gangwechsel muss erneut versucht werden. Wir nehmen an, dass Zahnräder in synchronisierten Getrieben immer einrasten, bei unsynchronisierten ist der erfolgreiche Gangwechsel eine Frage der Zahnform am Zahnrad, der Schaltgeschwindigkeit und von Glück. Einige Typen von Zahnrad greifen in unsynchronisierten Getrieben besser ineinander als andere. Doppelkegel zum Beispiel greifen wegen ihrer Form besser ineinander als Stirnräder. Natürlich ist es viel leichter, den Gang bei einem unsynchronisierten Getriebe zu wechseln, wenn keine Kraftübertragung erfolgt, während das beim synchronisierten keinen Unterschied macht.

Schließlich können Getriebe zwischen sequenziell und regulär unterschieden werden. Sequenzielle (oder lineare) Getriebe können nur in benachbarte Gänge schalten. Man kann also von zweiten in den dritten Gang wechseln, aber nicht vom zweiten direkt in den vierten. Der Schaltvorgang muss über den dritten Gang laufen. Reguläre (nicht lineare) Getriebe haben diese Einschränkung nicht und besitzen oft aufwendige Schaltknüppel, wie in Abbildung 17-2. Man kann vom 10. Gang sogar direkt in den ersten schalten, auch wenn eine so radikale Übersetzungsänderung Gefahren birgt. In der Praxis findet man sequenzielle Getriebe oft bei Fahrrädern und Motorrädern, und die regulären in Autos.

Abbildung 17-2: Der Schaltknüppel aus dem Baukasten 8880, dem ersten LEGO-Kasten mit nichtlinearen und synchronisierten Getrieben. Das Getriebe hat 4 Gänge, und der Knüppel kann im H-Schema bewegt werden, um von einem in jeden anderen Gang zu schalten.

Antriebsringe bei LEGO-Getrieben

Mit normalen Teilen ein synchronisiertes Getriebe zu bauen ist schwer, daher hat LEGO für diesen Zweck ein Spezialbauteil entwickelt. Es wird Getriebe-Antriebsring genannt und in Abbildung 17-3 gezeigt.

Der Getriebe-Antriebsring (rot) wird auf einen Achsverbinder gesteckt (blau). Dadurch rotiert der Antriebsring zusammen mit dem Verbinder und kann gleichzeitig darauf vor-und zurückrutschen. Abbildung 17-4 zeigt, wie zwei 17er-Zahnräder mit Kupplung auf der Achse neben dem Ring befestigt werden. Die Zahnräder drehen frei auf der Achse, solange der Antriebsring nicht in sie greift.

Abbildung 17-3: Der Getriebe-Antriebsring (rot) wird auf einen Achsverbinder gesteckt (blau). Der Achsverbinder verbindet beide Achsen, wobei beide eine Noppe weit eingesetzt sind.

Die einfachste Steuerung des Antriebsrings erfolgt über ein Spezialteil namens Getriebeumschaltungs-Anschlag, wie in Abb. 17-5. Es wurde speziell für die Bewegung des Rings entwickelt und rastet in die jeweils benachbarten Zahnräder ein. Er sollte über dem Ring auf einer separaten Querachse eingebaut werden.

Abbildung 17-6 zeigt ein einfaches 2-Gang-Getriebe, das einen durch den Anschlag gesteuerten Antriebsring verwendet. Wenn wir den Ring mit dem Zahnrad nach links einrasten (in der Bildmitte), ist das Übersetzungsverhältnis 3:1. Wenn wir den Ring mit dem Zahnrad rechts verbinden (unten), ist das Verhältnis 1:1.

Abbildung 17-4: Es gibt drei Positionen für einen Getriebe-Antriebsring: am linken Zahnrad eingerastet, neutral (keine Zahnräder eingerastet) oder am rechten Zahnrad eingerastet. Nur eingerastete Zahnräder rotieren zusammen mit der Achse.

Abbildung 17-5: Der Antriebsring und der Umschaltanschlag. Der Anschlag rotiert zusammen mit seiner Achse, kann darauf aber frei rutschen. Manche Getriebe nutzen diese Eigenschaft. Eine Animation dieses Vorgangs findest du unter http://www.technicopedia.com/1994.html#Parts.

Das funktioniert, weil die 17er-Zahnräder mit Kupplung sich frei auf den Achsen drehen, solange sie nicht mit dem Ring verbunden sind. Sie können dazu benutzt werden, Kraft über ihre Achse zu übertragen, ohne sie oder andere Zahnräder darauf zu bewegen.

Wenn du synchronisierte Getriebe magst, möchtest du bestimmt auch mehr über ein Teil namens Erweiterungs-Antriebs-ring erfahren (Abbildung 17-7). Es funktioniert als Überbrückung für den normalen Antriebsring und steuert Zahnräder an, die eine Noppe weiter entfernt sind, wie in Abbildung 17-8.

Der Vorteil des Übertragungsrings ist, dass er jederzeit und bei jeder Geschwindigkeit einrasten kann, ohne den Antrieb zu stoppen. Der Nachteil ist, dass er nur bei einem bestimmten Typ Zahnrad funktioniert und daher weitere Zahnräder notwendig sind, um verschiedene Übersetzungsverhältnisse zu erreichen. Dies führt zu vielen Totgangrädern.

WARNUNG Der Übertragungsring ist drehmomentempfindlich. Es kann sich lösen oder beschädigt werden, wenn er mit zu viel Drehmoment belastet wird. Daher sind unsynchronisierte Getriebe für hohe Drehmomente besser geeignet.

Abbildung 17-6: Ein einfaches 2-Gang-Getriebe mit neutraler (oben) geringer (mitte) und hoher Übersetzung (unten)

Abbildung 17-7: Der Erweiterungs-Antriebsring (hellgrau) kann über den Übertragungs-Antriebsring (rot) gebaut werden und wird eine Noppe länger. Dabei gibt es großes Spiel zwischen Antriebsring und dem durch die Erweiterung angetriebenen Zahnrad.

Abbildung 17-8: Der Erweiterungsring schließt den Zwischenraum zwischen Antriebsring und dem eine Noppe entfernten Zahnrad, sodass es einrasten kann.

Getriebemodelle

Dieser Abschnitt zeigt verschiedene Typen von Getrieben. Für jedes Modell gibt es den Getriebetyp, eine Kurzbeschreibung und einen Plan, der die für die jeweilige Geschwindigkeit aktiven Zahnräder zeigt. Bauanleitungen für einige Getriebe folgen am Ende des Kapitels.

Die folgenden Farben werden für bestimmte Teile verwendet: Grün für die Eingangsachse, Rot für die Ausgangsachse und Hellblau für aktive Zahnräder. Zur besseren Erkennbarkeit fehlen die UmschaltAnschläge.

Vergiss nicht, dass Getriebe auch miteinander kombiniert werden können, indem der Ausgang des einen an den Eingang des anderen angeschlossen wird. Die Anzahl der Gänge multipliziert sich dabei: Eine Kombination aus 2-Gang-Getriebe mit 4-Gang ergibt 8 Gänge.

Einige Bastler verwenden in ihren Getrieben gern auch Rückwärtsgänge. Zur Realitätsnähe ist das sinnvoll. Bei der Verwendung mit Elektromotoren kann der Motor aber einfach auch andersherum drehen. Ich habe solche Entwürfe absichtlich weggelassen, da sie einen eigentlich nützlichen Gang für einen sinnlosen Zweck verschwenden.

Viele Bastler bevorzugen ein synchronisiertes Getriebe, da es viel einfacher aus der Ferne geschaltet werden kann. Auch wenn es den Rahmen dieses Buchs sprengt, benötigt ein solches Getriebe einen Steuermechanismus, der vom Getriebe unabhängig ist und der mit vielen der unten gezeigten Entwürfe verwendet werden kann. Ferngesteuerte Getriebe findest du auf der Website von Sheepo, einem der besten Getriebeentwickler: http://www.sheepo.es/.

2-Gang-Getriebe (synchronisiert)

Typ: sequenziell, synchronisiert

Dies ist das einfachste denkbare synchronisierte Getriebe (Bauanleitung auf Seite 261).

Lineares 2-Gang-Getriebe für große Kräfte

Typ: sequenziell, unsynchronisiert

Ein Getriebe speziell für hohe Drehmomente, hier mit dem PF-XL-Motor abgebildet. Die Gänge werden durch Verschieben von Getriebeteilen zusammen mit angebauten Motor gewechselt. Dadurch ist der Aufbau einfacher, und es sind weniger Zahnräder nötig (Bauanleitung auf Seite 262).

2-Gang-Getriebe für RC-Motor

Typ: sequenziell, synchronisiert

Dieses ungewöhnliche Getriebe kann mit einem oder mehreren RC-Motoren gebaut werden. LEGO-RC-Motore haben zwei Ausgänge, wobei der äußere 26% mehr Drehmoment und eine geringere Geschwindigkeit hat als der innere. Dieses Getriebe wird an beide Motorausgänge angeschlossen und ermöglicht das Umschalten zwischen beiden Ausgängen. Dadurch bekommen wir verschiedene Geschwindigkeiten, auch wenn das Getriebeverhältnis 1:1 beträgt (Bauanleitung auf Seite 264).

2-Gang-Orbitalgetriebe

Typ: sequenziell, synchronisiert

Dieses Getriebe wird zwischen zwei Zahnräder eingebaut und durch Drehung um 180 Grad geschaltet. Im Beispiel erfolgt die Rotation mit einer dunkelgrauen Welle, die nach der Drehung arretiert werden sollte. Du kannst zum Drehen und Arretieren ein Schneckengetriebe verwenden. Das Getriebe ist auch ohne Antriebsring synchronisiert und bietet sehr unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse. Es hat auch keine Totlaufräder.

Die halben Lagerbuchsen erzeugen den Zwischenraum zwischen Getriebe und den Steinen an seinen Seiten. Der Zwischenraum soll verhindern, dass die 4L-Achsen des Getriebes in die Löcher der Steine geraten und es blockieren (Bauanleitung auf Seite 266).

2-Gang-Ratschengetriebe

Typ: sequenziell, synchronisiert

Dieses Getriebe verwendet eine Ratsche zum Gangwechsel. Es schaltet, wenn sich die Drehrichtung des antreibenden Motors ändert. Es ist klein, einfach und synchronisiert, ohne dass ein Antriebsring verwendet wird. Es hält hohe Drehmomente aus, aber sein Ausgang dreht immer in dieselbe Richtung, unabhängig von der Drehrichtung am Eingang. Ein Auto fährt damit also nur vorwärts oder rückwärts.

Das Getriebe funktioniert so: Die Drehrichtung am Eingang kippt die Ratsche nach links oder rechts. Ein 17er-Zahnrad oben greift in eines der beiden 12er-Doppelkegelräder, wenn die Ratsche kippt. Das 17er-Zahnrad sitzt auf einem Achsstift mit Reibung, und der dadurch erzeugte Widerstand drückt die Ratsche gegen die 12er-Doppelkegelräder. Mit hohen Drehmomenten kommt das Getriebe zurecht. Je größer der Widerstand an der Ratsche, desto größer ist der Druck auf das obere Zahnrad. Es gibt natürlich eine Obergrenze für das Drehmoment (Bauanleitung auf Seite 267).

3-Gang-Getriebe (linear)

Typ: sequenziell, unsynchronisiert

Dieses Getriebe ist einfach, aber groß. Es verwendet eine ausziehbare Antriebswelle, sodass der Eingang gleichzeitig angetrieben und bewegt werden kann. Der Steuerhebel ist zur Deutlichkeit halbtransparent dargestellt (Bauanleitung auf Seite 268).

4-Gang-Doppelachsengetriebe

Typ: regulär, unsynchronisiert

Dieses reguläre Getriebe ist nützlich und stark. Es ist sehr einfach und relativ klein, hat aber zwei Steuerhebel, was beim Fernsteuern schwierig wird. Es besteht aus drei Wellen, die Ein-und Ausgang verbinden: einer festen und zweien, die sich um eine Noppe verschieben können. Wegen seiner Einfachheit gibt es keine Bauanleitung, sondern nur ein Gangschema. Die Steuerhebel sind zur Deutlichkeit halbtransparent dargestellt.

4-Gang-Getriebe (synchronisiert)

Typ: regulär, synchronisiert

HINWEIS Die Strukturteile und die Steuerhebel fehlen aus Gründen der Klarheit.

Dieses synchronisierte Getriebe, wie in Abbildung 17-9 bis 17-11, hat zwei Übertragungsringe, von denen nur jeweils einer zur Zeit eingerastet sein sollte. Mit geringer Größe und großen Übersetzungsunterschieden kann es durch einen einzelnen Hebel in H-Anordnung oder mit jeweils einem pro Antriebsring geschaltet werden. Es besitzt viele Totgang-und Leerlaufräder (Bauanleitung auf Seite 270).

Abbildung 17-9: Das 4-Gang-Getriebe mit einem einzelnen Steuerhebel, der im H-Schema geschaltet wird. Die sogenannten Schaltplatten (hellgrau) steuern die Bewegung des Schalthebels und stützen die Achse bei Bewegungen.

Abbildung 17-10: Das 4-Gang-Getriebe mit einem einzelnen Steuerhebel, der im H-Schema geschaltet wird. Der hebel wird in herkömmliche LEGO-Teile eingebaut.

Abbildung 17-11: Das 4-Gang-Getriebe mit zwei Schalthebeln, wobei jeder einen Antriebsring steuert. Beide Ringe können nicht gleichzeitig eingerastet sein: Einer muss auf Neutral stehen, bevor der andere einrastet.

5-Gang-Getriebe (linear)

Typ: sequenziell, unsynchronisiert

Dieses Getriebe hat eine Zentralwelle, die um 4 Noppen rutschen kann. Der Nachteil besteht darin, dass die Zentralwelle, die aus der seltenen 16L-Achse besteht, sich unter hohem Drehmoment verbiegen und Gänge ausrasten lassen kann. Wegen seiner Einfachheit gibt es keine Bauanleitung, sondern nur die Gangschemas. Der Steuerhebel ist zur Deutlichkeit halbtransparent dargestellt.

10-Gang-Getriebe (synchronisiert)

Typ: regulär, synchronisiert

HINWEIS Hier ist die Ansicht von der Unterseite, zur Deutlichkeit ohne Strukturteile oder Steuerhebel.

Das Getriebe hat vier Gänge, die mittels Erweiterungs-Antriebsringen ausgebaut werden. Wenn du es genau ansiehst, siehst du, dass es auf mehr als 10 Gänge ausgebaut werden kann, indem ein weiteres Paar Erweiterungen und vier normale Übertragungsringe hinzugefügt werden. Von hier aus kann es mit Erweiterungsringen immer weiter und weiter ausgebaut werden. Es gibt keine Grenze für die Anzahl der Gänge, jedoch wird die Zahl der Totgangräder immer größer, und ab 14 Gängen ist der Widerstand selbst für einen PF-XL-Motor zu groß (Bauanleitung auf Seite 271).

Stufenloses Getriebe

Typ: sequenziell, synchronisiert

Das stufenlose Getriebe ist eine besondere Getriebeart. Es besitzt keine feste Anzahl Gänge oder Übersetzungsverhältnisse. Stattdessen hat es ein minimales und ein maximales Übersetzungsverhältnis und kann dazwischen stufenlos geschaltet werden.

In der Praxis sind stufenlose Getriebe sehr nützlich, aber auch komplex und verwenden oft Hydraulik oder Magnete. Im einfachsten Fall baut man es aus LEGO-Kegeln und einem Gummiband.

Wie du siehst, besteht das Getriebe aus Eingangs-und Ausgangswellen mit entgegengesetzten Kegeln, die durch ein Gummiband verbunden sind. Das Band kann nach links oder rechts bewegt werden, sodass es um den breiten Teil des einen und den schmaleren Teil des anderen Kegels herumläuft. Der Umfang der Kegel beträgt 22mm an der schmalsten und 50mm an der breitesten Stelle, was einem Verhältnis von 1:2,27 entspricht. Das Getriebe kann also stufenlos zwischen 1:2,27 und 2,27:1 geschaltet werden.

Das Getriebe verträgt keine hohen Drehmomente, und die richtige Spannung des Gummibands ist für die korrekte Funktion sehr wichtig. Eine zu geringe Spannung führt zum Rutschen des Gummibands und eine zu hohe verschiebt die Kegel. Die Original-LEGO-Gummibänder sind am besten, weil sie haften und ein rundes Profil aufweisen. Es gibt sie in vielen Varianten und Längen, die je nach Abstand der Antriebswellen besser oder schlechter funktionieren. Das Steuerhebelmodul wird zwischen zwei 1x2-Steine mit Achslöchern eingebaut. Achslöcher halten den Steuerhebel nicht nur gerade. Sie bieten auch etwas Widerstand, sodass Kraft nötig ist, um den Hebel zu bewegen. So wird er nicht durch die Spannung des Gummibands bewegt (Bauanleitung auf Seite 276).

