Nochmal "Der Stirling-Motor" von AstroMedia

Liebe Kartonisten,

wie ich bereits bei meiner Vorstellung (Ein Papier-Automaten-Fan stellt sich vor) erwähnte, bin ich ein ausgesprochener Fan von Papier-Automaten. Deshalb interessiert mich der Stirling-Motor von AstroMedia schon lange. Ich hatte mich bisher nur noch nicht daran gewagt, weil mir die Funktionsweise unbekannt war und ich mir nicht so recht vorstellen konnte, dass so etwas aus Karton gebaut tatsächlich funktionieren könnte.

Um so erfreuter war ich, als ich entdeckte, dass Ully mit einem Baubericht begonnen hatte. Ich war sehr gespannt und wollte aus seinen Fehlern lernen. Leider hat er den Bericht ja dann aus persönlichen Gründen wieder abgebrochen. Und so habe ich mich entschlossen, selbst einen Bericht einzustellen, auch auf die Gefahr hin Schiffbruch zu erleiden.

Ich werde den Bausatz nicht nochmal vorstellen, sondern da weiter machen, wo Ulli aufgehört hat. Am besten schaut ihr zuerst einmal hier: Der Stirling-Motor/AstroMedia

Zuerst jedoch noch etwas zur Funktionsweise des Warmluftmotors:

Die wichtigsten Teile des Motors sind die beiden Zylinder mit Kolben:
a) Der Hauptzylinder mit Verdrängerkolben. Letzterer schiebt die Luft von der Erwärmungs- in die Abkühlungsseite und umgekehrt.
b) Der mit dem Hauptzylinder verbundene Arbeitszylinder mit Arbeitskolben. Dieser setzt die Kurbelwelle in Bewegung und damit auch den Verdrängerkolben.

Im unteren Teil des Hauptzylinders wird die Luft erwärmt während der Verdrängerkolben sich im oberen Teil befindet. Durch die Erwärmung dehnt sie sich aus, fließt in den Arbeitszylinder und drückt dort den Arbeitskolben aus seinem Zylinder heraus.
Da der Arbeitskolben über die Kurbelwelle mit dem Verdrängerkolben verbunden ist wird dieser in den unteren Teil des H-zylinders gedrückt und dabei die Luft in den oberen Teil zumm Abkühlen befördert. Sie zieht sich zusammen, erzeugt einen Unterdruck im A-zylinder und zieht dadurch den A-kolben in den Zylinder, was zur Folge hat, dass der V-kolben wieder nach oben steigt und die Luft wieder nach unten befördert wo sie wieder erwärmt werden kann.

Hört sich kompliziert an ist aber eigentlich ganz genial einfach. Anbei noch das Titelbild der Bauanleitung, mit dessen Hilfe der Vorgang vielleicht etwas leichter verständlich wird. Und wer den Motor schon mal in Aktion sehen will schaut hier: http://www.astromedia.de/ (Auf "Der Stirling-Motor" klicken!) Hoffen wir, dass mein Motor nach Fertigstellung genau so gut funktioniert. :]

Die Veröffentlichung dieser und evtl. noch folgender Zeichnungen aus der Bauanleitung erfolgt mit ausdrücklicher Genehmigung des AstroMedia-Verlages.

Ich hoffe euch etwas neugierig gemacht zu haben, und im nächsten Beitrag gehts dann auch endlich mit der Praxis los.

Diether

Ich werde mich beim Bau und der Beschreibung genau an die Einteilung in der sehr ausführlichen Bauanleitung halten. Ich hätte mir zwar etwas mehr Explosionszeichnungen gewünscht, aber wenn man erst mal mit den vielen verschiedenen Teile-Namen zurecht kommt, genügen die 2-D-Zeichnungen auch.

Abschnitt A: Das Schwungrad

Das Schwungrad wird zwar erst zum Schluss am Motor befestigt, wird aber beim Aufbau des Hauptzylinders als Schablone benötigt und deshalb zuerst gebaut. Die 4 Kartonscheiben werden sperrholzähnlich gegeneinander versetzt zusammengeleimt, um ein Verziehen zu vermeiden.

Weiter gehts mit:

Abschnitt B: Wand und Boden des Hauptzylinders

Bild 1: Der Hauptzylinder besteht aus einem kreisrunden Alu-Blech, das andere wird der Deckel. Die beiden PVC-Streifen werden zu einem Ring verbunden, der die Zylinderwand bildet. Aus den Kartonstreifen werden die Verbinder hergestellt.

Bild 2: Die Hauptzylinder-Wandverbindung. Je 3 kleinen Kartonteile werden zu einer Art Doppelnut zusammengeklebt.

