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Werkstattpraxis: Mit vorbildgetreuer Geometrie


Truckmodell - epaper ⋅ Ausgabe 2/2020 vom 22.01.2020

Nachdem die Hinterachsen für mein 1:12 Magirus Jupiter -Projekt fertig geworden waren und sie auch tadellos alle Funktions- und Belastungstest überstanden hatten, konnte ich endlich mit der benötigten Vorderachse beginnen. Ich war erst unsicher, ob es sich lohnt, über den Eigenbau eines so „normalen“ Teils wie eine Vorderachse zu berichten. War dann aber der Meinung, dass diese Achse eben anders ist als andere „normale“ Achsen für RC-Trucks.


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Bildquelle: Truckmodell, Ausgabe 2/2020

Bild 1: Die Linie links zeigt die Mittellinie der Achsschenkelbolzen. Der Treffpunkt dieser Linie auf der Fahrbahn bestimmt den Lenkrollradius


Es gibt käufliche ...

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... Vorderachsen mittlerweile im Überangebot in den gängigen Maßstäben, aber beim Maßstab 1:12 wird auch hier das Angebot schon recht dünn. Das gilt besonders auch deshalb, weil ich mir in den Kopf gesetzt hatte, eine Vorderachse mit der Achsgeometrie wie „bei den Großen“ zu bauen. Und die sollte damit technisch und optisch möglichst nah am Vorbild sein. Es musste also eine Achse mit sogenannter Spreizung sein. Mit dem Begriff Achsspreizung wird die Schrägstellung der Achsschenkel beschrieben, die einige praktische Vorteile mit sich bringt. Es lässt sich damit ein kleinerer Lenkrollradius erreichen. Das wiederum ergibt geringere vom Lenkservo aufzubringende Kräfte. Weitere Vorteile (zumindest im 1:1-Maßstab) sind ein guter Geradeauslauf und ein gewisses Rückstellmoment der Lenkung. Ein weiterer Vorteil ist ein etwas größerer möglicher Lenkeinschlag, bevor das Rad die Federpakete berührt.

Ich glaube zwar nicht, dass dies bei einem Modelltruck zwingend nötig ist und im „Modell- Betrieb“ wesentliche Vorteile bringt. Hunderte wunderschöner und perfekter Modelltrucks, die zuhause, in Vereinen und auf Messen ihre Runden drehen, können das perfekt auch ohne. Aber ich hatte mir das nun einmal so vorgenommen, auch wenn das die Herstellung der Achse komplizierter macht. Außerdem wird dadurch die vorbildgerechte typische Schrägstellung der Vorderräder beim Lenkeinschlag sichtbar.

Weil ich vorab einmal sehen wollte, wie das bei käuflichen Achsen ausgeführt ist (es ist ja keine Sünde zu schauen, was andere machen) habe mich aufgemacht, im Internet und in Foren zu suchen, was es dazu schon gibt. Ich war deshalb erstaunt, dass keine angetriebenen Achsen im Handel zu haben sind, die diese Spreizung aufweisen. Auch nicht bei den wunderschönen und sonst so perfekten hochpreisigen Ausführungen. Fahrwerke mit schräg gestellten Achsschenkeln findet man jedoch häufiger bei Einzelradaufhängungen. Nur lassen sich deren Konstruktionsprinzipien nicht auf die Besonderheiten von starren Achsen übertragen. Bei nicht angetriebenen Achsen ist dieses Merkmal allerdings manchmal zu finden. Falls meine Recherchen aber nicht gründlich genug waren, bitte ich jene um Entschuldigung, die es besser wissen.* (*Nachtrag: Das war mein Wissenstand beim Schreiben dieses Berichtes. Jetzt habe ich von einem Interview mit ScaleART erfahren, dass dort eine solche Achse konstruiert wurde und diese bei der Faszination Modellbau in Friedrichshafen als Neuheit vorgestellt wurde.)

Es war also wieder selber Konstruieren angesagt. Bild 1 zeigt eine Übersichtszeichnung der gesamten Achse nach der dann die Einzelteile konstruiert wurden. (Die Details für die Betätigung der Differentialsperre und die Achsschenkelbuchsen und -bolzen sind nicht dargestellt).