Verteilergetriebe

Diese Art von Getriebe bietet keine unterschiedlichen Übersetzungen, sondern leitet die Eingangskraft auf verschiedene Ziele um. Das Verteilergetriebe kann synchronisiert oder unsynchronisiert sein, abhängig davon, welche Antriebsringe verwendet werden. Verteilergetriebe sind nützlich, wenn mit einem Motor mehrere Ausgaben erledigt werden sollen, und sie sind in LEGO-Technic-Baukästen recht beliebt.

In den meisten Fällen sind die Verteilergetriebe einfach aufgebaut. Die Kraftübertragung zu den verschiedenen Abnehmern kann jedoch schwierig sein. Die Abbildungen 17-12 bis 17-16 zeigen Beispiele für solche Getriebe mit verschieden vielen Ausgängen, zur Deutlichkeit ohne Gehäuse. Die Beispiele haben der Einfachheit halber eine 1:1-Übersetzung, es können für unterschiedliche Ausgänge aber auch unterschiedliche Übersetzungen gebaut werden.

Abbildung 17-12: Ein unsynchronisiertes Verteilergetriebe mit zwei Ausgängen

Abbildung 17-13: Ein synchronisiertes Verteilergetriebe mit zwei Ausgängen

Abbildung 17-14: ein synchronisiertes verteilergetriebe mit vier ausgängen

Abbildung 17-15: ein synchronisiertes verteilergetriebe mit sechs ausgängen

Abbildung 17-16: ein synchronisiertes verteilergetriebe mit acht ausgängen

2-Gang-Getriebe (synchronisiert)

Lineares 2-Gang-Getriebe für große Kräfte

2-Gang-Getriebe für RC-Motor

2-Gang-Orbitalgetriebe

2-Gang-Ratschengetriebe

3-Gang-Getriebe (linear)

4-Gang-Getriebe (synchronisiert)

10-Gang-Getriebe (synchronisiert)

Stufenloses Getriebe

18

Addierer und Subtrahierer

Addierer und Subtrahierer sind Mechanismen, um zwei oder mehr Motoren zu koppeln. Gekoppelte Motoren dienen meist einer einzelnen Funktion, oft dem Antrieb eines Fahrzeugs. Sie können zusammenarbeiten (in einem Addierer) oder gegeneinander (in einem Subtrahierer). Beide Apparaturen nutzen Differenziale und beide sind Beispiele für fortgeschrittene Mechanik. Besonders faszinierend ist die Funktion des Subtrahierers.

Du wirst sehen, dass Addierer deinen Motor noch stärker machen. Subtrahierer sind beim Bau von Panzern und Baumaschinen nützlich, denn sie haben zwei Ausgänge, die perfekt zum Steuern zweier Ketten geeignet sind.

Festkopplung

Zuerst wollen wir uns eine einfachere Lösung zum Koppeln von Motoren ansehen – eine, die beide Motoren in derselben Geschwindigkeit betreibt. Eine solche Verbindung wird Festkopplung genannt (s. Abbildung 18-1).

Abbildung 18-1: Zwei fest gekoppelte Motoren mit einem Ausgang (rot)

Einen Motor durch äußere Kräfte zu verlangsamen oder zu beschleunigen, kann ihn beschädigen und dauerhaft schwächen. Die Festkopplung unterscheidet sich aber nicht sehr von der normalen Motorverwendung, wenn er durch eine Last verlangsamt oder durch Bergabfahren beschleunigt wird. Die Festkopplung zweier oder mehrerer Motoren desselben Typs ist eine risikoarme Möglichkeit, deinem Modell mehr Kraft zu verleihen. Was aber, wenn wir verschiedene Motortypen koppeln wollen oder eine Festkopplung zu risikoreich ist? Dann kommen Addierer ins Spiel.

HINWEIS Die Leistung identischer Elektromotoren kann sich unterscheiden, sodass ihre Geschwindigkeiten um wenige Prozent abweichen. Das liegt daran, dass Motoren viele Teile enthalten, die verschleißen, und schon bei der Herstellung kann es Unterschiede geben.

Koppeln über Addierer

Addierer koppeln zwei Motoren zu einem, indem sie die beiden Drehmomente zusammenführen. Im Ergebnis dreht der Ausgang mit der Durchschnittsgeschwindigkeit der beiden Motoren. Das bedeutet, dass wir zwei mittlere PF-Motore für die Fälle koppeln können, in denen einer zu schwach und ein XL-Motor zu stark ist.

Drehmomente mit einem Addierer kombinieren

Ein Addierer verwendet ein Differenzial, um die Unterschiede zwischen zwei oder mehr Eingängen auszugleichen und einen einzelnen Ausgang anzutreiben. Am Differenzial können drei Elemente als Ein-oder Ausgang verwendet werden: die beiden Achsen, die herausragen, und das Gehäuse, wie in Abbildung 18-2 gezeigt.

Abbildung 18-2: Ein Differenzial hat zwei Achsen (grün und blau) und ein Gehäuse (rot).

Ein Differenzial besteht aus einem Gehäuse mit drei Kegelrädern, von denen sich zwei auf Achsen befinden, die einander gegenüberliegen. Das dritte Zahnrad ist nur mit dem Gehäuse verbunden. Die beiden ersten Zahnräder werden Achswellenrad genannt und das am Gehäuse fixierte Planetenrad.

Werden Motoren mit einem Differenzial gekoppelt, werden alle Unterschiede an den Eingängen durch das Zahnradsystem im Differenzial ausgeglichen. Der Ausgang wird mit der Summe der beiden Drehmomente der Eingänge und deren Durchschnittsgeschwindigkeit angetrieben. Die Abbildungen 18-3 bis 18-6 zeigen Beispiele von zwei Motoren, die in einem Addierer gekoppelt sind. Der größte Unterschied zwischen diesen Varianten besteht in den unterschiedlichen Differenzialen. Die Motoreineingänge sind blau und grün und der Ausgang des Addierers ist rot.

Abbildung 18-3: Zwei PF-Medium-Motore treiben das Differenzialgehäuse und eine der Achsen an (grün). Die andere Achse (rot) ist der Ausgang.

Abbildung 18-4: Wie Abbildung 18-2, jedoch mit Motoren nebeneinander

Abbildung 18-5: Ein Addierer mit dem neuesten Differenzial

Abbildung 18-6: Ein Addierer mit dem ältesten Differenzial

HINWEIS Bei der Verwendung von Addierern sollten die Übersetzungen von Motoren und Addierer gleich sein. Unterschiedliche Übersetzungen verteilen die Last ungleich, sodass ein Motor mehr leisten muss als der andere. Das Übersetzungsverhältnis hinter dem Addierer (also zwischen ihm und dem angetriebenen Mechanismus) hat keinen Einfluss auf die Lastverteilung.

Du weißt bereits, dass ein Addierer die Drehmomente der Eingänge addiert und die Durchschnittsgeschwindigkeit bildet. Nun wollen wir diese Beziehung mathematisch ausdrücken. Wenn wir einen Motor1 und einen Motor2 haben, ist das Addierer-Drehmoment gleich

Drehmoment (Motor_1) + Drehmoment (Motor_2)

und wenn n die Summe der Motoren ist, ist die Geschwindigkeit des Addierers gleich

Eine wichtige Betrachtung beim Addierer ist die Drehrichtung der Eingänge. Gekoppelte Motoren werden normalerweise von derselben Quelle angetrieben, was zu einer identischen Drehrichtung führt. Abhängig davon, ob die Eingangsrichtungen übereinstimmen, können die Motoren mit-oder gegeneinander arbeiten. Der zweite Fall ist natürlich nicht erwünscht, da er zu weniger Drehmoment und Geschwindigkeit führt.

Alle Beispiele oben verwenden Motoren mit gleicher Laufrichtung. In einigen Fällen ist es bequem, die Motoren so zu drehen, dass sie in unterschiedliche Richtung laufen. Damit der Addierer in so einem Fall richtig funktioniert, müssen wir einen Motor rückwärtslaufen lassen, entweder durch eine Stromquelle mit umgekehrter Polarität oder durch eine Stromquelle mit Umschalter (Abbildung 18-7). Bei älteren 9-V-Motoren kannst du die Polarität umkehren, indem du den Anschluss um 90 Grad drehst.

Abbildung 18-8 zeigt zwei Addierer, bei denen ein Motor andersherum drehen muss.

Abbildung 18-7: ein Power-Functions-schalter (links) und ein 9V-systemschalter (rechts)

Abbildung 18-8: diese beiden Addierer funktionieren erst richtig, wenn wir die Laufrichtung eines Motors umkehren.

Mehr als zwei Motoren verwenden

In den meisten Fällen erhalten wir mit zwei Motoren genug Drehmoment, was aber, wenn wir noch mehr benötigen? Wir können mit einem Addierer mehr als zwei Motoren koppeln, damit wird seine Baugröße und Komplexität aber dramatisch größer, da für jeden weiteren Motor ein eigenes Differenzial nötig ist (Abb. 18-9).

Abbildung 18-9: In dieser Addiererkette sind vier Differenziale für drei Motoren notwendig.

Jedes Differenzial, abgesehen vom ersten, hat einen Eingang weniger, da es damit an das vorhergehende Differenzial angeschlossen wird (das zweite wird ans erste angeschlossen, das dritte ans zweite usw.). So haben wir nur noch einen freien Eingang und können nur einen Motor an jedes weitere Differenzial anschließen. Das entstehende hohe Drehmoment macht die Verkettung von Addierern sehr risikoreich.

Wenn mehr als zwei Motoren gekoppelt werden müssen, ist es meist besser, Motoren gleichen Typs fest miteinander zu koppeln. Dadurch wird nicht nur weniger Platz benötigt, sondern das höhere Drehmoment mehrerer Motoren ist für Differenziale auch nicht gut geeignet. Die feste Kopplung mit Knebelrädern (Abbildung 18-10) ist eine sinnvolle Alternative.

Abbildung 18-10: Diese vier Motoren sind fest mit Knebelrädern gekoppelt und damit drehmomentfester als Differenziale.

Subtrahierer

Subtrahierer kombinieren die Leistung zweier Motoren auf komplexere Art. Jeder Subtrahierer hat zwei Ein-und zwei Ausgänge und verwendet zwei Differenziale. Das Drehen eines Eingangs eines Subtrahierers lässt beide Ausgänge in dieselbe Richtung drehen. Drehen des anderen Eingangs lässt die Ausgänge in entgegengesetzte Richtungen drehen. Beide Eingänge können gleichzeitig gedreht werden, und die Ausgänge drehen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit.

Einen Subtrahierer zu verstehen ist einfacher, wenn wir an seinen Hauptzweck denken: Kettenfahrzeuge anzutreiben. Ein typisches Kettenfahrzeug hat zwei Ketten: links und rechts, wie in Abbildung 18-11 gezeigt. Wenn beide Ketten in dieselbe Richtung laufen, bewegt sich das Fahrzeug auf einer geraden Strecke voroder rückwärts. Wenn die Ketten in unterschiedliche Richtungen laufen, dreht das Fahrzeug auf der Stelle. Wenn die Ketten in unterschiedlicher Geschwindigkeit laufen, macht das Fahrzeug einen weiten Bogen, wie ein Auto, und je größer die Geschwindigkeitsdifferenz der Motoren, desto enger die Kurve.

Abbildung 18-11: Ein einfaches Kettenfahrzeug

Bei Kettenfahrzeugen können wir annehmen, dass einer der Eingangsmotoren am Subtrahierer zum Fahren und der andere zum Steuern dient. Nennen wir sie F und S, wobei F meist schneller ist als S. Läuft nur F, werden beide Ketten (also beide Ausgänge) in derselben Richtung gedreht, und das Fahrzeug fährt geradeaus. Dreht sich nur S, drehen sich beide Ketten in unterschiedliche Richtungen, und das Fahrzeug dreht auf der Stelle. Etwas Interessantes passiert, wenn F und S gleichzeitig angetrieben werden: Eine Kette dreht sich mit der Geschwindigkeit F+S und die andere mit F-S. Anhängig vom Geschwindigkeitsunterschied kann sich jede Kette sehr langsam drehen (F>S), anhalten (F=S) oder umgekehrt (F<S). Abbildung 18-12 zeigt, wie F und S die Fahrzeugbewegung beeinflussen.

Abbildung 18-12: Die Spur eines Kettenfahrzeugs bei angetriebenen Subtrahierereingängen. F stellt den Fahrmotor dar (schneller) und S den steuermotor (langsamer).

Durch Regeln der Eingangsgeschwindigkeiten können wir jede Kombination von Kettengeschwindigkeiten ermöglichen: Jede Kette kann anhalten oder vorwärts-oder rückwärtslaufen, und zwar bei einer Geschwindigkeit von fast Null bis zur Summe beider Eingangsgeschwindigkeiten.

Das Verhältnis der beiden Maximalgeschwindigkeiten der Motoren beeinflusst die Funktion des Subtrahierers. Für unser Beispiel stellen wir uns ein Fahrzeug vor, das mit voller Geschwindigkeit geradeausfährt und dann eine Kurve beginnt. Es gibt drei Möglichkeiten:

Ist die Geschwindigkeit von F größer als von S, wird keine Kette angehalten oder läuft rückwärts. Eine Kette läuft langsamer, die andere beschleunigt. Das Fahrzeug beginnt mit einer Kurve und bewegt sich immer noch in dieselbe Richtung.

Ist die Geschwindigkeit vom F gleich S, hält eine Kette an und die andere beschleunigt. Das Fahrzeug dreht sich beinahe auf der Stelle, und die angehaltene Kette bildet den Drehpunkt.

Ist die Geschwindigkeit von F kleiner als S, läuft eine Kette rückwärts und die andere beschleunigt. Das Fahrzeug dreht beinahe auf der Stelle, und der Drehpunkt liegt zwischen den Ketten und einem Punkt, der proportional zu ihren Geschwindigkeiten ist (näher an der langsamen, weiter weg von der schnelleren Kette).

Die Differenz zwischen den Maximalgeschwindigkeiten F und S ist eine wichtige Sache bei der Auswahl von Motoren und Übersetzungsverhältnissen im Subtrahierer. Normalerweise ist der erste der drei oben stehenden Fälle (mit schnellerem Fahrmotor und langsamerem Steuermotor) der realistischste und bequemste: Ein Fahrzeug, das schneller vorwärtsfährt als es dreht, ist einfach zu lenken und verhält sich wie echte Kettenfahrzeuge.

Die Geschwindigkeit der Lenkung spielt beim Drehen auf der Stelle eine wichtige Rolle. Die Ketten drehen sich in unterschiedliche Richtungen, also ist die Differenz der beiden Kettengeschwindigkeiten gleich der doppelten Drehgeschwindigkeit am Eingang. Zu viel Drehgeschwindigkeit macht unser Fahrzeug eher zu einem Karussell als zu einem Panzer. Das Drehen auf der Stelle erzeugt außerdem sehr viel Reibung, da die Ketten den Boden auf einer großen Fläche berühren. Eine Untersetzung ist für den Steuereingang daher sinnvoll: weniger Geschwindigkeit, mehr Drehmoment.

Warum Subtrahierer?

Wie du dir vorstellen kannst, kann ein Kettenfahrzeug mit zwei Motoren auch anders gesteuert werden: Ein Motor treibt die linke und der andere die rechte Kette an. Ein Subtrahierer benötigt ebenfalls zwei Motoren, hat aber mehrere Vorteile:

Bessere Steuerung Ein Fahrzeug mit einem Subtrahierer kann genau geradeausfahren, während eines mit zwei separaten Motoren auf unterschiedliche Motorgeschwindigkeiten und seine Gewichtsverteilung reagiert.

Geringerer Stromverbrauch Mit einem Subtrahierer dient ein Motor zum Fahren und der andere zum Steuern. Es können also unterschiedliche Typen verwendet werden. Die Ketten separat anzusteuern, benötigt andererseits zwei identische Motoren, und zwei starke Motoren haben einen höheren Stromverbrauch als ein starker und ein schwacher.

Mehr Mechanismen Einen weiteren Mechanismus an den Antriebsstrang anzuschließen (einen nachgebauten Kolbenmotor oder einen Lüfter im Motorraum) ist beim Subtrahierer leicht, da es einen speziellen Antriebsmotor gibt. Werden zwei separate Motoren verwendet, kann der Mechanismus nicht an beide angeschlossen werden, und eine Sonderfunktion an einem einzelnen Motor macht ihn langsamer, sodass die Geschwindigkeiten nicht mehr stimmen.

Bessere Fernsteuerung Ohne Subtrahierer musst du die Geschwindigkeit der Motoren für die Kurvenfahrt separat regeln können. Die normale Fernsteuerung kann das Fahrzeug aber nur geradeausfahren oder auf der Stelle drehen lassen.

