Elektrik & Elektronik

Dieses Kapitel beschreibt den Aufbau und die Ausführung der elektrischen und elektronischen Komponenten meines Unimog-Modells und wird dem Baufortschritt entsprechend ergänzt.

EMotor (Hauptantrieb):

Die Dimensionierung und Auswahl eines geeigneten EMotors sind im Kapitel 'PLANUNG' in den Untermenus 'WAHL EINES GEEIGNETEN EMOTORS' sowie 'ABSCHÄTZUNG ANTRIEBSLEISTUNG' beschrieben. Aus diesen, dem Bau vorhergegangenen Abschätzungen und Berechnungen resultierten Anforderungen an den zu beschaffenden Elektromotor wie folgt:

Mechanische Dimensionen: maximale Länge 50mm bei einem maximalen Durchmesser von 80mm oder einer maximalen Länge von 100mm bei einem Durchmesser von 40mm, Nenndrehmoment mindestens 10Ncm
Elektrische Dimensionen: Nennspannung 12V, elektrische Leistung zwischen 26 Watt und 153 Watt

Ein Elektromotor, welcher damals (2001) diesen Anforderungen abdeckte war ein sogenannter Glockenankermotor des Herstellers Faulhaber vom Typ 3863-012C, ausgestattet mit einem zusätzlichen Planetengetriebe vom Typ 38/2 mit einem angeflanschten Planetengetriebe (Übersetzung von i=3.71) desselben Herstellers.

Getriebeplatten
Photo 1.1: Antriebs-EMotor mit...
Getriebeplatten
Photo 1.2:...Planetengetriebe und
Adapterplatte

Energieversorgung:

Hauptversorgung:
Als Energieversorgung dient zur Zeit (Juli 2007) ein 12V NiMH Akku mit eine Kapazität von 3000mAh, welcher sämtliche elektrische Verbraucher versorgt. Die Stromversorgung der beiden Servos welche das 6-Gang Schaltgetriebe manipulieren, werden vom integrierten BEC des Drehzahstellers (Fahrtregler) versorgt. Das Lenkservo wird direkt vom 12V Akku versorgt. Sämtliche Strombezüger sind einzeln abgesichert (siehe nachfolgendes Kapitel).

Die Innenbreite des Fahrerhauses erlaubt die Unterbringung des Hauptakkus quer zur Fahrtrichtung (Photos 2.1 -2.4). Die Wanne selbst besteht aus 0.5mm Alublech, welches auf Mass geschert und abgekantet wurde. Die Halterungen der Wanne entstanden aus Messing. Die Abschrägungen der vier gedrehten Abstandshalter entstanden händisch per Feile und sind mit den unteren Befestigungsplatten weich verlötet.

akkuwanne
Bild 2.1: Hauptversorgung
akkuwanne
Bild 2.2: Akkuwanne
akkuwanne
Bild 2.3: Akkuwanne
akkuwanne
Bild 2.4 Akkuwanne
Absicherung der elektrischen Verbraucher:
Als Hauptsicherungen gelangen zwei Flachsicherungen aus dem Automobilbereich zum Einsatz. Die dafür genutzten Halter stammen vom örtlichen Elektronikhändler und wurden mit UHU Endfest direkt unten an die Akkuwanne geklebt (Photo 2.6). Eine Flachsicherung ist als Reserve für die Stromversorgung der Hydraulikpumpe vorgesehen. Über die Zweite werden Fahrmotor und sonstige Elektrische Verbraucher gespiesen.

Für die "Feinverteilung" in die einzelnen Stromkreise kommen Feinsicherungen (5x20mm) zum Einsatz, welche in Sicherungseinsätzen (aus dem Baumarkt) ihren Platz finden. Feinsicherungen, Lüsterklemmen für den Anschluss des Drehzahlstellers und der Akkustecker sind jeweils auf einem L-Winkel aus Alu mit der Akkuwanne verschraubt (Photo 2.7). Die Feinsicherungshalter erhielten zudem noch eine aus Polystyrol angefertigte Abdeckhaube als Berührungsschutz der ansonsten blankliegenden Anschlüsse. Feinsicherungen, Anschlüsse für den Drehzahlsteller des Fahrmotors sowie Akkustecker sind so befestigt, dass sie exakt unter die Bodenwanne der Führerkabine passen und im späteren Betrieb nicht sichtbar sind.

haupsicherung
Photo 2.6: Hauptsicherungen
feinsicherungen
Photo 2.7: Akkustecker, Drehzahlsteller-
anschluss und Feinsicherungen (v.l.n.r.)