Bild 3: Mit Hilfe eines Wandverbinders werden die beiden PVC-Streifen zu einem 37cm langen Gesamtstreifen zusammengeklebt. Dieser wird nun möglichst eng um das Schwungrad gelegt und mit dem 2. Verbinder zum Ring verbunden. Das Schwungrad sorgt für die exakte Größe und Ringform.

Fortsetzung: Abschnitt B: Wand und Boden des Hauptzylinders

Jetzt kommt der erste kritische Bauabschnitt: Die Zylinderwand wird mit dem Boden des Hauptzylinders verklebt. Da die Verklebung absolut Luftdicht werden muss, wird der Alu-Boden zuerst aufgerauht und dann ein dicker Strang 2-Komponentenkleber dort aufgebracht, wo die Zylinderwand hinkommt. Diese wird dann mit dem eingespannten Schwungrad in den Klebewulst gesetzt. Eine Kontrolle, ob sich überall genug Kleber zwischen Wand und Boden des Zylinders befinden ist wichtig.
Ich habe das Ganze mit einem Buch beschwert und zum Trocknen gestellt.

Bild 4: Die mit dem Alublech verklebte Zylinderwand. Das Schwungrad dient während der Zeit des Abbindens weiterhin der Stabilisierung.

Bild 5: Hauptzylinderboden und -seitenwand in fertigem Zustand. Der Boden wurde komlett aufgerauht, damit die Wärme besser an die Luft im Zylinder abgegeben wird.

Bild 6: Zum Abschluss dieses Bauabschnittes wird noch die Achshalterung des Schwungrades befestigt.

Bevor der Hauptzylinder ganz zusammengeklebt werden kann, müssen zuerst noch der Verdrängerkolben und der Arbeitszylinder mit dem Arbeitskolben zusammengebaut werden. Deshalb gehts jetzt weiter mit :

Abschnitt C: Der Verdrängerkolben und die Kolbenstangen-Führung

Der Verdrängerkolben besteht aus der großen Schaumstoffscheibe, der Verdrängerkolben-Halterung aus Karton (C1-C14) und der Kolbenstange (Bild 1 & 2).
Die Kolbenstangen-Führung besteht aus einem kleinen Messingrörchen und der Halterung dieser Führung aus weiteren Kartonscheiben. (Bild 3 & 4)
(Ihr könnt euch sicher vorstellen, dass es zu Anfang nicht ganz einfach war diese Wortungetüme von Bezeichnungen auseinander zu halten.)

Die Schwierigkeit beim Zusammenbau der Verdrängerkolben-Führung war, die kleine Kolbenstange genau rechtwinklig zu dem aus den Kartonscheiben bestehenden Kartonblock auszuricheten.
Auch das Messingröhrchen musste mit 2-Komponentenkleber genau senkrecht in den Hauptzylinder-Deckel eingeklebt werden. Die aus den Scheiben D1-D12 bestehende Halterung stabilisiert das Ganze.

Bild 5 zeigt das Hauptzylinderunterteil, den Verdrängerkolben sowie den Deckel mit der Kolbenführung vor dem Zusammenbau.

Und nun zu

Abschnitt D: Der Arbeitszylinder

Bild 1 zeigt in der Mitte den Arbeitszylinder, links daneben die Einzelteile aus denen er besteht: Bodenplatte, die Zylinderwand und den Randwulst vor der Rundung. Die beiden Teile rechts werden später als Außenwand um den Zylinder geklebt.

Abschnitt E: Der Arbeitskolben

Bild 1: Der Arbeitskolben wird wie die Kolbenstangenführung aus mehreren Kartonscheiben und einem Messingröhrchen zusammengebaut. Interessant ist die Latexdichtung zwischen Kolben und Zylinder: der Finger eines Latex-Handschuhs; sichtbar im Hintergrund.
In die Spitze habe ich, wie vorgeschrieben, ein Loch geschnitten. Dadurch bekommen die beiden Kartonscheiben, die von innen und außen auf die Fingerspitze" geklebt werden, einen direkten Klebekontakt".

Bild 2: Latexdichtung mit aufgeklebter Grundscheibe des Arbeitskolbens.

Bild 3: Arbeitszylinder und -kolben vor dem Zusammenbau.

Abschnitt F: Montage von Arbeitszylinder und Arbeitskolben

Bild 1: Die Latexdichtung wurde nun über den Wulst und die Wand des Arbeitszylinders gezogen. Dabei musste man darauf achten, dass der Kolben mit dem Messingröhrchen genau über die Mitte des Zylinders kam und das Röhrchen senkrecht stand. Außerdem sollte der Kolben ca. 6mm in den Zylinder einsinken und ca. 6mm aus ihm heraustreten können, d.h. der Hub sollte insgesamt ca. 12 mm betragen.
Nach einigen Versuchen passte alles, und die Latex-Dichtung konnte mit Nähgarn am Zylinder fixiert und luftdicht gemacht werden.