Die Vorteile eines Subtrahierers nehmen ab, wenn du die Fernsteuerung mit Geschwindigkeitsregelung hast, mit der du die Geschwindigkeit beider Motoren getrennt regeln kannst. Es gibt beim Subtrahierer jedoch auch Nachteile, die immer berücksichtigt werden sollten. Erstens ist ein Subtrahierer relativ groß und komplex, benötigt viele Teile und macht das Fahrzeug schwerer. Zweitens nutzt der Subtrahierer Differenziale, die durch hohes Drehmoment beschädigt werden können. Nach meinen Erfahrungen ist die Gefahr beim Einsatz von Subtrahierern an Fahrzeugen mit mehr als 3 kg groß, dass die Knebelräder im Differenzial beschädigt werden, unabhängig vom Übersetzungsverhältnis zwischen Subtrahierer und Antriebsrädern. Der andere Nachteil bei Subtrahierern ist, dass sie nicht dieselbe Leistung haben wie zwei Antriebsmotoren.

Längssubtrahierer

Die lange, schmale Form eines Längssubtrahierers macht ihn zu einer guten Wahl für Kettenfahrzeuge, die lang und schmal mit wenig Platz zwischen den Ketten sind. Abbildung 18-13 zeigt den Fahreingang (F) in Blau, den Steuereingang (S) in Grün, die Ausgänge in Rot und die Antriebsräder für die Ketten in Gelb.

Jeder Motor treibt beide Differenziale gleichzeitig an. Der PF-XL-Motor hat eine 1:1-Übersetzung. Der PF-Medium-Motor hat eine 9:1-Übersetzung. Dieses Verhältnis macht die Steuergeschwindigkeit langsamer als die Fahrgeschwindigkeit, obwohl die Drehzahl des Medium-Motors höher ist als die des XL. Der Fahreingang dreht mit 146 U/min (die normale Geschwindigkeit des XL-Motors) und der Steuereingang dreht mit 30,6 U/min (die Geschwindigkeit des Medium-Motors geteilt durch 9).

Natürlich kann ein Subtrahierer mit verschiedenen Motorkombinationen und Übersetzungen umgehen. Das hier gezeigte Beispiel ist jedoch die effizienteste Kombination für die meisten Anwendungen. Wenn du am Antriebsrad die richtige Übersetzung verwendet, kannst du mit einem einzelnen XL-Motor leicht 2 kg schwere Modelle antreiben. Die Effizienz schwererer Fahrzeuge hängt jedoch sehr von der Beschaffenheit der Oberfläche ab, die es befährt. Um für größere Fahrzeuge mehr Leistung zu erhalten, kannst du mehr als einen Motor am Fahreingang anschließen, z.B. mit einem Addierer.

Abbildung 18-13: Ein Längssubtrahierer

Es folgen Hinweise zum Einbau dieses Subtrahierers in eine kräftige Struktur. Viele Details können abgewandelt werden, so auch die Motoren, deren Anzahl und die Übersetzung der Ein-und Ausgänge. Bei schweren Fahrzeugen solltest du die Kegelräder an den Ausgängen durch Knebelräder ersetzen.

Ein Längssubtrahierer

Quersubtrahierer

Dieser Subtrahierer ist schmaler und weniger komplex als der Längssubtrahierer. Abbildung 18-14 zeigt ein Beispiel für diesen Subtrahierer mit zwei Ausgängen (in Rot), dem Fahreingang (Blau) und dem Steuereingang (Grün). Wir können die Ausgänge des Differenzials ebenfalls verwenden, dabei vertauschen sich nur die Eingangsfunktionen: Der Steuereingang wird zum Fahreingang und der Fahreingang zum Steuereingang.

Der Quersubtrahierer unterscheidet sich von der Längsversion in mehreren Punkten. Jeder Motor treibt ein einzelnes Differenzial an und diese sind durch zwei Sätze Zahnräder verbunden. Ein Satz hat eine gerade Anzahl Zahnräder und der andere eine ungerade.

Abbildung 18-14: Ein Quersubtrahierer

Wichtig ist, dass beide eine 1:1-Übersetzung haben. Wird dieser Subtrahierer also mit zwei verschiedenen Motoren eingesetzt, ist es wichtig sicherzustellen, dass der stärkere Motor nicht den schwächeren antreibt – eine Untersetzung am schwächeren Motor sollte das verhindern.

Diese Konfiguration bietet mehr Platz für Experimente als der Längssubtrahierer. Wir können die Motoren z.B. an anderer Stelle mit Schneckengetrieben unterbringen, sodass das Problem des gegenseitigen Antriebs nicht auftritt, wie in Abbildung 18-15.

Dieser Subtrahierer kann auch noppenlos gebaut werden, indem die neuen 28er-Differenziale verwendet werden (Abbildung 18-16). Das sieht anders aus, funktioniert aber genauso.

Abbildung 18-15: Ein Quersubtrahierer mit schneckengetriebe

Abbildung 18-16: Ein Quersubtrahierer mit dem neuesten Differenzial

Ein Quersubtrahierer

Ein noppenloser Quersubtrahierer

TEIL V

Modelle

19

Form und Funktion

Konstrukteure möchten aus zwei Gründen ihre eigenen Modelle erschaffen: aus dem Wunsch heraus, ein reales Objekt (wie Lieblingsauto oder -truck) zu bauen oder einen realen Mechanismus oder eine Funktion nachzubilden (z.B. einen Vierradantrieb oder ein Pneumatiksystem). Wenn du durch Mechanismen inspiriert wirst, suchst du nach Modellen, die ihn enthalten. Wenn du dich entscheidest, ein Modell zu bauen, stellst du dir zuerst drei Fragen:

1. Wird es gut funktionieren?

2. Wird es gut aussehen?

3. Habe ich genug Anschauungsmaterial, um es genau nachzubauen?

Das richtige Verhältnis zwischen Funktion und Ästhetik zu finden ist keine leichte Aufgabe. Vorher zu entscheiden, was Priorität hat, hilft oft bei der Konstruktion. Wenn du Modelle mehrfach baust, wirst du deine Prioritäten kennenlernen. Am besten wählst du eine Möglichkeit, bevor du mit dem Bau beginnst: Ich verzichte auf Optik zugunsten der Funktion, oder ich verzichte auf Funktion zugunsten der Optik.

Abbildung 19-1: Mein Dodge-Charger-Modell scheint eine massive Motorhaube mit wenig Platz daneben zu haben. Da ich aber den Motor des Modells nachbauen wollte, konnte ich fast keinen Platz darin für mechanische Komponenten nutzen, und ich war kaum in der Lage, einen Mechanismus zu bauen, um den Grill mit den Scheinwerfern anzuheben. Die meiste Elektrik habe ich im Kofferraum untergebracht.

Ein Blick auf die Form des zu bauenden Objekts ist in diesen frühen Stadien hilfreich. Beachte dabei, dass die meisten LEGO-Teile gerade Linien, rechte Winkel und eckige Formen bilden. Dadurch können Lastwagen einfacher gebaut werden als z.B. Motorräder. Du kannst natürlich flexible Achsen und Technic-Paneele verwenden, um gebogene und geschwungene Formen zu bauen, die erzielbare Ästhetik ist aber außerhalb der Technic-Gemeinschaft eher umstritten und manchmal auch darin.

Autos

Ein typisches Auto ist schwer zu bauen, da es nur wenig Raum für elektrische und mechanische Komponenten bietet (siehe Abb. 19-1). Große Bauteile, wie Stromversorgung, IR-Empfänger und Motoren sind nur schwer in einem Auto unterzubringen. In vielen Fällen sind die freien Stellen für solche Elemente der Fahrzeugboden, der Raum zwischen den Sitzen, der Kofferraum und der Motorraum (wenn du nicht einen nachgebauten Motor verwendest). Du kannst auch ein Modell ohne Motor bauen, bei dem alle Funktionen per Hand erledigt werden, wie es bei vielen LEGO-Kästen der Fall ist.

Der Platzmangel wird bei Sportwagen sogar noch schlimmer, da sie mit geringer Bodenfreiheit gebaut und oft Cabrios sind, also alle Mechanismen im Inneren offen zeigen. Autos dieses Typs verwenden breite Reifen und Einzelradaufhängungen, was zu zu großer Breite führen kann, wenn du beides in deinem Modell haben möchtest. Motoren von Sportwagen sind besonders groß, und die Wahl, ob Front-oder Mittelmotor, hat großen Einfluss auf den zur Verfügung stehenden Platz vorn und hinten und auf die Modellsilhouette. Abbildung 19-2 zeigt ein extremes Beispiel anhand eines Dodge Viper mit Frontmotor und dem Pagani Zonda mit Heckmotor. Die Silhouetten von Autos unterscheiden sich erheblich. Der Fahrgastraum der Viper liegt weit hinten bei den Hinterrädern, während die des Zonda bei den Vorderrädern beginnt. Beide Autos, obwohl in vielen Aspekten ähnlich, bieten unterschiedliche Herausforderungen und Möglichkeiten für den Konstrukteur.

Geländewagen, wie SUVs, haben höhere Silhouetten und bieten mehr Platz, besonders im Chassis, haben aber auch komplexere und raumgreifendere Antriebsstränge und Aufhängungen. Ihre Motoren befinden sich meist unter der Motorhaube, wie beim Jeep Wrangler in Abbildung 19-3. Viele SUVs haben feste Dachkonstruktionen, sodass die Kabine genutzt werden kann (was das Auto kopflastiger macht).

Abbildung 19-2: Der Dodge Viper (oben) und der Pagani Zonda (unten) sind Sportwagen mit unterschiedlichen Motorpositionen.

Dann gibt es Autos wie Buggies, deren Karosserie aus Rohren besteht und deren Interna sichtbar sind, wie in Abbildung 19-4. Es gibt viele Möglichkeiten, Elemente aus dem Power-Functions-System einzubauen, wie Motoren und Batteriekästen, sodass sie wie Benzintanks und andere Teile aussehen.

Lkw

Lkw haben viele Eigenschaften, die das Bauen erleichtern, und werden von Konstrukteuren sehr geschätzt. Sie sind technisch einfach zu bauen und sie bieten viel Platz für interne Komponenten und viele Möglichkeiten, um mit der Ästhetik zu experimentieren. Sie sind oft groß genug, um sehr komplexe Mechanismen unterzubringen. Mein Abschleppfahrzeug hat z.B. 17 Motoren.

Lkw können in zwei Kategorien mit unterschiedlichem Aussehen und Platzangebot unterteilt werden: langnasige (oder US) Lkw und Kabine-über-Motor (Europäische) Lkw. Langnasige Lkw, die für längere Strecken konzipiert sind, haben eine Haube vor der Kabine, unter der sich der Motor befindet. Sie haben hinter der Kabine oft ein Schlafabteil – eine einfache Struktur an der Kabine, in der der Fahrer schlafen oder ausspannen kann (s. Abb. 19-5). Die Kabineüber-Motor-Variante ist meist kleiner und kompakter mit der Kabine über dem Motor. Europäische Lkw haben keine Motorhaube in dem Sinn, und der Schlafraum für den Fahrer ist im hinteren Teil der Kabine angebracht statt in einem getrennten Modul.

Abbildung 19-3: Mein Modell des Jeep Wrangler Rubicon, ein kleines, offenes Auto, hat unter der Motorhaube einen Motor und Batterie und IR-Empfänger im Kofferraum. Das ergibt eine gute Gewichtsverteilung und viel Platz für dekorative Elemente in der Kabine, samt Sitzen und Lenkrad.

Abbildung 19-4: Der LEGO-Baukasten 8296 enthält einen einfachen Buggy mit einem Gitterrohrrahmen.

Beide Typen haben meist Windabweiser oben auf der Kabine. In langnasigen Lkw haben die Schlafabteile manchmal eigene Windabweiser, die den Wind zwischen Kabine und Anhänger lenken. Bei Kabine-über-Motor-Lkw gibt es diese Abweiser nur auf der Kabine, und sie können recht groß sein, um den Höhenunterschied zwischen Kabine und Anhänger auszugleichen, wie in Abbildung 19-6.

Langnasige Lkw bieten dem Konstrukteur mehr Vorteile: Sie haben mehr Platz im Inneren, besonders mit Schlafabteil, und man kann mehr an der Ästhetik experimentieren. Bei Lkw ohne Motorhaube – und zwar bei beiden Varianten – wird die Kabine nach vorn gekippt, wenn man an den Motor möchte. Das ist bei einem Modell schwer umzusetzen, und so werden Motoren oft bei Kabine-über-Motor-Lkw weggelassen, denn dort kann auch die Lenkung untergebracht werden. Bei Lkw mit Motorhauben können diese klappbar gebaut werden, mit nachgebauten Motoren darunter, und es bleibt trotzdem viel Platz für die Lenkung unter der Kabine. Abbildung 19-7 zeigt, dass der Platz unter der Motorhaube für einen recht komplexen Motornachbau und für elektrische Komponenten verwendet werden kann.

Abbildung 19-5: Der langnasige Peterbilt-Truck, ohne schlafabteil (oben) und mit (unten). der Windabweiser ist orangefarben.

Abbildung 19-6: Drei Kabinenvarianten desselben europäischen MAN-TGS-Lkw (von links nach rechts): mit großem Windabweiser und Schlafraum, mit kleinem Windabweiser und Schlafraum und mit kleinem Windabweiser ohne Schlafraum

Abbildung 19-7: Die Motorhaube meines Abschleppwagens beherbergt den Nachbau des Caterpiller-Motors und die Power-Functions-Batterie zwischen Motor und Kabine. Der rote Verbinder neben dem Motor dient als Hauptschalter.

Abbildung 19-8: Der LEGO-Kasten 8422 enthält ein typisches Motorrad mit Aufhängung und Kolbenmotor am Hinterrad. Auch wenn das Modell die größten LEGO-Räder verwendet, ist es immer noch recht klein.

Motorräder

Motorräder, wie das in Abbildung 19-8, sind aus vielen Gründen schwer zu konstruieren. Der wichtigste ist, dass sie nur zwei Räder haben. Um von allein zu stehen, benötigt das Modell mindestens drei Räder (oder breite, flache Reifen). Damit ein Motorrad von allein steht, können wir ein kleines, unauffälliges Rad oder einen ganzen Seitenwagen anbauen. Seitenwagen haben den Vorteil, mehr Platz für Komponenten nahe dem Rad des Motorrads zu bieten, worin z.B. ein Antrieb eingebaut werden kann. Eine andere Alternative ist ein Trike oder Quad, was eine Art vierrädriges Motorrad ist.

Weitere Schwierigkeiten beim Bau von Motorrädern entstehen bei motorisierten Lenksystemen, der geringen Auswahl und Größe passender LEGO-Räder, der kleinen Gesamtgröße und dem offenliegenden Rahmen, der es erschwert, größere Elektrokomponenten einzubauen. Alles in allem sind Motorräder ästhetisch interessante Modelle, die schwer zu motorisieren sind. Die meisten LEGOBaukästen mit Motorrädern haben nur grundlegende Funktionen, wie eine Aufhängung und Antriebsstrang und einen nachgebauten Motor. Angetriebene Modelle sind eine Rarität. Ein motorisiertes Modell findest du in Abbildung 19-9.

Kettenfahrzeuge

Kettenfahrzeuge sind eine große Gruppe, aber sie sind meist einfach zu konstruieren. Die Ketten erfordern kein kompliziertes Steuersystem (es sei denn, wir verwenden einen Subtrahierer). Zweitens befindet sich die Aufhängung entweder unter den Seiten oder unten im Chassis und nimmt nur wenig Platz im Innenraum des Modells ein, wie in Abbildung 19-10. Das Chassis von Kettenfahrzeugen ist meist ein einfacher Rahmen mit Ketten an den Seiten und viel Innenraum und dient gleichzeitig als Karosserie.

Panzer haben große Chassis, deren Platz unterschiedlich angeordnet werden kann. Nach dem Bau vieler Panzermodelle habe ich eine zuverlässige Anordnung gefunden: Die Antriebsmotoren kommen in den unteren Teil des Rahmens und die IR-Empfänger darauf. Bei modernen Panzern mit großen Türmen müssen die Empfänger ganz ans hintere Ende wandern und dürfen nicht abgedeckt werden. Der Zentralteil des Rahmens nimmt die Stromversorgung und darauf den Drehmechanismus für den Turm auf. Das Vorderteil kann ebenfalls für die Stromversorgung verwendet werden, aber nicht für IR-Empfänger, da die Modelle meist von hinten gesteuert werden. Der Turm selbst kann den Kanonenmechanismus aufnehmen, ist aber auch ein gut liegender Platz für die IR-Empfänger, wenn sie hineinpassen. Beispiele für meine Panzer zeigen die Abbildungen 19-11 und 19-12.

Abbildung 19-9: Das Konzept-Motorrad Dodge Tomahawk hat doppelte Vorder-und Hinterräder und bietet damit vier stützpunkte statt nur zwei. Ich habe ein angetriebenes Modell dieses Motorrads gebaut, um zu zeigen, dass es stabil fahren kann. Allerdings konnte es keine Kurven fahren, weil es für Lenksystem und Antrieb gleichzeitig zu klein war.

Abbildung 19-10: Der schwedische Personentransporter Hagglunds Bv 206 besteht aus zwei miteinander verbundenen Komponenten. Dieses sehr kleine Modell enthält einen steuer-und zwei Antriebsmotoren, eine Batterie und einen IR-Empfänger. Die einfache Aufhängung befindet sich im Inneren.