Ich habe mich bei den Einzelteilen ungewöhnlich schwer getan. Es fing an mit der Suche nach dem richtigen Achsgelenk. Ein einfaches Knochengelenk kam nicht infrage, weil ich unbedingt den vorbildgetreuen Radeinschlagswinkel von 42 Grad, besser noch 45 Grad, erreichen wollte. Ein käufliches CVD (Gleichlaufgelenk, eine kompakte Kombination aus Kreuz- und Knochengelenk) oder eine einfaches Kreuzgelenk sind hier nicht einsetzbar, weil deren Knickpunkte (bei starren Achsen) auf den Bruchteil eines Millimeters mit dem Drehpunkt des Achsschenkels übereinstimmen müssen. Das ist schon problematisch genug bei geradem Achsschenkel, bei schrägen Achsschenkeln ist das unmöglich zu realisieren (zumindest bei der von mir erreichbaren Genauigkeit).

Also musste ein möglichst kurz bauendes stabiles Doppelkreuzgelenk her. Da ich bei meinen Achsen keine Außenplaneten realisiert habe, muss dieses das volle Antriebsdrehmoment aushalten. Außenplaneten wären mit einem maximal möglichen äußeren Gehäusedurchmesser von weniger als 21 Millimeter für meine Möglichkeiten zu filigran geraten. Die bei meinem Unimog eingesetzten selbstgebauten Kreuzgelenke mit 10 Millimeter Durchmesser, 5 Millimeter Kreuz und 2 und 3 Millimeter Bolzen schienen mir zu schwach, obwohl sie im Unimog nie Schwächen zeigten. Dort ist aber auch noch eine 1:2 Untersetzung im Achsportal vorhanden.

Ich habe deshalb Kreuzgelenke mit 12 Millimeter Durchmesser konstruiert mit 7 Millimeter Kreuz und 3 und 4 Millimeter Bolzen, die die zu erwartenden Drehmomente aushalten müssten. Auch hier wurde ich im Handel nämlich nicht fündig. Die einen Gelenke waren mir zu schwach, die anderen zu lang. Ich habe mich deshalb bei der Konstruktion bemüht, diese Doppelgelenke so kurz wie möglich zu bauen. Das gelang, indem ich mich bei jeder Kreuzgelenkhälfte auf einen Knickwinkel von 25 Grad (zusammen also 50 Grad Einschlagwinkel) beschränkte und die Anschlüsse an die Nabe und die vom Differential kommende Halbwelle als Teil der äußeren Kreuzgelenkgabeln ausführte. Weil sich beim Einschlagen des Vorderrades die differentialseitige Kreuzgelenkhälfte um ca. 1 Millimeter in Richtung Differential verschiebt, wurde dabei gleich ein Längenausgleich per Querstift realisiert. Bild 2

Übrigens werden die Bolzen meiner Kreuzgelenke nicht verschraubt. Die Kreuze werden mit 3 und 4 Millimeter über Kreuz gebohrt und aufgerieben. Bei der Montage stecke ich erst die 4 Millimeter Bolzen in die Kreuzgelenkgabel und bohre dann durch die bestehende Bohrung im Kreuz mit 3 Millimeter den 4 Millimeter Bolzen auf. Da hinein wird dann durch die andere Kreuzgelenkgabel der 3 Millimeterbolzen getrieben und auf beiden Seiten leicht verstemmt. Eine Demontage ist dann allerdings nur noch durch Austreiben des 3 Millimeter Bolzens möglich. Bild 3

Bild 2: Einbaufertige Doppelgelenke. Die zwei Kugellager kommen in eine gemeinsame Lagerbuchse, die dann im Achsschenkel fixiert wird. Das erleichtert die genaue Einstellung der Felge zur Bremstrommel


Bild 3: Montage der Stifte beim Zusammenbau der Gelenke


Bild 4: Anfertigung der 12-Grad-Bohrung im Achsschenkelrohling


Bild 5: Fast fertige Achsschenkel mit aufgesteckten Radnaben und Doppelgelenken


Bild 6: Bohren der Achsfaust im Winkel von 10,5 Grad


Bild 7: Vorbereitung der Ausfräsungen im Achsgehäusemittelteil


Bild 8: Andrehen der Zapfen, auf denen die Achsfäuste aufgesteckt werden


Bild 9: Aufreiben der Bohrungen für die Lagerung der Halbwellen


Diese Hürde war jetzt genommen und alles passte zumindest theoretisch in meinem älteren 2D-Zeichenprogramm zusammen. Auch hatte ich noch genügend Platz für die je zwei 10×5×4-Millimeter- Kugellager im Achsschenkel, der jetzt konstruktiv detailliert werden musste.