Bild 2: Schnittzeichnung aus der Bauanleitung.

Abschnitt G: Endmontage des Hauptzylinders

Der ArbeitsZylinder wurde nun auf das große Loch im Hauptzylinderdeckel geklebt und ein Stückchen Silikonschlauch auf die Verdrängerkolben-Führungführung gesteckt. Danach war der Deckel auf die gleiche Weise auf die Seitenwand zu kleben, wie schon vorher der Boden.

Nach der Trocknung des 2-Komponenten-Klebers kam der spannende Augenblick: Ein erster praxisnaher Funktionstest!
Ich setzte den Hauptzylinder auf eine Tasse mit kochendem Wasser und bewegte den Verdrängerkolben an seiner Kolbenstange langsam auf und ab. Wenn alles dicht wäre, sollte sich der Arbeitskolben ebenfalls und im gleichen Rhythmus auf- und abbewegen. - Und tatsächlich, es klappte einwandfrei!

Jetzt kann ich deutlich entspannter an den Rest des Aufbaus gehen. Irgendwie ist man doch dauernd verunsichert, wenn man baut und baut und nicht feststellen kann, ob es am Schluss wirklich so wird, wie man es sich vorgestellt hat.

Abschnitt H: Die Ständer und
Abschnitt I: Der Bügelgriff und die Montage der Ständer

Bild 1 und 2: Es folgte nun der Bau der Stützen bzw. Ständer und des Bügelgriffes. Beide Bauteile wurden nach altbewährter Methode aus je vier geleichen, aufeinander geleimten Kartonteilen hergestellt. Der Bügelgriff diente in dieser Phase als Abstandslehre für die Ständer.

Bild 3: Und an dieser Stelle habe ich nun meinen ersten Fehler beim Zusammenbau gemacht. Ich hatte das Aluminiumteil vor dem Aufkleben der Ständer offensichtlich zu wenig aufgerauht. Die Verklebung löste sich immer wieder, übrigens auch beim Arbeitszylinder. Ich habe deshalb die Klebelaschen der Ständer vergrößert (siehe Bild) und das Aluminium an den entsprechenden Stellen intensiv aufgerauht (Dremel sei Dank). Danach hielten alle Klebungen bombenfest.

Abschnitt J: Die Achslager von Arbeitskolben und Verdrängerkolben und
Abschnitt K: Die Achslager-Fassung der Kurbelwelle

Bild 1 und 2: Die Achslager und die Achslagerfassungen bestehen wieder aus den bekannten vier Schichten Karton. In ihren beiden Innenschichten wurden diesmal noch die Achslager-Scheiben aus Hart-PVC und eine Kolbenstange eingeklebt.

Bild 3: Damit sind nun alle Kartonteile des Bausatzes (bis auf die Außenwand des Arbeitszylinders) verarbeitet.

Jetzt fehlt nur noch die Endmontage des Stirling-Motors! :]

Abschnitt L: Die Montage der Kurbelwelle und
Abschnitt M: Die Montage von Bügelgriff und Schwungrad

Bild 1: Es bleibt nun noch, die beiden Kolben über die Achslager und die Kurbelwelle miteinander zu verbinden und das Ganze dann in die Ständer einzuhängen.

Dazu werden die Achslager mit Hilfe kleiner Stückchen Silikonschlauch auf der Kurbelwelle fixiert. Die kleinen Führungsscheiben sollen ein Abbremsen der großen Achslager-Scheiben durch Berührungen mit den Schlauchstückchen verhindern.

Danach müssen die Kolbenstangen der Achslager noch in die Schläuche der jeweiligen Kolben gesteckt werden.

Bild 2: Danach kann die Kurbelwelle endgültig mit den beiden Ständern verbunden werden. Schlauchstückchen und Führungsscheiben dienen auch hier der Fixierung. Zum Abschluss werden nun noch die Steckfüße der Achslagerfassungen in die Schlitze der Ständer geschoben und alle Grobarbeiten sind getan.

Bild 3: Es folgt noch das genaue Ausrichten der Kurbelwelle und der Kolbenstangen bzw. Achslager senkrecht über den Messingröhrchen der zugehörigen Kolben und die Montage des Bügelgriffes und des Schwungrades.

Nur langsam Jan, zuerst kommt noch:

Abschnitt N: Feinjustierung und erster Probelauf

Was jetzt folgte bedurfte einiges an Geduld und ist leider schlecht im Bild darzustellen: Das Feinjustieren.