Du möchtest vielleicht auch Halbkettenfahrzeuge bauen, die gelenkte Vorderräder und statt der Hinterräder Ketten haben, wie in Abbildung 19-13. Diese seltene Kombination gibt es fast nur bei Militärfahrzeugen wie Lkw und gepanzerten Truppentransportern. Die meisten Fahrzeugteile, einschließlich Kabine, Vorderachse und Motorraum werden wie bei Radfahrzeugen gebaut, während die Ketten kein Steuersystem benötigen, wenn die Vorderräder das übernehmen. Einige der schwersten historischen Halbkettenfahrzeuge hatten allerdings ein Bremssystem, das eine der Ketten verlangsamte, um das Manövrieren zu erleichtern.

Abbildung 19-11: der Panzer T-72M war klein und flach mit einer gewinkelten Räumplatte, die vorn nur wenig Platz ließ. Ganz vorn befinden sich Kabel, und die Räumplatte ist entfernt, um zugang zur Batterie zu gewähren.

Abbildung 19-12: Mein Modell des Leopard-2A4-Panzers war groß und schwer. Ich habe für den Antrieb vier XL-Motoren verwendet, die aus zwei Batteriekästen in der chassismitte gespeist wurden. Er war nicht schnell, hatte aber ein großes Drehmoment und kam für sein Gewicht gut mit Hindernissen zurecht.

Abbildung 19-13: Mein Modell eines halbkettenfahrzeugs. Fahrzeuge dieser Art werden von Ketten angetrieben und mit rädern gelenkt.

Luftfahrzeuge

Luftfahrzeuge zu konstruieren, bietet viele spannende Möglichkeiten und Herausforderungen. Die Fahrzeuge können motorisiert werden und haben rotierende Propeller oder Turbinen. Sie können funktionsfähige Querruder, Höhen-und Seitenruder haben sowie Einziehfahrwerke und blitzende Positionslichter. Allerdings können LEGO-Flugzeuge nicht fliegen.

HINWEIS Nur mit LEGO-Teilen ein flugfähiges Flugzeug oder Helikopter zu bauen, ist physikalisch wegen des Gewichts der Teile und der beschränkten Kraft der LEGO-Motoren nicht möglich. Ein nur mit LEGO-Teilen gebautes Flugzeug hätte außerdem Probleme beim Schwerpunkt und mit einem aerodynamischen Flügelprofil.

Jedes von dir gebaute Flugzeug wird noch eindrucksvoller, wenn es auf einem Ausleger befestigt wird, der es anheben und herumbewegen kann und damit einen Flug simuliert. Der LEGO-Baukasten 8485 enthält ein solches Modell, wie in Abbildung 19-14 gezeigt.

Flugzeuge

Eine der größten Herausforderungen beim Bau eines Flugzeugmodells ist die Rumpfform. Der Mittelteil eines Flugzeugs ist mehr oder weniger kreisförmig. Du kannst das Modell in Noppentechnik und gebogenen Konturen bauen oder die Rumpfkanten mit flexiblen Achsen andeuten. Die Tragflächen und das Leitwerk können mit Platten oder Kacheln, mit Achsen oder sogar mit Steinen und Balken gebaut werden, wenn du nur die Kanten andeutest, wie in Abbildung 19-15. Mini-Flugzeuge können mit fertigen Leitwerken, Bug-und Rumpfelementen gebaut werden, die sich in normalen LEGO-Kästen befinden.

Dein Modell profitiert von den vielen vorgefertigten LEGOPropellern in Abbildung 19-16. Diese Propeller funktionieren in der Luft wie im Wasser, und wenn sie angetrieben werden, produzieren manche von ihnen sogar merklichen Schub – der allerdings zum Fliegen nicht ausreicht.

Düsentriebwerke können relativ einfach als Attrappe mit rotierenden Turbinenschaufeln gebaut werden. Abbildung 19-17 zeigt ein Beispiel für eine Attrappe mit Standardteilen. Mit durchsichtigen roten oder orangefarbenen Steinen kann sogar der Turbinenausgang beleuchtet werden. Ein kleiner LEGOPropeller innerhalb eines Kanals mit rundem Querschnitt erzeugt mehr Schub als derselbe Propeller ohne.

Hubschrauber

Hubschrauber sind meist einfacher zu konstruieren als Flugzeuge. Sie haben geschlossene Rümpfe, kleine oder keine Tragflächen und einen einzelnen Ausleger mit Heckrotor. Sie bieten viel Innenraum und mehr Funktionen als Flugzeuge: Manche Hubschrauber haben Winden, um Lasten anzuheben, manche Einziehfahrwerke, und selbst die einfachsten Hubschrauber haben große Rotorblätter, die angetrieben besonders eindrucksvoll sind.

Abbildung 19-14: Das LEGO-8485-Kontrollzentrum mit einem großen Hubschrauber auf einem Ausleger (links). Durch manuelles Absenken des Kontrollpanels (rechts), das als Gegengewicht zum Hubschrauber fungiert, können wir das Modell anheben und einen freien Flug simulieren – z.B. indem wir den Rumpf neigen.

Wenn ein Hubschrauber konstruiert wird, sind die größten Herausforderungen die Windschutzscheibe, die oft eine komplexe Form hat, und der Rotor. Ein typischer Hubschrauber hat einen einzelnen Hauptrotor mit zwei bis sechs Rotorblättern und einen einzelnen Heckrotor mit zwei bis vier Rotorblättern. Abbildung 19-18 zeigt ein Beispiel für einen Hubschrauber mit einem sechsblättrigen Hauptrotor. Manche Hubschrauber, wie der Kamov Ka-50 Hokum, haben zwei Hauptrotoren und keinen Heckrotor. Die beiden Rotoren drehen in entgegengesetzte Richtungen, und wenn sie koaxial angeordnet sind – was nicht immer der Fall ist, wie Abbildung 19-19 zeigt –, kann ihre Konstruktion zu einer interessanten Herausforderung werden.

Abbildung 19-15: Das Propellerflugzeug 8855 ist ein typisches Beispiel für ein Technic-Flugzeug. Es hat keine Motoren und nur Grundfunktionen mit Teilen wie Querruder und höhenruder mit einem steuerknüppel.

Abbildung 19-16: Die vorgefertigten LEGOPropeller mit stiftlöchern (rot) und Achslöchern (gelb), zusammen mit dem Propeller #2952 (blau), der paarweise als eine Noppe dicker vierblattpropeller genutzt werden kann.

Der Heckrotor befindet sich meist auf einer Seite der Heckflosse. Bei manchen Modellen ist er aber auch in die Heckflosse integriert. Eine solche Bauweise, wie in Abbildung 19-20, wird Fantail genannt, und die dabei verwendeten Rotoren sind kleiner und haben zwischen 8 und 18 Blätter. Einen Fantail zu bauen ist sehr schwer, da es nicht leicht ist, einen LEGO-Rotor darin zu montieren und anzutreiben.

Abbildung 19-17: Eine Möglichkeit, eine Attrappe einer Turbine mit nur wenigen LEGO-Teilen zu bauen. Der Achsverbinder (blau) ermöglicht die verbindung des Mittelstabs mit einer regulären Achse und treibt die »Turbine« an.

Abbildung 19-18: Der sikorsky MH-53 Pave Low ist ein schwerer Militärtransporter. sein sechsblättriger hauptrotor trägt sein Gewicht, das bei voller Beladung bis zu 21 Tonnen beträgt.

Abbildung 19-19: Die Boeing CH-47 Chinook hat zwei Rotoren an den entgegengesetzten Enden des Rumpfs und in unterschiedlicher Höhe. Diese Anordnung wird Tandem genannt.

Der Rotorkopf eines jeden Hubschraubers ist ein komplexer Mechanismus, der den Anstellwinkel einzelner Rotorblätter oder aller gemeinsam verändern kann. Damit kann der Hubschrauber komplexe Bewegungen ausführen, wie Rückwärts-oder Seitenflug. Eine einfache mechanische Lösung, mit der der Rotor vor-und zurückgeneigt (oder rechts und links) werden kann, wird in Abbildung 19-21 gezeigt. Den Rotor in mehreren Ebenen zu neigen ist mittels Kugelköpfen und Steuerstangen möglich, wie in Abbildung 19-22.

Der Rotor selbst besteht aus einer Rotornabe mit daran befestigten Rotorblättern. Die Rotorblätter können einfach mit Platten und Kacheln gebaut werden oder mit Fertigteilen aus dem Hubschrauber-Baukasten 9396. Die Konstruktion der Nabe für diese Rotorblätter ist jedoch schwieriger. Die Abbildungen 19-23 bis 19-25 zeigen Beispiele, wobei die roten Platten die Anbaustellen für die Blätter kennzeichnen.

Jetzt kennst du die verschiedenen Möglichkeiten und Herausforderungen beim Bau verschiedener Fahrzeuge. Such dir eines aus! Wenn du ein Modell im Kopf hast, das auf Verwirklichung wartet, dann mache mit dem nächsten Kapitel weiter, das zeigt, wie man akkurat konstruiert.

Abbildung 19-20: Der Boeing Sikorsky RAH-66 Comanche wurde als Aufklärungsund Angriffshubschrauber konstruiert. Er verwendet einen Fantail statt eines typischen Heckrotors, und die komplexe Form entspringt Stealth-Technologien.

Abbildung 19-21: Ein Beispiel für einen einfachen Mechanismus zur Rotorneigung. Die schwarzen Achsen mit Kardangelek sind die Antriebswelle, die den Rotor oben mit dem Motor im Rumpf verbindet. Einziehen und Ausfahren des Linear-Aktors ändert den Winkel der Achse über dem Gelenk und damit den gesamten Rotor.

Abbildung 19-22: Ein Mechanismus zur Bewegung des Rotors in zwei Ebenen. Drehen der grünen Achse neigt den Rotor – z.B. vor-und rückwärts –, während eine Drehung der blauen Achse den Rotor in eine andere Ebene neigt, z.B. links und rechts. Dank der Verwendung von Kugelköpfen und Stangen können beide Rotorwinkel gleichzeitig ohne Beeinflussung verändert werden.

Abbildung 19-23: Einfache Naben mit zwei und vier Rotorblättern

Abbildung 19-24: Eine sechsblättrige Nabe kann durch verdopplung der dreiblättrigen version gebaut werden oder indem die Rotorblätter mit stiften an der Riemenscheibe befestigt werden, sodass die zentrifugalkraft des Rotors sie ausrichtet.

Abbildung 19-25: Eine Nabe mit beliebig vielen Rotorblättern kann mit 1x1-Platten gebaut werden, die an einer Riemenscheibe befestigt werden. Diese Lösung wurde vom polnischen Konstrukteur Marcin »Mrutek« Rotkowski erfunden und bietet eine sehr robuste Bauweise, die mit zwei Riemenscheiben und zwei Clips je Rotorblatt noch stabiler wird. Du musst die Rotorblätter allerdings per Hand ausrichten.

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Modelle richtig skalieren

Modelle zu skalieren bedeutet, einfache Regeln der Multiplikation und Division anzuwenden. Wir benötigen zwei Dinge, um anzufangen: den Bauplan des Originalobjekts und einen Referenzpunkt, der die Größe des sich ergebenden Modells definiert.

Baupläne

Ein Bauplan ist eine technische Zeichnung, die üblicherweise eine Ansicht von vorn, hinten, der Seite und von oben enthält, wie in Abbildung 20-1. Die Ansichten des Bauplans sollten alle im selben Maßstab sein.

Abbildung 20-1: Eine typische zeichnung des Pagani zonda c12F-sportwagens

Ein korrekter Bauplan zeigt die wichtigen Kanten des Objekts ohne Schraffuren, Schatten, Farben oder Texturen. Abbildung 20-2 zeigt dasselbe Objekt mit und ohne Zentralperspektive (also mit Fluchtpunkt). Wie du siehst, kann die Perspektive das Bild verzerren und die Maße, die wir davon nehmen, beeinflussen.

Wo bekommt man Baupläne? Die beste und kostenlose Quelle ist http://www.the-blueprints.com/. Wenn du dort den gewünschten Bauplan nicht finden kannst, kannst du LEGO-Webseiten wie http://www.brickshelf.com/ und http://mocpages.com/probieren, denn manche Konstrukteure veröffentlichen ihre Baupläne zusammen mit ihren Modellen. Wenn du ein Baufahrzeug konstruieren möchtest, z.B. Bagger, Kipplaster usw., kannst du es auch auf der Webseite des Herstellers versuchen. Viele große Hersteller wie Caterpillar, JCB, Komatsu, Liebherr und Volvo haben Broschüren, normalerweise als PDF, die auch Zeichnungen mit den Abmessungen der Fahrzeuge und mindestens zwei Ansichten enthalten. Du kannst auch nach 3D-Modellen suchen. Einige Fahrzeuge sind bei 3D-Künstlern sehr beliebt, und sie veröffentlichen ihre Arbeiten häufig im Internet als Zeichnung. Modellbausätze sind eine weitere Quelle für hochwertige Zeichnungen, denn ihre Bauanleitungen enthalten oft Farbschemata, die genau wie Zeichnungen verwendet werden können. Revell bietet beispielsweise Gratisinformationen: http://www.revell.com/support/instructions.html.

Schließlich geben Fotos auch gute Vorlagen für Zeichnungen ab. Eine ideale Fotostrecke besteht aus mehreren Aufnahmen, auf denen das Objekt unverstellt aus verschiedenen Blickwinkeln sichtbar ist. Die Fotos sollten natürlich so groß, sauber und hell wie möglich sein und können skaliert werden, sodass alle denselben Maßstab haben. Die Abbildungen 20-3 und 20-4 zeigen Beispiele für schlechte und gute Aufnahmen.

Abbildung 20-2: Seitenansicht desselben Modells mit Zentralperspektive (oben) und ohne Zentralperspektive (unten)

Abbildung 20-3: Diese Fotos können nicht als Vorlage verwendet werden. Sie zeigen das Objekt aus Winkeln (z.B. seitlich hinten) und sind perspektivisch verzerrt, da sie mit sehr geringem Abstand aufgenommen wurden.

Abbildung 20-4: Diese Fotos sind perfekt als Vorlage geeignet. Sie zeigen das Objekt aus geraden Winkeln und sind mit hinreichend großem Abstand aufgenommen, sodass sie nicht verzerrt wurden.

Bezugspunkte

Ein Bezugspunkt ist ein unverzichtbarer Bestandteil, der die Größe des Modells bestimmt. Damit berechnen wir, wie viel kleiner (oder größer) das Originalobjekt im Verhältnis zum Modell ist. Als Basis benötigen wir ein Teil unseres Modells, dessen Größe mit seinem echten Gegenstück verglichen werden kann. Bei Fahrzeugen mit Rädern bietet sich der Vergleich der Räder an oder genauer: der Durchmesser der Reifen. Da LEGO-Räder eine bestimmte Größe haben, bilden sie eine gute Berechnungsbasis für den Rest des Modells.

Als Faustregel gilt es, immer den Spezialteil eines Fahrzeugs zum Skalieren zu verwenden. Da wir die Größe der LEGO-Räder, Ketten oder Propeller nicht selbst bestimmen können, müssen wir mit ihnen als Referenzpunkt beginnen und dann entsprechend skalieren. Dabei dürfen wir andere Größenbeschränkungen nicht vergessen, wie Chassisabmessungen und die gewünschte Funktionalität des Modells.

Bei Kettenfahrzeugen können wir die Kettenbreite als Bezugspunkt verwenden. Sie bietet einen optimalen Bezugspunkt, denn wenn sie nicht richtig passen, fällt das bei Ketten mehr auf als z.B. beim Durchmesser der Antriebsräder.

Ein Hubschrauber kann skaliert werden, indem fertige LEGO-Propeller verwendet werden, die als Heckrotor dienen. Ein Düsenflugzeug kann über das zylindrische LEGO-Teil skaliert werden, das als Turbinengehäuse dient. Ein Boot kann durch einen LEGO-Fertigrumpf skaliert werden (die es in vielen auch wasserdichten Varianten gibt).

Skalierung

Nehmen wir an, wir haben eine gute Zeichnung des Fahrzeugs und wollen es für ein bestimmtes LEGO-Rad skalieren, das unser Bezugspunkt ist. Jetzt beginnt die tatsächliche Skalierung. (Die folgenden Anweisungen funktionieren für jedes Bauteil, unabhängig von unserem Bezugspunkt.)

Wir nehmen verschiedene Maße aus der Zeichnung. Wir können das direkt in der Datei machen, indem wir die Längen mit einem Programm wie GIMP oder Windows Paint messen. Wenn du die Datei in Paint öffnest und eine Linie zeichnest, werden die Abmessungen der Linie (in Pixeln) unten rechts im Programmfenster angezeigt. Wenn du die Umschalttaste beim Zeichnen gedrückt hältst, wird die Linie genau senk-oder waagerecht gezeichnet. Natürlich können die Maße in der Zeichnung auch mit einem Lineal gemessen werden. Ich persönlich bevorzuge diese Methode, denn so kann ich Notizen auf der Zeichnung machen und muss nicht für jede Abmessung den Computer bemühen. Die Notizen auf so einer Zeichnung können sehr ausführlich werden und viele Informationen enthalten, wie Abb. 20-5 zeigt.