Ich wusste aus einer technischen Dokumentation des Magirus, dass die Vorderräder 1,5 Grad positiven Sturz aufweisen. Ich fand aber keine Information über den Winkel der Spreizung. Beim Recherchieren im Internat sah ich per Zufall das Angebot eines gebrauchten Achsschenkels des Jupiter zusammen mit einem schönen Foto. Anhand dieses Fotos konnte ich einen Spreizwinkel von 12 Grad ausmessen, den ich dann auch für meine Konstruktion des Achsschenkels übernahm. Zusammen mit einem Spreizwinkel von 10,5 Grad in der Achsfaust ergibt das dann den oben beschriebenen positiven Sturz von 1,5 Grad und einen Lenkrollradius von nur 4,8 Millimeter. Bild 1

Die Anfertigung der Achsschenkel war wegen der verschieden Arbeitsgänge zwar zeitaufwändig, aber nicht besonders schwierig. Ein Rohling mit den Außenmaßen wurde gedreht und an der richtigen Stelle eine Bohrung von 5 Millimeter im Winkel von 12 Grad eingebracht und aufgerieben. Anschließend wurden die Lagersitze und der Freiraum für die Kreuzgelenke gedreht. Zum Schluss folgten die seitlichen Ausfräsungen und die Anbringung der Bohrungen zur Befestigung der Lenkhebel und Achsschenkelbolzen. Bilder 4 und 5

Nach dem gleichen Prinzip wurde die Achsfaust gefertigt, allerdings mit einer 5-Millimeter-Bohrung im Winkel von 10,5 Grad. Dort werden später Messingbuchsen für die Achsschenkelbolzen eingeklebt, die mit einem kleinen Bund die Führung und Lastaufnahme an den Achsschenkelbolzen bewirken. Bild 6

Die beiden Achsfäuste werden links und rechts auf das längs geteilte Achsenmittelstück aufgesetzt, per M3-Madenschrauben fixiert und halten es zusätzlich zur Verschraubung zusammen und geben damit der Achse die notwendige Steifheit.

Diese Konstruktion mag kompliziert klingen, entspricht vom Prinzip aber dem Original und erlaubt obendrein einen schrittweisen Zusammenbau der Achse und ggf. notwendige Anpass-und Einstellarbeiten am Differential. Das kommt der von mir erreichbaren Genauigkeit meiner Werkstücke entgegen, weil zwar mehr Teile gefertigt werden müssen, diese aber weniger komplex sind. Schließlich ist jede meiner Konstruktionen, wenn man es genau betrachtet, immer ein Prototyp. Und da ist stets mit Fehlern oder anderen Schwierigkeiten zu rechnen. Weshalb ich auch keinen Hehl daraus mache, dass nicht immer alle Teile passen oder auf Anhieb so gelingen, wie ich mir das gedacht habe. Nicht selten wandert deshalb schon mal ein Teil in den Schrott. Aber das muss ich Modellselberbauern eigentlich nicht erzählen.

Bild 10: Das Werkzeug zur Bearbeitung des Lagersitzes für die Lagerung des Differentialkäfigs


Bild 11: Bearbeitung des Lagersitzes. Das Werkzeug wird erst im Werkstück auf die Bohrstange aufgeschraubt


Bild 12: Probeweiser Einbau des Differentialkäfigs und ermitteln des genauen Maßes (Dicke) des großen Kegelrades


Bild 13: Außenbearbeitung des Gehäusemittelteils


Das eigentliche Mittelteil der Achse besteht aus zwei Hälften. Dazu wurden zwei rechteckige Aluplatten 8 Millimeter dick in den maximalen Außenabmessungen miteinander verstiftet. Vor der Außenbearbeitung dieser zwei Hälften wurden die wichtigsten Bezugsbohrungen für die Schrauben der Achsdeckel eingebracht und die Freifräsung für das Differentialgehäuse ausgeführt. Danach wurden an beiden Enden genau mittig Zentrierbohrungen eingebracht und zwischen den Spitzen Ansätze auf 13,5 Millimeter Durchmesser 10 Millimeter lang angedreht. Der nächste Arbeitsgang war das Aufbohren und Reiben der 10 Millimeter Lagersitze von beiden Seiten unter Zuhilfenahme der Lünette. Bilder 7 bis 9