Durch langsames Drehen des Schwungrades wurde der Hub des Verdränger- und des Arbeitskolbens überprüft. Ersterer sollte weder am Boden noch am Deckel des Hauptzylinders anschlagen. Während der Arbeitskolben das ganze Auf und Ab der Kurbelwelle mitmachen musste, ohne dass sich die Latex-Dichtung verspannte. Beides konnte gerichtet werden durch vorsichtiges Verlängern, bzw. Verkürzen der Kolbenstangen, d.h. durch Hineindrücken oder Herausziehen aus den Silikonkupplungen.

Und dann folgte der erste Probelauf auf einer Suppentasse mit kochendem Wasser. Nach einer kurzen Wartezeit habe ich das Schwungrad leicht angeworfen und tatsächlich der Motor setzte sich langsam in Bewegung. Er wurde schneller und lief dann ununterbrochen ca. 25 Minuten. Ihr könnt euch sicher vorstellen, dass die Freude groß war (und immer noch ist).

Bild 1: Ich habe dann alle beweglichen Teile noch etwas geölt und das Schwungrad ausgewuchtet. Die überflüssige Ersatzverkleidung des Arbeitszylinders wurde entsprechend zugeschnitten und dient jetzt als Ausgleichsgewicht.

Der Motor läuft jetzt noch ruhiger und noch länger. Es macht viel Spaß die relativ langsamen Bewegungen des Motors, die jede Einzelheit des Bewegungsablaufes genau erkennen lassen, zu verfolgen.

Fazit:

Die Teile sind präzise und leicht zu verarbeiten. Die Passgenauigkeit ist hervorragend.

Die äußerst ausführliche Bauanleitung könnte evtl. noch durch ein paar Explosionszeichnungen ergänzt werden. Und die Teile sollte man vielleicht durchnummerieren. Man müsste dann nicht immer mit den Bezeichnungs-Wortungetümen kämpfen. Aber sonst gibt es wirklich nichts zu bemängeln.
Zu allen Bauabschnitten, bei denen es evtl. etwas kritisch werden könnte, gibt es ausführliche Zusatzinformationen und Hilfestellungen. Dass die Konstrukteure sich intensiv Gedanken gemacht haben, sieht man auch daran, dass mehrere Bauteile gleichzeitig als Schablonen genutzt werden (Schwungrad -> Formung derHauptzylinder-Seitenwand, Bügelgriff-> Abstandsschablone für die Ständer).
Viele Teile werden während der Testphase nur zusammengesteckt, so dass man sie gegebenenfalls leicht lösen wieder kann. Und nicht zu vergessen die vielen Ersatzteile, die man hoffentlich nie braucht. Da die Originalteile verbaut werden müssen und ein Sicherheits-Scan nicht sinnvoll ist, ist das Vorhandensein von Ersatzteilen aber doch sehr beruhigend.

AstroMedie hat da ein wundervolles Modell eines Stirlingmotors herausgebracht. Der Bau ist leicht und der Erfolg eigentlich garantiert, kurzum ein absolut empfehlenswerter Bausatz.

Diether

Hallo zusammen,

erst mal herzlichen Dank für die lobenden Worte. Es war tatsächlich spannend, ob das Ding tatsächlich funktionieren würde. Bei meinen bisherigen Automaten kam es weder auf Luftdichtigkeit noch auf besonders genaues Ausrichten der Teile an. Deshalb war ich schon etwas unsicher.

@ Jan

Ich kann gerne noch einen kleinen Film liefern, war aber der Meinung, das sei unnötig, weil es schon einen professionellen bei AstroMedia (3MB) gibt. Welche Format brauchst du? Wie kommt der Film zu dir, bzw. ins Forum?

@ morewings

Meinst du den Dampf aus der heißen Tasse? Der berührt ja nur den Aluminiumboden des Hauptzylinders. Deshalb muss man auch nichts lackieren.

Das Modell selbst ist ein Warmluftmotor und funktioniert auf Grund der physikalischen Eigenschaft von Luft sich (wie alle Körper) bei Erwärmung auszudehnen und bei Abkühlung wieder zusammenzuziehen. Der Arbeitskolben wird also durch den entstehenden Über- bzw. Unterdruck im Arbeitszylinder bewegt.

Ich habe den Motor auch schon auf einem Stövchen laufen lassen. Da läuft er natürlich bis die Kerze erlischt. Er wird mir dabei aber zu schnell. Für mich ist die langsame Bewegung das Besondere und Schöne an diesem Motor.

Gruß Diether

@ Ulrich

vielleicht schaffe ich es ja zum nächsten LTA-Treffen in Mannheim zu kommen. Wir könnten dann ein Stirling-Motor-Treffen veranstalten, du mit deinem "richtigen" Modell und ich mit meinem "Babbedeggel" - Motor. :]

Gruß Diether