Aktoren und Steuerelemente Fahrzeug:

Drehzahlsteller (Fahrtregler):
Der Einsatz eines Glockenankermotors lag die Verwendung eines Drehzahlstellers mit höherer Taktfrequenzen nahe. Eine Mehrzahl handelsüblicher Drehzahlstellern weisen eine Takfrequenz im Bereich von 5kHz auf. Meine Suche nach einem Drehzahlsteller mit Taktfrequenzen oberhalb 10kHz im Jahr 2002 und mit einem Preisschild um die CHF 100.- (ca. Euro 90.-)förderte folgende Typen hervor:
  • H1225 der Firma 'Ing.-Büro Nell' mit einer Taktfrequenz von 16kHz
  • MC20 der Firma 'Aeronaut' mit einer Taktfrequenz von 16kHz (Hersteller scheint 2007 nicht mehr zu existieren)

(Seither sind neue Drehzahlsteller von teilweise neuen Herstellern auf den Markt gekommen wie beispielweise die Firma Servonaut, welche ebenfalls Drehzahlsteller mit höherer Taktfrequenz anbieten.)

Die Entscheidung fiel 2002 auf den Drehzahlsteller MC20 von Aeronaut weil dieser über einen lokalen Händler vor Ort bezogen werden konnte. Dieser Drehzahlsteller verfügt über zwei dedizierte Anschlüsse für die Versorgung eines Bremslichtes und einer Rückfahrlampe sowie ein integriertes BEC.

drehzahlsteller
Photo 3.1: Drehzahlsteller MC20...
drehzahlsteller
Photo 3.2: ...mit Befestigungsplatte
Lenkantrieb (Lenkservo):
Angeregt durch Beiträge in diversen Foren über die Problematik eines kräftigen Servos für die Lenkung von schweren Modellen in grösseren Massstäben stiess ich auf einen Beitrag, welcher die Nutzung eines Industrieantriebes (Schneckengetriebe) in Verbindung einer separaten Steuerelektonik.
Während des Echtdampfhallentreffens in Sinsheim 2006 ergab sich die Gelegenheit genau einen solchen Antrieb für 10 Euro zu erstehen. Eine empfohlene Elektronik zur Umwandlung in ein Lenkservo wurde von einer Privatperson aus Deutschland bezogen.
Der mechanische Auf- und Einbau ist im Kapitel BAU --> ANTRIEBSSTRANG beschrieben. Der Einbau der Elektronik geht rasch vonstatten. Es ist lediglich darauf zu achten, dass das Potentiometer speilfrei mit der Abtriebswelle des Schneckengetriebes verbunden wird.
Bei einer der ersten Testfahrten hat sich jedoch die Elektronik verabschiedet: Einer der Endstufen-Transistoren erlag dem Hitzetod. Grund hierfür waren Tests der Lenkkräfte indem die Vorderräder an einem Hinderniss anstanden. Der defekte Endstufentransistor wurde ersetzt und alle Endstufentransistoren an ein Kühlement (inkl. Wärmeleistpaste!) verschraubt und zudem die Basis der Endstufentransistoren über je einen 1kOhm Widerstand auf Masse gelegt, sodass derjenige Brückenzweig der nicht genutzt wird auf Masse "gezwungen" wird und somit nicht heiss werden kann.
Lenkservo-Elektronik
Photo 3.3: Servo-Elektronik
drehzahlsteller
Photo 3.4: Testaufbau
Unterbringung diverser Elektronik-Komponenten:
Um den verfügbaren Platz im inneren des Führerhauses möglichst optimal auszunutzen, entstand ein Befestigungsrahmen aus Alu-Flachmaterial (Photo 3.5), an welchem diverse Elektronik-Komponenten und in (ferner) Zukunft ein Hydraulikpumpen-Aggregat befestigt werden. Dieser Befestigungsrahmen ist an vier Punkten mit dem Rahmen verschraubt, jedoch nur an zwei Punkten als starre Verbindung (zwischen den Federbeinaufnahmen) ausgeführt. An der Fahrzeug-Frontseite ist die 4mm-Silberstahlstange lediglich eingesteckt, sodass sich der Fahrzeigrahmen weiterhn verwinden kann.