Zuerst müssen wir den Maßstab festlegen, also die Abmessungsdifferenzen zwischen Zeichnung und Modell, und dann die Maße unseres Modells berechnen. Wir machen das, indem wir die Größe unseres Bezugspunkts (in diesem Fall das LEGO-Rad) mit seinem Gegenstück in der Zeichnung vergleichen.

Nehmen wir an, wir möchten den Dodge Viper mit dem Rad aus Baukasten 8448 bauen, das einen Durchmesser von 10 Noppen hat. Wir beginnen damit, den Durchmesser des Rads in der Zeichnung zu messen (durch die blaue Linie in Abb. 20-6 angedeutet). Das Ergebnis lautet 28 mm. Jetzt teilen wir den Durchmesser des LEGO-Rads durch den Durchmesser des Rads in der Zeichnung.

Abbildung 20-5: Eine Zeichnung des Liebherr-LT-M1200-Teleskopkrans. Alle wichtigen Abmessungen und Funktionen sind markiert und unten rechts steht der Maßstab. Die Zeichnung stammt aus der Broschüre des Herstellers.

Abbildung 20-6: Die Zeichnung des Dodge Viper mit drei Ansichten. Farbige Linien stellen leicht abmessbare Maße dar.

Wir runden diesen Wert auf 0,36 Noppen je Millimeter. Das ist unser Skalierungsfaktor: Er gibt an, wie viele Noppen einem Millimeter in der Zeichnung entsprechen.

1 mm = 0,36 Noppen

Jetzt berechnen wir alle Abmessungen unseres LEGO-Modells, indem wir den entsprechenden Teil der Zeichnung messen und ihn mit dem Skalierungsfaktor multiplizieren. Zum Beispiel können wir mit der Breite des Autos beginnen, die auf der Zeichnung 81 mm beträgt.

81 mm x 0,36 Noppen/mm = 29,2 Noppen

Die Größe meines Modells wäre 29 Noppen.

Unsere Berechnungen können wir in den folgenden Formeln zusammenfassen:

Dadurch erhalten wir Folgendes:

Jetzt wenden wir die Formel an und sehen, wie breit das Modell wäre, wenn wir es für kleine LEGO-Räder skalieren:

Und wenn ich für etwas größere LEGO-Räder skaliere:

Wenn der Skalierungsfaktor ermittelt ist, können wir alle benötigten Maße aus der Zeichnung entnehmen. Fast jedes Objekt kann auf den drei Achsen in Linien und Abmessungen zerlegt werden, wie in Abbildung 20-6 gezeigt: Länge, Breite und Tiefe.

Bei unserem Dodge Viper sind die wichtigsten zu berechnenden Abmessungen die folgenden:

Gesamtlänge, -breite und -höhe

Höhe vom Chassisboden bis zur Oberseite Kabine

Höhe vom unteren Seitenfenster bis zur Oberseite Kabine

Höhe vom Chassisboden bis zur Oberseite Motorhaube

Länge des Chassis nach den Hinterrädern

Länge des Chassis vor den Vorderrädern

Abstand zwischen Vorder-und Hinterrädern

Länge, Breite und Höhe der Windschutzscheibe und der anderen Fenster

Länge von Kofferraum und Motorhaube

Länge und Breite des Kabinendachs

Abstand zwischen den Scheinwerfern

Abstand zwischen Seitenfenster und Chassiskante

Länge und Breite des Kühlergrills

Höhe des hinteren Chassisteils über der Stoßstange

Die Abbildungen 20-7 bis 20-9 zeigen die wichtigsten Abmessungen anderer Fahrzeugtypen.

Wenn du die Abmessungen hast, kannst du das Modell skalieren. Um das zu tun, vergleichen wir bestimmte Abmessungen des Modells mit dem Original in derselben Maßeinheit. Die Chassisbreite ist ein guter Ansatz, denn sie ist eine der wichtigsten Abmessungen des Fahrzeugs. Nehmen wir an, der Dodge ist 29 Noppen breit, wie ursprünglich geplant. Da eine Noppe 8m breit ist, entsprechen 29 Noppen 232 mm. Laut Dodge beträgt die Breite des echten Autos 1920 mm. 1920 geteilt durch 232 ergibt 8,276. Wir runden diese Zahl auf 8 und ermitteln damit einen Maßstab von 1:8 für die Viper. Mit anderen Worten: Mein Modell ist acht Mal kleiner als das echte Auto.

HINWEIS Vor der Division müssen wir darauf achten, dass dieselben Maßeinheiten verwendet werden.

Abbildung 20-7: Die Zeichnung eines Humvee mit markierten Kernabmessungen. Die winklige Silhouette dieses Autos erleichtert das Maßnehmen und Bauen.

Abbildung 20-8: Die Zeichnung eines Peterbilt 379 Lkw mit markierten Kernabmessungen. Darin sind auch die Abmessungen des Windabweisers, des fünften Rades, der Motorhaube und der Seitentanks enthalten.

Abbildung 20-9: Eine Zeichnung des Sikorski-MH-53-Pave-Low-Hubschraubers mit markierten Kernabmessungen. Darin sind die Abmessungen von Rumpf, Heckausleger, Heckflosse, Rotoren und Hauptrotornabe enthalten.

Hier ist die Formel:

wobei

AbmessungModell = Abmessung im Modell

Abmessungreal = entsprechende Abmessung des realen Objekts

Manchmal möchten wir ein Modell auch in einem vorgegebenen Maßstab bauen. Zum Beispiel dann, wenn du ein Modell bauen möchtest, das in der Größe zu der Konstruktion von jemand anderem passen soll. Ein Modell in einem vorgegebenen Maßstab zu bauen, macht die Berechnung ein wenig umständlicher. Zuerst musst du zumindest eine Abmessung des Originalobjekts kennen und sie mit der Größe in der Zeichnung vergleichen. Nehmen wir an, ich möchte die 1920mm breite Viper im Maßstab 1:12 bauen. Die Breite in der Zeichnung beträgt 81mm. Wir müssen den Maßstab der Zeichnung berechnen, also den Unterschied der Abmessungen zwischen Original und Zeichnung. In diesem Fall beträgt das Verhältnis 1920/81, also 23,7. Wir runden das Ergebnis auf 24 und haben unseren Maßstab. Die Formel lautet:

Jetzt können mit der Berechnung aller Maße durch Ausmessen der Zeichnung und Multiplikation mit dem Zeichnungsmaßstab und anschließender Division durch den Faktor berechnen. Berechnen wir z.B. die Reifengröße für den Maßstab 1:12 meines Modells. Der Raddurchmesser in der Zeichnung beträgt 28mm. Wir berechnen also:

Das bedeutet, dass der Durchmesser der Räder am Modell 56mm betragen sollte, was genau 7 Noppen entspricht.

Mit dieser Information können wir jede Abmessung für einen bestimmten Maßstab anhand folgender Formel berechnen:

Natürlich besteht das echte Fahrzeug aus komplexeren Formen und nicht aus geraden Linien. Diese Formen müssen wir mit LEGO-Teilen annähern. Indem wir unsere Annäherung in den Kernabmessungen halten, stellen wir sicher, dass das Modell die richtige Größe, die richtigen Winkel und Proportionen hat. Ein Modell mit wenigen Details, aber richtigen Proportionen sieht immer besser aus als eines mit vielen kleinen Details, aber falschen Proportionen. Details können natürlich beeindrucken, aber keine Fehler der Modellproportionen verbergen.

Nachdem wir jetzt die wichtigen Abmessungen berechnet haben, können wir uns im nächsten Kapitel auf das Modellieren und andere Details konzentrieren.

21

Die Modellierung

Du hast jetzt das ideale Modell im Kopf und weißt, wie die Abmessungen des Objekts richtig skaliert werden. Nun geht es ans Bauen. Jetzt wird der Plan in die Realität umgesetzt – und die vergessenen Details kommen ans Licht.

Die Größe

Obwohl viele Konstrukteure große Modelle bauen und die Größe einer LEGO-Konstruktion sehr beeindruckend sein kann, profitieren Technic-Modelle nicht unbedingt davon. Bei großen Modellen tritt eine Reihe von Problemen auf, die sich immer weiter steigern, wie die Belastung empfindlicher Bauteile und Probleme bei Mobilität, Balance und Strukturfestigkeit des Modells. Eines meiner Modelle war groß und sehr schwer, mit einem Chassis, von dem ich dachte, es sei richtig verstärkt. Als das Gewicht 7 kg überstieg, bog sich das Chassis so sehr, dass das Modell beim Bewegen nicht mehr aufrecht stand. Auch die festen Technic-Steine werden weich, wenn genügend Belastung darauf wirkt.

Abbildung 21-1: ein 8 noppen breiter rahmen mit 6 noppen Innenraum, groß genug für zwei PF-Medium-Motoren nebeneinander, einer zum antrieb des linken und einer für das rechte zahnrad. ein Power-Functions-Batteriekasten kann intern eingebaut werden, wenn dafür löcher in den seiten des rahmens vorgesehen werden. die vorstehenden teile des Batteriekastens können in den Ketten versteckt werden.

Als Faustregel, besonders für weniger erfahrene Konstrukteure, gilt, Modelle so groß wie nötig zu bauen und nicht so groß wie möglich. Mit anderen Worten: Baue das Modell, so klein es geht. Um diese Größe abzuschätzen, musst du das größte Einzelteil berücksichtigen, das untergebracht werden soll, z.B. Batteriekästen, Motoren und IR-Empfänger. Kettenfahrzeuge sind ein gutes Beispiel. Ihr kastenförmiges Chassis muss breit genug für zwei Motoren nebeneinander (Abbildung 21-1) oder hintereinander sein (Abbildung 21-2). Wird ein schmaleres Chassis verwendet, müssen breitere Teile wie eine Stromversorgung obenauf gebaut werden.

Abbildung 21-2: Ein 5 Noppen breiter Rahmen mit einem 3 Noppen Innenraum, in den zwei PF-Medium-Motoren hintereinander passen. Die Farben Rot und Blau zeigen an, dass ein Motor das vordere und der andere das hintere Antriebsrad antreibt. Die anderen Zahnräder sind Totgangräder. Breitere Elemente, wie die Stromversorgung, müssen über die Ketten gebaut werden, wo der Rahmen breiter ist.

Es gibt viele kreative Möglichkeiten, große Elemente im Modell unterzubringen. Wenn du z.B. einen Bagger baust, kannst du es mit kleinen Motoren wie dem PF Medium im Ausleger versuchen oder sie zwischen den Ketten unterbringen, wenn die Bodenfreiheit groß genug ist (s. Abbildung 21-3). Du kannst auch versuchen, die Motoren zu verstecken. Einer der von mir gebauten Lkw hatte die Motoren in seinem Laderaum. Mit Platten verdeckt, konnten sie mit Ladung verwechselt werden. Unverdeckt sahen sie ebenfalls wie Frachtgut aus. Versuch es mit Experimenten: Je mehr Lösungen du probierst, desto näher kommst du an die beste.

Abbildung 21-3: Mein Modell des Liebherr-R944C-Baggers hatte mehr Motoren im Chassis als im Aufbau, dafür jedoch nur sehr wenig Bodenfreiheit. Mit mehr Platz im Aufbau hatte ich mehr Möglichkeiten für ein ästhetisches Äußeres.

Die Komplexität eines Modells ist eine weitere Frage. Sehr komplexe Modelle sind immer eindrucksvoll, aber auch sehr schwer zu bauen. Mein bislang kompliziertestes Modell, der Lkw in Abbildung 21-4, bestand aus 17 Motoren und fast 19m Kabel. Um ihn zu realisieren, musste ich innerhalb des Chassis spezielle isolierte Kanäle für die Kabel einbauen. Komplexität sollte immer ein Ergebnis und nicht das Ziel sein.

Egal wie zuversichtlich du bist, ist es sinnvoll, erst ein wenig Erfahrung mit kleinen und einfacheren Modellen zu sammeln, bevor du an die großen Projekte gehst. Mit genügend Erfahrung wird du sehen, dass große und komplizierte Fahrzeuge meist aus bereits bekannten Projekten zusammengesetzt sind. Zum Beispiel kannst du die Aufhängung eines Modells mit dem Getriebe eines anderen kombinieren. Größere und komplexere Projekte sind zwar eine große Belohnung, wenn sie fertig sind, können jedoch auch leicht fehlschlagen.

Abbildung 21-4: Mein Abschleppfahrzeug hatte 17 Motoren und fast 19m Kabel mit Kanälen in der Karosserie. Alle mechanischen und elektrischen Teile befinden sich in der Karosserie bis auf ein paar Ausnahmen, wie der PF-Medium-Motor, der z.T. an der Auslegerwinde sichtbar ist, und die Zahnräder des Steuersystems, die neben dem vorderen Radkasten sichtbar sind.

Räder

Die meisten LEGO-Räder haben andere Proportionen als Räder in echten Fahrzeugen: Sie sind deutlich breiter. Das ist bei vielen Modellen kein Problem, kann jedoch dann eines werden, wenn mehr als zwei Räder auf einer Achse stecken, wie bei Lkws.

Die große Mehrheit der Lkws verwendet auf allen Hinterachsen Doppelreifen. Modelle mit Einzelreifen, egal wie breit, sehen nicht echt genug aus. Die 62,4x20-Räder, von vielen Lkw-Konstrukteuren geschätzt, sind bei doppelter Auslegung 5 Noppen breit. Das bedeutet, dass eine Achse mit vier Rädern nur für die Räder einen Raum von 10 Noppen einnimmt. Wie in Abbildung 21-5 gezeigt, kann eine solche Achse kaum schmaler als 16 Noppen werden, es sei denn, du lässt das Differenzial weg.

Abbildung 21-5: Es ist möglich, eine Antriebsachse mit vier 62,4x20-Rädern zu bauen, die in einen 16 Noppen breiten Rahmen passt – aber nur knapp.

Wie du in Abbildung 21-6 sehen kannst, ist die Breite der angetriebenen Achse einer der Hauptfaktoren für die Modellgröße. Und es wird noch komplizierter, wenn es an die Aufhängung geht, besonders bei Einzelradaufhängungen, die viel Platz zwischen Chassis und Rad benötigen.

Abbildung 21-6: Kleine Räder sind oft breit, sodass es schwer ist, mehr als zwei je Achse zu verwenden. Diese Räder, die oft in kleinen Lkw verwendet werden, sind bei nur 5,5 Noppen Durchmesser drei Noppen breit. Eine Achse mit zwei davon ist 11 Noppen breit und eine Achse mit vieren 17 Noppen.

Ein weiterer wichtiger Faktor ist das Reifenprofil, das rechteckig sein kann (wie bei normalen Reifen) oder rund (bei sogenannten Ballonreifen). Abbildung 21-7 zeigt dasselbe Rad mit normalem und Ballonreifen. Der Ballonreifen ist größer und hat einen etwas größeren Durchmesser, aber seine seitliche Fläche ist kleiner wegen des Profils. Ballonreifen sehen unverdeckt gut aus, aber von der Seite, besonders in einem Radkasten, wirken sie schmaler als normale Reifen, wie in Abbildung 21-8.

Abbildung 21-7: Das sogenannte Technic-Racing-Rad mit einem normalen Reifen (links) und einem Ballonreifen (rechts). Die Reifen sind in der Größe sehr ähnlich, aber der Ballonreifen ist weicher, hat ein tieferes Profil und ist für unebenes Gelände besser.

Abbildung 21-8: Das Technic-Racing-Rad mit einem regulären Reifen (links) und einem Ballonreifen in Seitenansicht und in einem Radkasten. Der reguläre Reifen sieht wegen seiner Oberfläche größer aus, obwohl sein Durchmesser etwas kleiner als der Ballonreifen ist.

Schließlich ist bei Reifen auch die Steuergeometrie wichtig. In den meisten echten Autos sind die Räder gelenkt, sie rotieren um einen Pivot-Punkt, eine vertikale Achse, die fast durch ihre Mitte verläuft. Wenn das Rad nach links oder rechts gedreht wird, bleibt seine Mitte an Ort und Stelle, wie in Abbildung 21-9. Die einzigen LEGO-Räder, die sich so verhalten, kommen aus dem Baukasten 8448, siehe Abbildung 21-10. Andere Räder drehen um einen Pivot-Punkt neben ihrer Seite und weiter von der Mitte entfernt. Das bedeutet, dass ihre Mitte sich beim Drehen herumbewegt, wie in Abbildung 21-11. LEGO-Portalachsen sind wegen ihres Abstands zwischen Rad und Pivot-Punkt am problematischsten, wenn es um die Steuergeometrie geht (Abbildung 21-12).

Der große Unterschied bei diesem Verhalten liegt im Platzbedarf bei der Drehung des Rads. Räder mit einer »richtigen« Steuergeometrie benötigen sehr wenig Platz und passen in sehr enge Radhäuser. Räder mit der LEGO-Steuergeometrie benötigen viel mehr Platz, denn sie bewegen sich relativ zum Chassis vor und zurück, wenn sie gedreht werden. Gelenkte LEGO-Räder benötigen also größere Radhäuser als echte gelenkte Räder.