Alle meine bisher gebauten Differentiale (bzw. deren Differentialkörbe) wurden per Messingbuchse auf den entsprechend doppelt gelagerten Halbwellen gelagert. Das setzt eine stabile Lagerung der Halbwellen mit ausreichendem Lagerabstand voraus. Bei dieser Vorderachse aber blieb auf der rechten Halbwelle, die die Differentialsperre aufnimmt, nicht mehr genügend Lagerabstand übrig, weil vorbildgerecht das Kegelrad zum Antrieb außermittig angeordnet ist. Deshalb habe ich das Lagerungsprinzip umgekehrt und lagere den Differentialkorb direkt in zwei 12×8×4-Millimeter- Kugellagern. Dadurch liegt die innere Lagerstelle der Halbwellen als Gleitlager im Differentialkorb. (Eine Gleitlagerung an dieser Stelle stellt hinsichtlich Reibung und Verschleiß kein Problem dar, da es eine Relativbewegung in der Lagerstelle nur bei der Kurvenfahrt gibt oder wenn ein Rad durchdreht.) Bild 12

Ein Nachteil dieser Bauart liegt in der Anfertigung des 12-Millimeter-Lagersitzes. Bei gespritzten Halbschalen aus Kunststoff oder Druckguss oder als 3D-Teile, lassen sich diese im Herstellprozess darstellen. Ich musste diesen Lagersitz aber am Ende einer 10-Millimeter-Bohrung und ca. 45 Millimeter Länge anbringen. Und dazu fehlte mir der passende Innendrehstahl, sofern es diesen überhaupt gibt.

Bild 14: Ausfräsen des Deckels für Antriebswellenlagerung


Bild 15: (Fast) alle Teile der Achse, Achsschenkelbolzen, Schrauben und die Betätigung der Sperre fehlen noch


Bild 16: Probeweiser Zusammenbau und Kontrolle auf Funktion. Die Kugelgelenke sind auch eine Eigenfertigung


Als Lösung fiel mir schlussendlich ein, ähnlich einem Zapfensenker ein Werkzeug mit genau 12 Millimeter Durchmesser aus Silberstahl zu bauen, zu härten und scharf zu schleifen. Das wird erst in der Freifräsung für den Differentialkorb auf eine 10-Millimeter-Bohrstange aufgeschraubt und dann damit der Lagersitz hergestellt. Die Bohrstange wird dabei durch die 10-Millimeter-Bohrung (gut geschmiert) geführt. Das Ergebnis hat den Erfolg dieser Methode bestätigt. Bilder 10 und 11

Erst als alle diese Arbeitsgänge erledigt waren, konnte ich mit der Bearbeitung der Außenkontur beginnen. Das geschah auf der Fräse nach Anriss und Augenmaß. Der Rest war solange feilen, bis ich zufrieden war. Bild 13

Jetzt fehlten nur noch die Deckel für das Differential. Der vordere Deckel wurde erst innen ausgedreht, mit Bohrungen für die Befestigung versehen, umgespannt und dann außen ebenso bearbeitet.

Für den Deckel mit dem Differentialantrieb wurde innen nur eine Hälfte ausgefräst und die andere voll gelassen. Dadurch wollte ich erreichen, dass mehr „Fleisch“ für die Bohrung übrig blieb, in die das Lagergehäuse für die Differentialantriebslagerung eingeklebt werden soll. Es folgte die Außenbearbeitung und zur Endmontage die Verklebung mit ein paar Stützrippen für die Optik, die in vorgefräste Nuten eingeklebt wurden. Bild 14

Danach war die Anfertigung der Kegelräder für Antrieb und Differential dran. Das große Kegelrad mit 36 Zähnen im Modul 0,7 wurde separat hergestellt und dann auf dem Differentialgehäuse verklebt und verstiftet. Die Bilder zeigen die Einzelteile und deren schrittweisen Zusammenbau. Bilder 15 bis 17