Für "offene" Elektronikkomponenten wie beispielsweise des Stellers für das Lenkservo, wurden zwei kleine Gehäuse angefertigt, welche die beiden vorderen Bereiche der Radhäuser ausfüllen.

Die Gehäuse bestehen aus einer 1mm Aluplatte und einer Haube, welche die Grundplatte umschliesst und mit einer Schraube befestigt wird. Die Alu-Grundplatte (Photo 3.6) verleiht der Konstruktion genügend Stabilität und nimmt zudem M3-Einpressmuttern als Befestigungspunkte auf. Die Polystyrolplatte mit demselben Grundriss wie die Grudnplatte dient lediglich zur Sicherheit gegen ungewollte, elektrische Verbindungen zum Fahrzeurahmen, sollten sich mal während des Betriebs irgendwelche Kabelverbindungen lösen.

Die Haube wurde aus 1mm Polystyrol hergestellt und ist so angefertigt, dass auch bei voll eingefedertem Fahrzeug und bei gleichzeitig vollem Lenkeinschlag der Reifen nicht streifen kann. Für die Haubenbefestigung wurde eine Art Abstandshalter aus 5mm Alu angefertigt (Photo 3.7).
Die Kabel werden jeweils hinten aus der Grundplate hinaus, respektive hineingeführt (Photo 3.8). Als elektrische Verbinndung dient eine simple Lüsterklemme aus dem Elektrobedarf (vgl. Photo 3.3).

elektronikbox
Photo 3.5: Befestigungsrahmen
elektronikbox
Photo 3.6: Grundplatten und
Haubendeckel im
Sandwich hergestellt
elektronikbox
Photo 3.7: Grundplatte mit
Haubenhalter
elektronikbox
Photo 3.8: Zu- und Wegführung
der Kabel
elektronikbox
Photo 3.9: Haube
elektronikbox
Photo 3.10: Platz fürs Einfedern

Sender, Empfänger und Multiswitch:

Nachdem erste Komponenten wie Rahmen und Achsen im Rohbau vor mir standen, machte ich mir Gedanken über das anzuschaffende Fernsteuersystem. Die Gedanken und Entscheidungsgrundlagen sind unter dem separaten Menupunkt 'MODELL-PLANUNG' --> 'AUSWAHL EINER STEUERUNG' beschrieben. Auf Basis dieser Entscheidungen wurde ein Futaba Fernsteuersystem vom Typ FC16 mit zusätzlichem Multiswitch Sender-und Empfangsmodul angeschafft.

Das Funktionsprinzip eines Multiswitch-Einheit dürfte hinlänglich bekannt sein; ein Proportionalkanal wird "geopfert" um auf diesem die gewählten Steuerbefehle des Multiswitch-Bausteins zu übertragen. Detaillierte Erläuterungen zu diesem Thema finden sich beispielweise bei den Herstellern oder allgemeinen Quellen im Internet.

Der Empfänger findet in der Werkzeugkiste Platz und aktuell gespiesen vom BEC des Drehzahlstellers (Für den Betrieb mehrerer Servos der zukünftigen Hydraulikventile wird ein separates BEC zum Einsatz gelangen). Für den Multiswitch ist dort ebenfalls Platz vorhanden, alternativ findet dieser PLatz im Auspufftopf, welcher zu diesem Zweck ein paar Millimeter länger als masstäblich nötig angefertigt worden ist (siehe im Menu 'BAU'-->'ANBAUTEILE').

empfaenger
Photo 4.1: Empfänger
multiswitch
Photo 4.2: Multiswitch
Bereits zu Beginn des Unimog-Projektes wollte ich zwei Bedienungen am Fernsteuer(FS)-Sender auf meine Bedürfnisse "massschneidern":
  • Richtungssteuerung mittels "echtem", mehrgängigem Steuerrad am FS-Sender
  • Gangwechsel mittels Stufenschalter oder Schaltkulisse am FS-Sender

Ein Hauptgrund für die gewünschte Richtungssteuerung ist/war die Gelegenheit, mit Erhard Würstens Unimog fahren zu dürfen. Er hat bei seinem FS-Sender ein kleines Steuerrad zur Richtungsänderung angebracht, welches wie beim Vorbild mehrere Umdrehungen für einen vollen Lenkeinschlag benötigt. Dies gefällt mir sehr, da damit die modelltypischen, hecktischen Lenkbewegungen am Modell ausbleiben. Das Modell bewegt sich meiner bescheidenen Meinung nach vorbildähnlicher.