Der Größenunterschied der Radhäuser kann das Aussehen des LEGO-Modells beeinflussen. Die LEGO-Radhäuser sind größer als die des Originals, und die Räder darin sehen kleiner aus. Abbildung 21-13 zeigt den Unterschied.

Wie du siehst, benötigen Räder während der Modellierung wichtige Überlegungen. Es ist ein häufiger Fehler, sie so schmal zu machen, was im fertigen Modell mehr auffällt, als wenn sie zu groß sind, Viele unerfahrene Konstrukteure bauen gut durchdachte Modelle mit Rädern, die viel zu klein sind. Im Zweifel sollten deine Räder lieber zu groß als zu klein sein.

Abbildung 21-9: Die steuergeometrie eines echten Rades: Wenn das Rad gelenkt wird, dreht es sich um einen Pivot-Punkt, der durch seine Mitte verläuft, hier durch eine rote Achse gekennzeichnet.

Abbildung 21-10: von allen LEGO-Rädern drehen nur die aus Baukasten 8448 um ihr Zentrum herum, wenn sie gelenkt werden, und weichen trotzdem geringfügig ab.

Abbildung 21-11: Beim Lenken dreht ein normales LEGO-Rad um einen Pivot-Punkt, der häufig außerhalb davon liegt. Dadurch wird mehr Platz um das Rad herum benötigt, und das vorderteil des Fahrzeugs bewegt sich, wenn im stand gelenkt wird.

Abbildung 21-12: LEGO-Portalachsen sind in sachen steuergeometrie am schlimmsten. Ihr Pivot-Punkt liegt zwischen dem chassis und der zahnradnabe, weit vom Rad entfernt.

Abbildung 21-13: Wegen ihrer unechten Lenkgeometrie benötigen LEGO-Räder größere Radhäuser als echte Räder. Wären die Radhäuser meines Lkw nicht vergrößert, würden die Räder darin scheuern.

Andere runde Elemente

Runde Teile sind schwierig zu modellieren. Entweder musst du Fertigteile verwenden, von denen es nicht unbeschränkt viele gibt, oder komplexe Strukturen aus vielen Kleinteilen bauen, die zerbrechlich sind und auseinanderfallen, wenn sie belastet werden. Abbildung 21-14 und 21-15 zeigen solche Strukturen.

Farben

Farben sind bei LEGO-Steinen eine schwierige Sache. Die meisten Technic-Kästen haben eine eingeschränkte Farbpalette, in der Gelb und Rot dominieren. Wenn du eine Farbe wählst, bist du auf die in dieser Farbe verfügbaren Steine beschränkt, und bei großen Modellen wird es nur schlimmer. Große Modelle benötigen mehr von außen sichtbare Teile.

Mit den Jahren sind mehr als 150 LEGO-Farben entwickelt worden, einschließlich Tupfen, Glitzerfarben, halbdurchsichtige und Chromfarben und sogar Leuchtfarben. Manche dieser Farben werden nicht mehr hergestellt, während neue von Zeit zu Zeit dazukommen. Einige Farben lassen sich nur schwer auseinanderhalten, wie das sehr helle Blaugrau, das in den Mindstorms-NXT-Kästen beiliegt, und das normale Weiß. Je nach verwendetem LEGO-Teil ist die Top Fünf unter den Farben Weiß, Schwarz, Rot, Gelb und Blau.

Abbildung 21-14: Die Turbine 53983 ist ein Beispiel für ein einzelnes rundes Bauteil, das für Kontrukteure enttäuschend sein kann. Sie hat nicht nur ein Stift-statt eines Achslochs, was ihren Antrieb erschwert, sondern die inneren und äußeren Schaufeln verlaufen auch gegensätzlich, was sie als Propeller nutzlos macht. Die Farbkombination ist auch wenig gefällig.

Abbildung 21-15: Zwei runde Strukturen aus kleinen Standardteilen. Eine besteht aus Steinen mit Noppen an der Seite, die andere aus Scharnierplatten an einem Reifen. Beide fallen bei Belastung leicht auseinander.

Wenn du bei deinen Modellen die Farbe nutzt, ist es besser, sie in einzelnen einfarbigen Bereichen zu verwenden, statt sie miteinander zu mischen. Wegen der rechteckigen Form der meisten LEGO-Steine sehen Farbmischungen einfach nicht gut aus und lassen Details verschwinden.

Das Innenleben eines Modells in Schwarz zu bauen, verbirgt Lücken in der Karosserie. Dunkle Farben lassen dein Modell größer aussehen. Vergiss nicht, dass LEGO-Konstrukteure bestimmte Farben durch andere ersetzen, wenn sie keine richtig passende finden. Das bekannteste Beispiel ist das dunkle LEGO-Blaugrau, das Konstrukteure oft statt Khaki und Oliv bei Militärmodellen verwenden, die es bei LEGO nicht gibt.

Manchmal ist es nicht möglich, ein bestimmtes LEGO-Teil in der gewünschten Farbe zu finden, aber nur wenige Bastler färben dann Teile um. Handbemalte Teile sehen deutlich anders aus als die fertigen LEGO-Teile, und ihre Verwendung gilt in der Gemeinschaft oft als Schummeln. Dies trifft allerdings nicht auf Chrom zu. Alle LEGO-Teile sehen verchromt hervorragend aus, und trotzdem gibt es weniger als 100 verchromte Typen. Daher lassen viele LEGO-Konstrukteure normale LEGO-Teile verchromen. Die Größe der Bauteile nimmt durch den Chromüberzug etwas zu, daher sind sie mehr zu Dekorationszwecken als zu mechanischen zu gebrauchen. Bei der Verchromung wird ein Teil meist an ein anderes gesteckt, sodass die Stelle frei bleibt. Das ist der einzige Unterschied zwischen Originalen und nachverchromten LEGO-Teilen (siehe Abbildung 21-16). Die beiden größten Anbieter verchromter LEGO-Teile sind der ChromeBricks-Shop unter http://chromebricks.com/ und Chrome Block City unter http://www.bricklink.com/store.asp?p=Aurimax.

Abbildung 21-16: Das 62,4x20-Rad in original Metallic-Silber (links) und verchromt von Chrome Block City (rechts). Auf dem Achsloch des nachverchromten Teils fehlt die Chromauflage, sodass das ursprüngliche Weiß zu sehen ist.

Der Teufel steckt im Detail

Beim Bauen von LEGO-Modellen bauen wir meist kleinere Dinge, als unser Maßstab angibt. Es ist sehr schwer, Details zu bauen, die kleiner als eine Noppe sind, sodass viel angenähert werden muss. »Näherung« bedeutet, dass manche Elemente deines Modells nur in etwa dem Original entsprechen. Du musst einige von ihnen größer oder kleiner gestalten, als sie sein sollten, und manche Elemente sogar weglassen. Einige Konstrukteure weichen auf Aufkleber aus, um winzige Details wiederzugeben.

Die Rohre von Panzern sind ein besonders gutes Beispiel für eine Näherung. Sie bestehen fast immer aus Abschnitten mit unterschiedlichem Durchmesser, und es ist schwer, runde LEGO-Teile zu finden, deren Unterschiede im Durchmesser proportional gleich sind. Daher müssen einige Teile des Rohrs dünner oder dicker gebaut werden, wie in Abbildung 21-17. Es ist wichtig zu bedenken, wie diese Abweichungen wirken werden. Menschen erwarten, dass Panzer bedrohlich aussehen, was bei einem dicken Rohr der Fall ist. Ich habe viele Panzer mit zu dicken Rohren gebaut, und niemand hat etwas gemerkt. Wenn ich das Rohr aber zu dünn auslege, bekomme ich darüber viele Beschwerden.

Abbildung 21-17: Zwei Abschnitte des Rohrs meines T-72M-Panzers. Sie bestehen aus leicht unterschiedlichen Teilen, haben aber gleiche Abmessungen und dazwischen eine deutlich sichtbare Kerbe. Der sich ergebende Lauf, länger als 20 Noppen, ist überraschend stabil.

Es ist sinnvoll, ein Modell so zu planen, dass seine Funktionen im Vordergrund stehen, und diese zu erhalten oder sogar zu übertreiben. Wenn das gewählte Originalobjekt auffällige große Räder hat, eine hohe Bodenfreiheit oder eine langgezogene Silhouette, ist das (mäßige) Herausstellen dieser Eigenschaften ein Weg, die Wiedererkennbarkeit deines Modells zu steigern. Vergiss nicht, dass man leicht zu weit gehen kann, wie in Abbildung 21-18.

Abbildung 21-18: Besonders große Bodenfreiheit ist eine herausragende Eigenschaft des T-72M. Diese Eigenschaft wird in meinem Modell noch betont.

Denke bei der Suche nach auffälligen Eigenschaften in drei Dimensionen. Ich habe z.B. zwei Modelle von Scania-Lkw gebaut, deren auffällige Eigenschaft ein massiver Kühlergrill mit großen waagerechten Öffnungen ist. Das erste Modell hatte schwarze Platten, um die Öffnungen zu simulieren, und sah im Vergleich zum Original eher flach aus. Im zweiten Modell in Abbildung 21-19 und 21-20 habe ich eine Noppe große Öffnungen mit schwarzen Platten eingefasst, was viel besser aussah.

Abbildung 21-19: Die Kabine meines zweiten Modells des scania-Lkw mit eine Noppe tiefen Öffnungen im auffälligen Kühlergrill.

Abbildung 21-20: Die Öffnungen habe ich mit einer Mischung von Platten und Kacheln konstruiert. Es war wichtig, die Abstände zwischen den Öffnungen so dünn wie möglich zu machen. sie sind nur eine Kachel dick.

Schräge Winkel bauen

Technic-und Nicht-Technic-Teile können miteinander verbunden werden, um komplexe Winkel zu konstruieren. Bestimmte Fahrzeuge, wie der gepanzerte Truppentransporter in Abbildung 21-21, haben Karosserien fast ohne rechte Winkel. Solche Modelle mit Platten und Kacheln zu bauen, die mit Scharnieren verbunden sind (Abbildung 21-22), macht sie realistisch und leicht. Einige besondere Herausforderungen lassen sich mit Technic-Verbindern und Kugelköpfen lösen, wie in Abbildung 21-23 gezeigt. Bionicle-Kästen sind eine gute Quelle für diese Verbinder.

Abbildung 21-21: Der spanische BMR-2 ist ein typischer gepanzerter Truppentransporter mit einer Karosserie aus Flächen in komplizierten Winkeln. Mein Modell hat eine Karosserie aus Platten und Kacheln, die von einem System aus Scharnierplatten gehalten werden.

Abbildung 21-22: Verschiedene Nicht-Technic-Verbinder, hier Scharniersteine und Platten, können andere Bauteile in ungewöhnlichen Winkeln zusammenhalten.

Abbildung 21-23: Um komplexe Winkel nachzubauen, können auch bestimmte Technic-Verbinder als Kugelverbindung genutzt werden. Die hier gezeigten Verbinder können mit normalen Steinen kombiniert werden und halten sie in fast jedem Winkel fest.

Intelligent bauen

Bei der Arbeit an Details ist eine wichtige Regel, dass die Teile zum Detail passen müssen und nicht die Details zum Teil. Du solltest dich darauf konzentrieren, wie ein Detail aussieht und wie dieses Aussehen mit LEGO-Teilen nachgebaut werden kann. Einige Konstrukteure machen den Fehler, sich auf ein bestimmtes Teil festzulegen und dann das dazu passende Detail zu suchen.

Viele Objekte haben kleine Details, die so auffällig sind, dass sie enthalten sein müssen. Beim Bau eines Rover-S2-Modells habe ich versucht, den auffälligen Tankdeckel nachzubauen. Wie Abbildung 21-24 zeigt, hatte ich schließlich mit einer Variante des 1x1-Steins Erfolg, der schräg von zwei normalen 1x2-Technic-Steinen gehalten wurde.

Abbildung 21-24: Eine Explosionszeichnung und der fertige Tankdeckel meines Land Rover S2. Der Schlüssel war die verwendung eines 1x1-steins in einem Winkel.

Mehrere kleine Teile, besonders die Utensilien von Figuren, können kombiniert tolle Effekte bewirken. Viele Panzer haben z.B. ein Maschinengewehr oben auf dem Turm. In großen Modellen haben diese Gewehre viele Details und sehen auf jedem Typ anders aus. Beim Bau des Leopard 2A4-Panzers konnte ich einfache Teile verwenden, die wie ein Gewehr aussahen oder eines der wenigen vorgefertigten LEGO-Gewehre. Keine Alternative sah echt genug aus, so dass ich schließlich einige Figurutensilien zusammenbaute und das Gewehr aus Abbildung 21-25 erhielt. Das Gewehr wurde um eine Mini-Kettensäge herumgebaut mit einem Griff hinten und einem Teleskop und einer Feuerspritze vorn. Das auffällige Magazin des Gewehrs wurde aus einigen Platten mit einer Kachel obenauf gebaut und mit einer 1x1-Platte mit Clip an das Gewehr angebaut. Das Gewehr bestand also aus neun Teilen, und das Ergebnis sah so gut aus, dass ich Anfragen bekam, wie es gebaut wird oder wo es erhältlich ist.

Abbildung 21-25: Das Maschinengewehr meines Leopard-2A4-Panzers wurde aus neun Teilen zusammengebaut, darunter auch Figurteilen, einigen Platten und einer Kachel.

Der nächste Schritt: deine Modelle steuern

Mit dem Bau des Modells ist der Spaß aber noch nicht zu Ende. Eine Steuerung für komplexe Modelle zu bauen, kann eine eigene Herausforderung sein, wie beim Modell des Demag-H135-Baggers, den Emil »Emilus« Oklin′ ski gebaut hat (Abbildung 21-26). Das Modell verwendet zwei NXT-Steine in Verbindung mit zwei weiteren Steinen in der Fernbedienung und lässt sich richtig fernsteuern. Die Fernsteuerung beinhaltet komplexe Joysticks, die um NXT-Motoren mit internen Rotationszählern herumgebaut sind, und nutzt Bluetooth für die Verbindung mit dem Modell. Einige Modellfunktionen, wie der interne Pneumatikkompressor, werden automatisch gesteuert, und einige Arbeitseinstellungen können an der Fernbedienung abgelesen werden. Eine ausführliche Beschreibung von Emils Modell gibt es unter http://www.eurobricks.com/forum/index.php?showtopic=64131.

Abbildung 21-26: Das Modell des Demag H135, gebaut von Emil »Emilus« Okli′nski verwendet vier Mindstorms-NXT-Steine. Zwei in der Fernbedienung und zwei im Modell, um eine realistische Steuerung zu gewährleisten. Die komplizierten Joysticks basieren auf NXT-Motoren, und die Bluetooth-Verbindung zwischen Fernsteuerung und Modell gibt dem Fahrer ein besonderes Erlebnis.

Nachwort

Ich hoffe, du hast einen guten Einblick in das Lego-Technic-System und den Bau eigener Modelle bekommen.

Wenn du nach weiteren Bauabenteuern suchst, kann ich einige interessante Kästen empfehlen, die inzwischen nicht mehr produziert werden, z.B. die Teile im Fernsteuersystem (Kasten 8366) und im Barcode IR-System (Kasten 8479), das gesamte Bausystem 8369 und einige sehr seltene moderne Teile, wie das Power Functions Solarpanel mit Energieanzeige (Kasten 9688).

Natürlich erfindet LEGO immer neue Teile, die neue Lösungen ermöglichen oder bestehende Konstruktionen vereinfachen. Wenn du ein Fan der alten Schule, des »noppenbasierten« Bauens, bist, sieh dir die Neuheiten genau an. Noch mehr Anregungen bietet dir die weltweite LEGO-Gemeinschaft, die Modelle erfindet und perfektioniert und ihre Ideen anderen kostenlos zur Verfügung stellt.

Nachdem ich in den letzten Jahren mehr als 120 Modelle gebaut habe, kann ich sagen, dass Versuch und Irrtum beim Bau eines Modells nicht das schlechteste sind, sondern im Gegenteil sehr viel Spaß bereiten. Mit dem fertigen Modell zu spielen, ist eine nette Sache, es aber zu bauen und dabei kleine und große Probleme zu lösen, durch Erfindung statt durch Nachbauen zum Ziel zu kommen, ist viel schöner.

Ich wünsche mir, dass dieses Buch dir dabei hilft, beim Spielen mit LEGO noch mehr Spaß zu haben.

Index

HINWEIS Die kursiven Seitenzahlen verweisen auf Abbildungen.