Die Differentialsperre besteht wie üblich aus einer kleinen verschiebbaren Klaue mit zwei Klinken, die in eine entsprechende Ausfräsung der Differentialkorblagerung eingreift. Betätigt wird diese über einen kleinen Hebel, der in die Nute der Klaue eingreift. Ich habe hier auf eine (technisch an sich richtige) Schaltgabel verzichtet, weil die Klaue nur während des Schaltvorgangs zum Sperren betätigt wird und sonst keine Kraft, z.B. über eine Feder, ausgeübt wird. In Bild 16 ist rechts der hochstehende Messingstift hinter der Spurstange zu sehen. Für den Betätigungshebel musste deshalb eine kleine Tasche ausgefräst werden. Bilder 16 und 18

Die Anfertigung der Federpakete wurde nach dem Vorbild des Originals mit insgesamt 16 Lagen ausgeführt. Die obersten drei Lagen und die unterste bestehen aus den Zinken eines Laubrechens, der Rest aus 1-Millimeter-PS-Plattenstreifen. Ich habe mir dieses Mal mehr Mühe damit gegeben und alle Schnittkanten bearbeitet und gerundet, was der Optik zugutekommt. Ich werde deshalb die Federpakete der Hinterachse, die etwas unsauber aussehen, neu machen. Die Federung selbst hat, wie beim Original, nur einen sehr geringen Federweg. Der Magirus Jupiter ist eben ein „harter Bursche“. Bild 19

Bild 17: Einbaufertige Achse von unten


Bild 18: Ausfräsen der Taschen für die Betätigung der Sperre


Bild 19: Das mächtige Federpaket nach Originalmaßen


Bild 20: Fertige Achse von vorne, der positive Radsturz und die Lage der Achsschenkelbolzen sind gut zu sehen


Bild 21: Maximaler Radeinschlagwinkel von 45 Grad in Fahrtrichtung gesehen. Es verbleiben noch ca. 5 Millimeter Luft zu den Federpaketen


Bild 22: Die selbstgefertigten Radbefestigungsmuttern M2 mit SW 3….


Bild 23:…und deren Fertigung


Bild 20 zeigt die fertige Achse von vorn, der positive Sturz von 1,5 Grad und die schrägen Achsschenkel sind deutlich zu sehen.

Der erhoffte Lenkwinkel von 45 Grad ist am kurveninneren Rad erreicht worden. Es verbleibt noch genügend Sicherheitsabstand zu den Federpaketen. Der kleine Messingstift am linken Achsschenkel dient als Anschlag, um ein „Überschlagen“ der Spurstange wegen des großen Einschlagwinkels am kurveninneren Rad zu vermeiden. Bild 21

Nach dem Zusammenbau empfand ich die verwendeten M2-Modellbaumuttern als zu mickrig für die Befestigung der Räder. Ich habe deshalb aus 4-Millimeter-Rundstahl noch eine Handvoll M2-Bundmuttern gedreht, gefräst, gebohrt, abgestochen und Gewinde geschnitten. Ich denke, die Mühe hat sich gelohnt. Bilder 22 und23

Zum Schluss noch einmal der Vergleich mit einer Zeichnung aus dem Teilekatalog des Jupiter. Bild 24

Wenn ein Bauteil oder ein Projekt fertig geworden ist und ich mir das anschaue, kommen automatisch die Gedanken, was alles anders oder besser zu machen gewesen wäre. So habe ich auch dieses Mal wieder festgestellt, dass ich, bei gleichen „Innereien“ der Achse, diese auch gut 5 Millimeter kleiner hätte bauen können. Damit wäre sie sogar wirklich maßstäblich gewesen und ich hätte 2,5 Millimeter Bodenfreiheit mehr gehabt. Auch die Frage der Außenplaneten habe ich mir noch einmal gestellt. Da ich im Gegensatz zu vielen käuflichen Achsen auch Bremstrommel-Attrappen realisiert hatte, ließen sich dort anstelle der beim Original außen angebrachten Planeten diese in einem realisierbaren Durchmesser auch in den Bremstrommeln einbauen. Aber das ist eine Option für ein weiteres Projekt. Darüber hinaus habe ich aber wieder viele neue Erfahrungen für folgende Projekte sammeln können. Jetzt sind aber erst der Rahmen und dann die vom Getriebe aus zuschaltbare Seilwinde dran.

Bild 24: Die fertige Achse im Vergleich mit einer Zusammenbauzeichnung des Originals