Senderausbau Richtungsgebereinheit
In meiner Restenkiste fanden sich noch eine Stirnrad-Ritzel Kombination und ein Potentiometer (4k7, linear), welche für den ersten Wurf herhalten mussten. Die aktuelle Getriebeübersetzung erfordert ca. 5 Umdrehungen des Steuerrades für den gesamten Lenkweg des Modell-Unimogs, respektive für die 270 Winkelgrade des Potentiometers.

Nachstehende Photos sollen eine Idee des Aufbaus und der Konstruktion der Richtungsgebereinheit vermitteln. Die meisten Teile sind aus Messing-Reststücken auf der Dreh- und Fräsmaschine entstanden und teilweise weich mit der Flamme verlötet.

richtungsgeber
Photo 4.3: Aufbau Richtungsgeber
richtungsgeber
Photo 4.4: Ansicht von unten...
richtungsgeber
Photo 4.5: ...und von oben
richtungsgeber
Photo 4.6: Im Sender eingebaut
Während des Baus entstand die Idee, einen Blinkerhebel zur Ansteuerung der Richtungsblinker mit zu integrieren. Zwei kleine Taster (ebenfalls aus der Restenkiste) sollten den elektrischen Kontakt sicherstellen und parallel zu einem bestehenden Schalter des Multiswitch-Moduls angeschlossen werden.

Der Blinkerhebel sollte zudem beim Einschalten mechanisch arretiert und durch gegenläufiges Drehen am Lenkrad wieder in seine Ausgangsposition rasten, also wie man es bei den meisten PKW's auch kennt.
Diese Arbeiten sind in die ferne Zukunft als "Zwischendurchbastelei" verschoben.

Senderausbau Gangschaltungsgebereinheit
Entgegen der anfänglichen Planung wo die Ansteuerung der beiden Getriebeservos mittels den beiden bestehenden proportionalkanälen des Multiswitch-Bausteines erfolgen sollte, entschied ich mich während der Bauzeit, zwei noch nicht belegte Proportionalkanäle der Fernsteuerung für diesen Zweck zu Nutzen.

Da für die Gangschaltung nur zwei, respektive drei Stellungen des Servos nötig sind, muss nicht notwendigerweise ein Potentiometer als Gebereinheit verwendet werden. Der Einsatz eines dreistufigen Schalters und entsprechenden Festwiderständen funktioniert auch. Auf der Suche nach geeignetem Rohmaterial für die Herstellung der beiden Blenden für das FS-Gehäuse (dort wo der Platz für zwei Schieberegler vorgesehen ist), entstanden anstelle von zwei einfachen Kippschaltern zwei "Kulissenhebeleien" aus Messing-Reststücken, welche ein kleines Potentiometer bedienen und wiederum die Servostellung diktieren. Da der zurückgelegte Drehwinkel des Potentiometers kleiner ist als beispielweise bei einem "normalen" Steuerknüppel, kamen zwei 10k Potentiometer zum Einsatz. Diese werden im nur über einen Winkelbereich von ca. 50° bewegt, teilen die Steuerspannung am Sender jedoch genügend um einen Vollausschlag der Getriebeschaltservos zu ermöglichen.

Nachstehende Photos 4.10 bis 4.13 sollen eine Idee des Aufbaus und der Konstruktion der Gangschaltungsgebereinheit vermitteln. Die meisten Teile sind aus Messing-Reststücken auf der Dreh- und Bohrmaschine entstanden und wurden weich mit der Flamme verlötet.

Geber_Gangschaltung
Photo 4.10: Gangschaltungsgeber
Geber_Gangschaltung
Photo 4.11: dito
Geber_Gangschaltung
Photo 4.12: dito
Geber_Gangschaltung
Photo 4.13: Geber eingebaut
Ausblicke
Folgende Komponenten folgen:
  • Richtungs- und Warnblinker
  • Generelle Fahrzeugbeleuchtung
  • Ansteuerung/ Antrieb einer Kipperspindel