Nummer

2-Gang-Getriebe

Lineares Hochleistungsgetriebe 254, 262–264

Orbitalgetriebe 255

Ratschengetriebe 256, 267

RC-Motor 255, 264–265

Synchronisiert 254

2L-Achse 32

3-Gang-Getriebe (linear) 256, 268–269

3L-Achse 32, 33

4,5-V-Motor 163

4-Gang-Getriebe 257–258, 270–271

4L-Achse 32, 33

4WD (Vierradantrieb) 7

4x4-Antrieb 7, 47

5,5L-Achse mit Stopper 33

5-Gang-Getriebe (linear) 258

5L-Achse 32

6L-Achse 32

6L-Zylinder 107

7L-Achse 32

8L-Achse 32, 33

9L-Achse 32

9-V-Motor 163–170

10-Gang-Getriebe (synchronisiert) 259, 271–275

10L-Achse 32

12L-Achse 32

16/24-Differenzialgetriebe 53

16L-Achse 32

32L-Achse 32

1969 Dodge Charger 295

2838 (Motor) 164–165

8041 (Bausatz) 151

8043 (Bausatz für motorisierten Raupenbagger) 25

8048 (Buggybausatz) 25

8070 (Super-Car-Bausatz) 24, 34

8262 (Quad-Bike-Bausatz) 25

8263 (Pistenraupen-Bausatz) 25

8265 (Frontlader-Bausatz) 70

8275 (Bausatz) 242

8285 (Abschlepptruck-Bausatz) 25

8288 (Raupenkran-Bausatz) 154

8296 (Bausatz) 297

8421 (Kranwagen-Bausatz) 25

8422 (Bausatz) 299

8436 (Truck-Bausatz) 30

8448 (Designer-Car-Bausatz) 24

8460 (Kranwagen-Bausatz) 71

8466 (Offroader-Bausatz) 24

8480 (Space-Shuttle-Bausatz) 24

8485 (Control-Center-Bausatz II) 302

8850 (Jeep-Bausatz) 24

8855 (Wasserflugzeug-Bausatz) 303

8865 (Bausatz) 197

8880 (Bausatz) 197

43362 (Motor) 165 47154 (Motor) 166

53983 (Turbine) 319

71427 (Motor) 165

A

AAA-Batteriekasten 174

AA-Batteriekasten 174

Abhängige Aufhängung 204

Abmessungen auf Bauplänen 309–314

Abschleppwagen 2 153, 316

Achsen 31–34

Angetrieben 203

Angetrieben und aufgehängt 209–224

Antriebskraft übertragen 31

Differenzialsperre 81

Flexibel 23, 32, 34

Gelenkte Pendelachse 225

Kategorien 32

Konvergenz 199–202

Löcher 10

Mit Stoppern 33

Modifiziert 33

Pendelaufhängung mit Drehscheibe 210–213

Portalachse mit Pendelaufhängung

Hochleistungsausführung 230–235

Mit Schneckengetriebe 236–240

Portalachse (Vorgelegeachse) 213–217

Standard 32

Strukturelle Verstärkung 31

Tragfähigkeit 140–144

Unabhängig 227–229

Unabhängig und lenkbar 226–227

Achsstifte 11

Lineare Kupplungen 83, 84

Mit Kugelkopf 12

Achsverbinder 252

Achsverbindung (Schlauchanschluss) 110

Achswellenrad 278

Ackermann-Lenkgeometrie 195–198

Adapterstecker 186

Addierer 277–280

Aktoren Siehe Linearaktoren

Allradantrieb (AWD) 7

Alte LEGO-Bauteile im Vergleich mit neueren 159–160

Ältere Zahnräder 48

Alterung von LEGO-Steinen 159–160

Angetriebene Achse 203

Angetriebenes Zahnrad 44, 48

Angetriebene und aufgehängte Achsen 209–224

Pendelaufhängung mit Drehscheibe 210–213

Portalachse (Vorgelegeachse) 213–217

Anhalten von Fahrzeugen 177

Anschlag (Getriebeumschaltung) 80, 252–253

Anstriebsstrang 6

Antrieb

Drehscheibe 96–100

Linearaktor 184, 185

Antriebsachse 44–45, 48

Antriebsringe 252–254

Antriebsstrang 6

Antriebswelle 6

Arkustangens 202

Aufhängungen 246–249 siehe auch Radaufhängungen

Längslenkeraufhängung 247–249

Pneumatisch 113

Rollenbock 246–247

Auftrieb 244

Ausfahrbarer Antriebsschaft 6

Ausgangsachse 44

Ausleger 158–159

Ausleger von Kränen 49, 69–71, 154

Automatischer Druckschalter 123–124

Automatisches Ventil 120–122

Autos 295–296

1969 Dodge Charger 295

8070 (Super-Car-Bausatz) 24, 34

8448 (Designer-Car-Bausatz) 24

Dodge Viper 296, 311

Ford GT40 23, 26

Pagani Zonda 296, 307

AWD (Allradantrieb) 7

B

Balken 12–14

Bausteine ausrichen 13

Exzentermechanismen 85

Höhe/Breite-Verhältnis 13

Mit Bausteinen verbinden 27–28

Unabhängige Ausrichtung 13

Verstärkung 138, 141

Vielseitigkeit 13

Ballonreifen 317

Batteriekästen 171, 174

Batterien 174–175

Baukästen (Technic) 24–26

Baupläne 307–314

Abmessungen 309–314

Fotos statt Baupläne verwenden 308

Online suchen 307–308

Bausteine 9–10

An Balken ausrichten 13

Höhe 9

Höhe/Breite-Verhältnis 13

Löcher 10

Mit Balken Verbinden 27–28

Mit Beleuchtung 91

Mit zwei Platten 19

Technic-und reguläre Bausteine im Vergleich 18

Beiwagen 299

Bewegungsverzögerung und Spiel 5

Bezugspunkte 309

Binderiegel 151–153

Blinklichter 91–92

BMR-2 (Truppentransporter) 322

Bodenabstand 7, 8, 205

Bodenfreiheit 8

Boeing CH-47

Chinook 303

Bögen 34

Brown-Fachwerk 155–156

Brückenplatten 15

Buggys 8, 25, 297

C

Chassis 151–153

C-Rahmen 144

D

Demag H135 (Modell) 324

Differenzialflaschenzug 63–65

Differenzialgehäuse 144–148, 203

Differenzialgetriebe 53–54

Differenzialmechanismus 44, 77–78

Differenzialsperre 78–82

Dodge Charger 295

Dodge Tomahawk 300

Dodge Viper 296, 311

Doppelachsel-Drehscheibengetriebe 96–100

Doppelkegelräder 50, 51, 251–252

Doppelquerlenker-Aufhängung 206–207

Drehbewegung

In geradlinige Bewegung umwandeln 71–72

In Schwenkbewegung umwandeln 84–85

Kontinuierliche in periodische Bewegung umwandeln 89

Drehmoment. Siehe auch Achsen, Ketten, Zahnräder, Riemenscheiben und Koppeln von Motoren 277–280

Addierer 277–279

Erweiterungs-Antriebsringe 253

Knebelrad 55

Mechanische Kraftverstärkung 61–62

Übersicht 3

Drehmomentverhältnis 45

Drehpunkt

Aufhängungen 204

Hebel 67–69

Drehrichtung von Zahnrädern steuern 47–48

Drehscheibengetriebe 96–100

Drehzahl

Ändern über Zahnräder 43

Definition 3

Mechanische Kraftverstärkung 61–62

Drehzahl 3

Dreieckiges WarrenFachwerk 156–157

Dreiviertelstift 11, 14–15

Dreschscheiben 54–55

Druckerzeuger 103

Druckschalter (automatisch) 123–124

Dünne Liftarme 14–15

E

Ebenes Fachwerk 154

Eigenbauten (MOCs) 17

Eigene mechanische Lösungen siehe Mechanische Lösungen

Eingangsachse 44

Einwegventil 104

Einzelkegelräder 50, 51

Einzylinder-Pneumatikmotoren 125–127

E-Motor 167

Empfänger 172–176

Empfangsmechanismus 6

Endantriebsstrang 6

Erweiterungs-Antriebsringe 253, 254

Europäische Lkw 296–298

Exzentermechanismus 84–85

F

Fachwerk 154–159

Auswählen 157–159

Brown-Fachwerk 155–156

Dreieckiges WarrenFachwerk 156–157

WarrenFachwerk 156

Fahrgeschwindigkeit 3

Fahrzeugrahmen 151–153

Farben 319–320

Fenestron 303

Fernbedienung 176–177

Lenkrad 178

Mehrere Empfänger für eine Fernbedienung 173

Mehrere gleichzeitig verwenden 174

Modifizieren 177–182

Seitenhebel 179

Zentrales Lenkrad 181–183

Fernbedienung mit Drehzahlregler 176–177, 181–182

Fertigungscode auf Linearaktoren 184–185

Fester Verbindung von Motoren 277, 280

Fett 4

Flaschenzug mit drei festen und drei losen Rollen 64

Flaschenzug mit drei festen und zwei losen Rolle 64

Flaschenzug mit einer festen und einer losen Rolle 63

Flaschenzug mit zwei festen und einer losen Rolle 63

Flaschenzug mit zwei festen und zwei losen Rollen 64

Flaschenzugsysteme 61–66

Differenzialflaschenzug 63–65

Einfache Flaschenzüge 62–63

Potenzflaschenzug 65–66

Flexible Achsen 23, 32, 34

FLU (Fundamental LEGO Unit) 9

Flugzeuge 302

Flüssigkeiten in pneumatischen Systemen 113

Ford GT40 23, 26

Form und Funktion 295–305

Autos 295–296

Kettenfahrzeuge 299–301

Lkw 296–299

Luftfahrzeuge 302–305

Motorräder 299

Fotos statt Bauplänen verwenden 308

Frontlader 70

Frontlenker-Lkw 296–298

Fundamental LEGO Unit (FLU) 9

Funktion Siehe Form und Funktion

FWD (Vorderradantrieb) 7

G

Gabeln

Definition 38

Scotch-Yoke-Getriebe 85–86

Gefederte Aufhängung 205

Gegenausleger 158–159

Gehäuse verstärken

Differenzial 144–148, 203

Schneckengetriebe 149–150

Geländefahrzeuge 7, 296

8466 (Offroader-Bausatz) 24

8850 (Jeep-Bausatz) 24

Gelbe Bauteile (Stärke) 160

Getriebe 251–276 siehe auch Zahnräder

Antriebsringe 252–254

Doppelachsel-Drehscheibengetriebe 96–100

Dreiganggetriebe 256, 268–269

Fünfganggetriebe 258

Kombinieren 254

Reguläre (nicht lineare) Getriebe 252

Sequenzielle (lineare) Getriebe 252

Stufenloses Getriebe 260, 276

Synchronisiert 251–252, 261

Umschaltanschlag 252–253

Verteilergetriebe 260–276

Vierganggetriebe 257–258, 270–271

Zehnganggetriebe 259, 271–275

Zweiganggetriebe

Lineares Hochleistungsgetriebe 254, 262–264

Orbitalgetriebe 255

Ratschengetriebe 256, 267

RC-Motor 255, 264–265

Synchronisiert 254

Getriebe-Antriebsringe 51, 259

Getriebekästen 143, 149

Getriebeumschaltungs-Anschlag 80, 252–253

Gewichtsverteilung 7

Gewicht und Wirkungsgrad von Teilen 5

Gewindeachsen 33

Gezahnte halbe Lagerbuchsen 35–36

GIMP 310

Glatte Lagerbuchse ohne ausgeschnittenes Achsloch 37

Gleichbleibender Bodenabstand 205

Gleiche und ungleiche Breite 30

Gleitendes Schneckengetriebe 120

Gleiträder 4

Greifstapler 7

Größe 315–316

Großer Zylinder 107

Größe und Wirkungsgrad von Teilen 5

Gummibänder

Riemenscheiben 60

Selbstzentrierende Lenkung 195

Stufenlose Getriebe 260

Gummiraupen 241

H

Haftung 4

Hagglunds BV 206 (Truppentransporter) 300

Hailfire Droid 55

Halbe Lagerbuchse

Dicke 60

Gezahnt 35–36

Gezahnt, ohne ausgeschnittenes Achsloch 36

Glatt, ohne ausgeschnittenes Achsloch 37

Varianten 35

Halbkettenfahrzeug 301

Halbe Stifte 11, 12

Hartplastikketten 242–244

Hebel 67–71

Drehpunkt 67–69

Fernbedienung 179–180

Hebelgesetz 67

Klassen 68–69

Koppelgetriebe 69–71

Kraftaufwand 67

Last 67, 70

Mechanische Kraftverstärkung 72

Parallelhebel 70, 71

Hebelarm 67

Hinterradantrieb (RWD) 7

Hoeken-Getriebe 73

Höhe/Breite-Verhältnis 13

Hohes Drehmoment (Verbindungen) 38

Höhe von Steinen und Platten 9

Hubschrauber 302–305

Humvee 26, 312

Hydraulik (Pneumatik umwandeln) 113

I

Ineinandergreifende Zahnräder 45

J

Jeep Wrangler Rubicon 297

K

Kanalwähler 173

Kardangelenk 38–39, 101

Alternativen 87

Aussteifen 101

Hohes Drehmoment 38

Länge 38

Katapult 83

Kegelräder 48

Keilriemenscheibe 59

Dicke 60

Differenzialflaschenzug 63

Kettenfahrzeuge 249–250

Nabenmitte 305

Pneumatikmotoren 124

Kenworth Road Train 18

Ketten 57–59

Kettenfahrzeuge siehe Ketten; Panzer

Fernbedienung mit Drehzahlregler 181–182

Form oder Funktion 299–301

Gewichtsverteilung 7

Gummiraupen 241

Hartplastikketten 242–244

Kettenantriebssysteme 244–246

Laufräder 249–250

Subtrahierer 280–281

Kettenräder 243, 244–245, 250

Klammern

Linearaktoren 184

Zylinder 110–111

Kleiner Zylinder 108

Klinken 82–83

Knebelrad 55, 203

Fester Verbindungen 280

Verschleiß 160

Kompressoren 113, 115–119

Siehe auch Automatisches Ventil

Kontinuierliche Drehbewegung 89

Konvergenz von Achsen 199–202

Koppelgetriebe 71–76

Hebel 69–71

Hoeken-Getriebe 73

Nürnberger Schere 75–76

Peaucellier-Inversor 74

Sarrus-Getriebe 74–75

Schwenkbewegung 71, 74

Scott-Russell-Getriebe 75

Storchschnabel 73

Tschebyscheff-Getriebe 73

Watt-Getriebe 76

Koppeln von Motoren 277–280

Kotflügel 317

Kraftaufwand (Hebel) 67

Kräne

8285 (Abschlepptruck-Bausatz) 25

8288 (Raupenkran-Bausatz) 154

8421 (Kranwagen-Bausatz) 25

8460 (Kranwagen-Bausatz) 71

Ausleger 49, 69–71, 154

Fahrzeugrahmen 153

Flaschenzugsystem 61–62

Hebel 71

Liebherr LTM 1200 (Teleskopausleger-Mobilkran) 310

Turmkräne 154, 158–159

Kugelgelenk 38–39

Kupplungen 83–84, 185

Kurbelmechanismus Siehe Exzentermechanismus

L

Lagerbuchsen 35–38

Halbe Buchse 35–37

Mit langem Stift 37–38

Module verbinden 37

Reguläre Buchse 37

Lagerkugeln 55

Lange Stifte 11, 12

Langhauber-Lkw 296–298

Längslenkeraufhängung (Schwebeachsen-Aufhängung) 209, 222–224, 248–249

Längssubtrahierer 282–287

Last

Hebel 67, 70

Rotation unter hoher Last 55

Laufnaben 241

Laufräder 44–45, 59, 245, 249–250

L-Balken 143

LEDs 91–92, 187–188

LEGO-Pneumatikmotor (LPE) 124–134

Leistung 3

Leitungen aufteilen 110

Lenkanschlag 6

Lenkgeometrie 195–198, 317

Lenksysteme 178, 181, 191–202

Konvergenz von Achsen 199–202

Lenkgeometrie 195–198, 317

Selbstzentrierende Lenkung 194–195

Lenksysteme für Radfahrzeuge 178, 181, 191–202

Ackermann-Lenkgeometrie 195–198

Konvergenz von Achsen 199–202

Selbstzentrierende Lenkung 194–195

Leopard 2A4 301, 323

Leuchten

Blinkleuchten 91–92

Rückfahrleuchte 90–91

Wendesignale 92–95

Liebherr LTM 1200 (Teleskopausleger-Mobilkran) 310

Liebherr R944C 243

Liftarme 12

Linearaktoren 183–186

Antriebskraft übertragen 184, 185

Fertigungscode 184–185

Groß 183–185

Klein 185

Konstruktionsfehler 184–185

Pneumatik 185–186

Lineare Bewegung (Drehbewegung umwandeln) 71–72

Lineare Kupplung 83–84

Lineare (sequenzielle) Getriebe 252

Lkw 296–299

8436 (Truck-Bausatz) 30

Abschleppwagen 2 153, 316

Halbkettenfahrzeug 301

Kenworth Road Train 18

MAN TGS 298

Monster Truck 17

Peterbilt 298, 313

L-Motor 168

Löcher in Steinen 10

LPE (LEGO-Pneumatikmotor) 124–134

Luftbehälter 111

Automatischer Druckschalter 123

Nicht von LEGO 112

Luftdruck 112

Luftfahrzeuge 302–305

Luftleitbleche 296–297

M

Malteserkreuzgetriebe 89–90

Manometer 112

MAN TGS 298

Massive Ketten. Siehe Hartplastikketten

Maximaler Lenkwinkel 6

Mechanik und Pneumatik im Vergleich 47

Mechanische Kraftverstärkung 61–62

Flaschenzüge

Differenzialflaschenzug 64–65

Einfache Flaschenzüge 62–63

Potenzflaschenzug 65–66

Hebel 67, 72

Mechanische Leistung 3

Mechanische Lösungen 77–101

Blinklichter 91–92

Differenzial 77–78

Differenzialsperre 78–82

Doppelachsel-Drehscheibengetriebe 96–100

Exzentermechanismus 84–85

Kardangelenk 101

Lineare Kupplung 83–84

Malteserkreuzgetriebe 89–90

Oldham-Kupplung 87–88

Ratschen 82–83

Rückfahrleuchten 90–91

Schmidt-Kupplung 88

Schrittmotor 88–89

Scotch-Yoke-Kurbeltrieb 85–86

Wendesignale 92–95

Mikrolecks 103

Mikromotor 166–167

Mikromotor-Riemenscheibe 59, 65

Mineralöl 113

Mittelpunkt des Wendekreises 199

M-Motor 28, 168

MOCs (Eigenbauten) 17

Modellierung 315–324

Einzelheiten 320–323

Farben 319–320

Größe 315–316

Räder 316–319

Runde Elemente 316–319

Spitze/stumpe Winkel 321–322

Model-Team-Ansatz 26

Modifizierte Achsen 32, 33

Module 9

Monster Truck 17, 207

Motoren 163–170

2838 164–165

43362 165

47154 166

71427 165

E-Motor 167

Kompliziertheit 316

Koppeln über Addierer 277–280

L-Motor 168

Mikromotor 166–167

M-Motor 168

NXT-Motor 167

RC-Motor 170

Schrittmotor 88–89

Servo-Motor 169

Steuerung

Fernbedienung 172–174

Manuell 171–172

XL-Motor 169

Motorkompressoren 115–119

Motorräder 299, 300

Motorventile 119–120

N

Naben 305

Nähte (schwach) 138

Ncm (Newtonzentimeter) 3

Neue LEGO-Bauteile im Vergleich mit älteren 159–160

Newtonsches Gesetzt (Aktion = Reaktion) 138

Newtonzentimeter (Ncm) 3

Nicht fluchtende Teile 27

Nicht lineare (reguläre) getriebe 252

Nicht starre Verbindungen 21

Nocken 124, 130

Noppen

Halbe Noppen 14–15

Ventil mit Noppen 106–107

Noppenbauweise und noppenlose Bauweise 17–30

Gemischter Baustil 23–30

Breite anpassen 28–30

Noppenlose Bauteile an Noppen -bauteilen ausrichten 13

Technic-Baukästen 24–26

Noppenbauweise 18–20

Noppenlose Bauweise 19, 20–23, 29, 144

Noppenloser Quersubtrahierer 291–292

Steine und Balken verbinden 27–28

Übersicht 17–18

Noppenmaß 9

Nullwendekreis 6

Nürnberger Schere 75–76

NXT-Motor 167

O

Oberer Ausleger 159

Oberflächen

Fahrwiderstand 4–5

Reibung 4

Oldham-Kupplung 87–88

P

Pagani Zonda 296, 307

Paint 310

Panzer 299–301

Aufhängung 244

Churchill 245

Geschützrohr 320, 321

Kanonen 323

Keilriemenräder 250

Laufräder 245

Leopard 2A4 301, 323

Sherman 246

Sowjetisch 245, 250

T-72M 301, 320, 321

Wendekreis 6

Parallelhebel 70, 71

Peaucellier-Inversor 74

Pendelachsen

Lenkbar 225

Mit Schneckengetriebe 236–240

Portalachsen 230–235

Pendelaufhängung 208–209

Drehscheiben 210–213

Stabilisiert 211–214

Stabilisiert mit Portalachse 214–217

Periodische Drehbewegung 89

Peterbilt-Truck 298, 313

Pistenraupe 25

Planetenräder 278

Platten

Höhe 9

Nachteile 20

Verstärkung 141

Pleuel 130

Pneumatik 103–113 siehe auch Pneumatische Geräte

Altes System 103–104

Linearaktoren im Vergleich 185–186

Mikrolecks 103

Modifizieren 112–113

Federn entfernen (Herstellen eines Motorkompressors) 113

Nicht von LEGO stammende Lufttanks 112

Nicht von LEGO stammende Schläuche 112

Pneumatik in Hydraulik umwandeln 113

Pneumatische Aufhängung 113

Neues System 104–105

Spiel vermeiden 47

Teile 105–112

6L-Zylinder 107

Großer Zylinder 107, 108

Kleiner Zylinder 108

Lufttank 111

Manometer 112

Pneumatikpumpe 103, 104, 105–106

Pneumatikrohre und -schläuche 108–109

Schlauchanschluss mit Achsverbinder 110

T-Stück 109–110

Ventil mit Noppen 106–107

Verteilerblock 106

Zylinderklammern 110–111

Zapfwelle 110

Pneumatische Geräte 115–136. Siehe auch Pneumatik

Automatischer Druckschalter 123–124

Automatisches Ventil 120–122

Motorkompressoren 115–119

Motorventile 119–120

Pneumatikmotor 124–134

Einzylindermotor 125–127

Übersicht 124–125

Zweizylindermotor 128–134

Vorzeigeprojekte 135

Wasserdruckpumpe 135–136

Portalachse (Vorgelegeachse) 213–217, 318

Potenzflaschenzug 65–66

Power Functions 171–188

Empfänger 175–176

Fernbedienung 176–177

Modifizieren 177–182

Steuerung 172–174

IR-Empfänger 28

LEDs 91–92, 187–188

Linearaktoren 183–186

Motoren 163–164

E-Motor 167

L-Motor 168

M-Motor 168

Motoren 163–164

Servomotor 169

Steuerung 171–174

XL-Motor 169

Schalter 28, 90, 92

Stromversorgung 172–175

Verlängerungskabel 186–187

Propeller 302, 303

Pumpen (Pneumatik) 105–106

Altes System 103

Motorkompressor 115–116

Neues System 104

Q

Quersubtrahierer 288–292

R

Radaufhängungen 203–240

Abhängige Aufhängung 204

Angetriebene Achse 203

Angetriebene und aufgehängte Achsen 209–224

Pendelaufhängung mit Drehscheibe 210–213

Portalachse (Vorgelegeachse) 213–217

Bodenabstand 205

Gefedert/ungefedert 205

Pendelaufhängung 208–209

Stabilisierte Pendelaufhängung 211–214

Stabilisierte Pendelaufhängung mit Portal achse 214–217

Schwebeachsen-Aufhängung (Längslenkeraufhängung) 209, 222–224, 248–249

Tatra-Aufhängung 207–208, 217–220

Unabhängige Aufhängung 220–221

Definition 204

Doppelquerlenker 206–207

Räder

Keilriemenscheibe 59

Dicke 60

Differenzialflaschenzug 63

Kettenfahrzeuge 249–250

Nabenmitte 305

Pneumatikmotoren 124

Kettenräder 243, 244–245, 250

Knebelrad 55, 203

Laufräder 245, 249–250

Modellierung 316–319

Rahmen 151–153

Ratschen 82–83

Räumliches Fachwerk 154

Raupenbagger 25

RC-Motor 170

Rechtwinklige Zahnräder verstärken 142, 143

Reguläre LEGO-Steine 18

Reguläre (nicht lineare) Getriebe 252

Reibstift 11

Reibung 4

Reifen siehe auch Räder

Größe 317

Haftung 4

RG-35 4×4 MRAP 26, 26, 214

Riemenscheiben 59–61

Flaschenzugsysteme 61–66

Differenzialflaschenzug 63–65

Einfache Flaschenzüge 62–63

Potenzflaschenzug 65–66

Gummibänder 60

Ketten 60

Mikromotor 167

Schlupf 60

Verhältnis 59–60

Rohre (Pneumatik) 108–109

Rollenbock 246–247

Rollwiderstand 4–5

Rote Bauteile (Stärke) 160

Rotoren 303–305

Rückfahrleuchten 90–91

Rückwärtsgang 254

Runde Elemente 316–319

RWD (Hinterradantrieb) 7

S

Sarrus-Getriebe 74–75

Schalter

Automatischer Druckschalter 123–124

Power Functions 28, 90, 92, 172

Schläuche

Leitung aufteilen 110

Nicht von LEGO 112

Pneumatik 108–109

Verbinden 110

Verwendung des Begriffs 109

Schlupf

Differenzial 78, 80

Riemenscheiben 60

Zahnrad mit 24 Zähnen und Kupplung 52

Schmidt-Kupplung 88

Schneckengetriebe 48–49

Antriebszahnrad 48

Ausfahrmechanismus 49

Gehäuse verstärken 149–150

Gleitend 120

Portalachse mit Pendel aufhängung 236–240

Sperrmechanismus 82

Spiel 47

Untersetzung 48, 49

Ventilschaltmechanismus 120

Verschleiß 160

Zahnstangen antreiben 49

Schnellgang 46

Schrittmotor 88–89

Stiftlöcher 10

Stifte

Achsstifte 11, 12, 83, 84

Dreiviertelstift 11, 14–15

Halbe Stifte 11, 12

Lange Stifte 11, 12

Mit Kugelkopf 12

Reibung 11

Sonderstifte 11–12

Übersicht 10–12

Verbinden von Steinen und Balken 27

Schubkarre 69

Schwebeachsen-Aufhängung (Längslenkeraufhängung) 209, 222–224, 248–249

Schwenkbewegung

Drehbewegung in Schwenkbewegung umwandeln 84–85

In geradlinige Bewegung umwandeln 71

Koppelgetriebe 71, 74

Schwenkkompressor 116–117, 118

Schwerkraft (Sperrklinken) 83

Schwerpunkt 7

Schwungräder in Pneumatikmotoren 125

Scotch-Yoke-Kurbeltrieb 85–86

Scott-Russell-Getriebe 75

Seitenhebel (Fernbedienung) 179–180

Selbstzentrierende Lenkung 194–195

Sequenzielle (lineare) Getriebe 252

Servomotor 169

Sikorsky MH-53

Pave Low 303, 313

Skalierung 307–314

Baupläne 307–309

Bezugspunkte 309

Softachsen. Siehe Flexible Achsen Sonderstifte 11–12

Spannfeder 195

Spannung 3

Sperrmechanismen 82–83

Spiel 5

Bewegungsverzögerung 5

Pendelachse mit Schneckengetriebe 236

Vermeiden durch Pneumatik 47

Zahnrad mit 8

Zähnen 49

Zwischen Antriebsring und Zahnrad 253

Spindeln 191

Spitze/stumpfe Winkel 321–322

Spurstange 193–194, 196–197

Stabilisierte Aufhängung

Pendel 211–217

Tatra-Typ 217–220

Standardachsen 32

Stapelbare Stecker 171

Starre Verbindungen

Einzelne Achse 21

Nicht starre Verbindungen im Vergleich 21

Rechtwinklige Balken 22

Stecker

Adapter 186

Stapelbar 171

Steuermodul 103

Storchschnabel 73

Stoßdämpfer 209, 211

Alternativen 248–249

Flexible Achsen 34

Ketten 58

Längslenkeraufhängung 247

Laufräder in einem Kettenfahrwerk 247

Tatra-artige Aufhängung 217–220

Stößelstange 84

Stromversorgung 173

Strukturelle Verstärkung siehe Verstärkung

Stufenloses Getriebe 260, 276

Stützbalken. Siehe Binderiegel Stützrollen 245

Subtrahierer 280–292

Gründe 281–282

Längssubtrahierer 282–287

Quersubtrahierer 288–292

Synchronisierte Getriebe 251–252, 261

T

T-72M (Panzer) 301, 320, 321

Tatra-Aufhängung 207–208, 217–220

Technic-Baukästen 24–26

Timer (Batteriekästen) 174, 175

Torsionsstab 248–249

Totgangräder 251

Totraum in Pneumatikmotoren 124

Tragflächen 302

Tragstrukturen 151–159

Binderiegel, Chassis und Fahrzeugrahmen 151–153

Fachwerk 154–159

Auswählen 157–159

Brown-Fachwerk 155–156
triangular Warren Dreieckiges WarrenFachwerk 156–157

WarrenFachwerk 156

Traktion 4

Treibachse Siehe Schwebeachsen-Aufhängung

Truppentransporter

BMR-2 322

Hagglunds BV 206 300

RG-35 4×4 MRAP 26, 214

Tschebyscheff-Getriebe 73

T-Stück 109–110

Turmkräne 154, 158–159

U

Übersetzung 43, 46

Übersetzungsverhältnis 45–46, 58–59

Addierer 279

Getriebe 251

U/min 3

Umschaltanschlag 80, 252–253

Unabhängige Achse 226–229

Unabhängige Aufhängung 220–221

Definition 204

Doppelquerlenker 206–207

Ungefederte Aufhängungen 205

Unregelmäßigkeit von Motorkompressoren 115

Untersetzung 43, 46, 48–49

US-Trucks 296–298

V

Ventile

Altes LEGO-Pneumatiksystem 103, 104

Mit Noppen 106–107

Motorventile 119–120

Neues LEGO-Pneumatiksystem 104

Ohne Noppen 107

Veraltete Zahräder 56

Verbindungen 87–88

Verbindungsteile 321, 322

Verchromen 320

Verchromte Teile 320

Verlängerungskabel 186–187

Verschleiß von LEGO-Steinen 159–160

Verstärkung 137–160
siehe auch Tragstrukturen

Auswählen der stärksten Teile 159–160

Definition 19

Diffenzialgehäuse 144–148

Richtige Vorgehensweise 140–144

Schneckengetriebegehäuse 149–150

Ursachen für das Auseinander-brechen 137–140

Zu verstärkende Stellen 138–140

Verteilerblock 103, 104, 106

Verteilergetriebe 260–276

Viergelenkgetriebe 69–70

Vierradantrieb (4WD) 7

Vorderradantrieb (FWD) 7

Vorgelegeachsen (Portalachsen) 213–217, 318

Vorzeigeprojekte 135

W

WarrenFachwerk 156

Wasserdruckpumpe 135–136

Watt-Getriebe 72, 76

Wendekreis 6–7, 199

Wendekreis von Bordstein zu Bordstein 6

Wendekreis von Wand zu Wand 6

Wendesignale 92–95

Widerstand von Oberflächen 4–5

Wiederaufladbare Batterie 175

Windows Paint 310

Wirkungsgrad 5

Getriebe 46

Größe/Gewicht der Teile 5

Pneumatikmotor 130

Z

Zahnstangen mit Schneckengetriebe 49

Zahnräder 43–56

Beschleunigung 46

Drehrichtung bestimmen 47–48

Drehzahl oder Drehmoment umwandeln 43

Getriebe

Doppelkegelräder 251–252

Rückwärtsgang 254

Totgangräder 251

Zuschalten 251–253

Ketten 58

Power-Functions-Schalter anschließen 92–93

Spiel 47

Typen Siehe auch Schneckengetriebe

8 Zähne 49, 58

12 Zähne 50

14 Zähne 50

16 Zähne 50

16 Zähne mit Kupplung 50–51

20 Zähne 51

24 Zähne 52, 58

24 Zähne mit Krone 55

24 Zähne mit Kupplung 52

36 Zähne 53

40 Zähne 53

Achswellenrad 278

Angetriebenes Rad 44

Antriebsrad 44–45

Differenzial 53–54

Doppelkegel mit 12 Zähnen 50

Doppelkegel mit 20 Zähnen 51

Drehscheiben 54–55

Einzelkegel mit 20 Zähnen 51

Einzelkegel mit 20 Zähnen und Stiftloch 51

Hailfire Droid 55

Knebelrad 55

Laufrad 44–45, 59

Planetenräder 278

Veraltete Zahnräder 56

Untersetzung 46

Verschleiß 160

Verstärken

Achslagerung 140–144

Differenzialgehäuse 144–148

Rechtwinklige Zahnräder 142, 143

Schneckengetriebegehäuse 149–150

Zu verstärkende Stellen 138–140

Wirkungsgrad 46

Zahnrad mit 8 Zähnen 49, 58

Zahnrad mit 12 Zähnen 50

Zahnrad mit 14 Zähnen 50

Zahnrad mit 16 Zähnen 50–51

Zahnrad mit 24 Zähnen 52, 53, 58

Zahnrad mit 36 Zähnen 53

Zahnrad mit 40 Zähnen 53, 120

Zahnstangengetriebe 191, 193

Zapfwelle 110

Zweizylinder-Pneumatikmotoren 128–134

Zylinder 103

6L-Zylinder 107

Altes LEGO-Pneumatiksystem 103, 104, 107

Groß 107

Klammer 110–111

Klein 108

Neues LEGO-Pneumatiksystem 104, 105, 108

Pneumatikmotoren 124–134

Einzelzylinder 125–127

Zwei Zylinder 128–134