Der Reibradantrieb - eine Alternative zum Schneckengetriebe?

von Herbert Zellhuber

Auch wenn man eine reichhaltig sortierte Hobbywerkstatt mit Drehbank und Fräsmaschine hat, wird man beim Bau einer Montierung bald auf ein Hindernis treffen: Das Schneckengetriebe. Dieses Bauteil wird man sich nämlich in der Regel nicht selbst herstellen können. Man ist also darauf angewiesen, sich diese Teile zu besorgen und wenn die Ansprüche an die Laufgenauigkeit hoch sind, wird man zu einem Präzisionsschneckengetriebe greifen müssen. Gibt es eigentlich eine Alternative zum Schneckengetriebe? Das Prinzip des Reibradantriebs spukte mir schon einige Jahre im Kopf rum, nun wollte ich es endlich in Angriff nehmen. In größeren Instrumenten sind Reibräder ja schon öfter erfolgreich verbaut worden, allerdings ist mir bisher kein solcher Antrieb in einer kleinen Montierung bekannt geworden. Die Frage war für mich deshalb: Wird dieses Prinzip auch an meiner Nirosta-II-Montierung mit 50er Achsen gut funktionieren?

Zuerst musste ich mich um das passende Material umsehen. Das Reibrad wollte ich anfangs aus einer 12 mm dicken Edelstahlplatte herstellen, leider konnte ich aber eine solche nicht auftreiben. In meinem Materiallager fand ich nur ein Edelstahlrohr mit einem Außendurchmesser von 168 mm und einer Wandstärke mit 3 mm. Aus einer 10er Aluplatte schnitt ich ein entsprechendes Stück aus, das dann in der Drehbank weiter bearbeitet wurde. Das Werkstück befestigte ich an drei Bohrungen, der Innen- und Außendurchmesser wurde ohne Umzuspannen hergestellt. Dem Außendurchmesser der Aluscheibe gab ich 0,1 mm Übermaß gegenüber dem Innendurchmesser des Rohres. Vorsichtshalber gab ich beim Aufpressen des Ringes noch Uhu-Plus dazu, was aber nicht nötig gewesen wäre. Der Ring hält auch so sehr sicher. Danach wurde der Ring nochmals überdreht. Leider wurde die Oberfläche nicht optimal, da die Drehmaschine gewisse Eigenschwingungen erzeugt. Es ist eben nur eine Hobbydrehbank und keine professionelle Maschine.


Nachdem ich eine maßstabsgetreue Zeichnung angefertigt hatte, wurden die Teile hergestellt. Das ganze Material konnte ich aus jahrelang gesammelten Beständen entnehmen. Es musste auch etliches mit der Fräsmaschine hergestellt werden. Hauptsächlich benötigte ich Aluplatten der Stärke 10, 12 und 15 mm, diverse Aluleisten und verschiedene Rundstangen aus Edelstahl, Messing und Aluminium. Sogar die Kugellager und das Übersetzungsgetriebe 1:100, die ich mal aus Altgeräten ausgeschlachtet hatte, brauchten nicht besorgt werden. Der Schrittmotor stammt aus einem alten Diskettenlaufwerk.

Hier möchte ich erst mal das Funktionsprinzip erklären: Durch Anziehen der Schraube (S) wird das in einem Schwalbenschwanz geführte Zugstück (Z) nach hinten gezogen und gleichzeitig das in einer Nut geführte Druckstück (D) nach vorne gedrückt. Im Druckstück (D) befindet sich das Kugellager (L1), welches gegen das Antriebsritzel (A) und dieses wiederum auf das Reibrad (R) drückt. Gleichzeitig werden durch das Gestänge die Kugellager (L2) und (L3) gegen das Reibrad gedrückt - siehe Pfeile. Durch diese Anordnung richtet sich die Kraft nur gegen das Reibrad, gegen die Polachse wird kein Druck ausgeübt - das Ganze ist sozusagen eine »schwimmende Lagerung«. Die Schraube (S) braucht hierzu nur leicht angezogen werden, man könnte gleich gut eine Rändelschraube verwenden.


Weitere Bilder vom Aufbau: Das Zugstück (Z) wird durch die Schwalbenschwanzführungen (F) gehalten und kann ein paar Millimeter in Richtung der Polachse bewegt werden. Mit (F1) sind zwei kleine Stifte bezeichnet, die das Druckstück (D) führen, in das wiederum eine Nut eingefräst ist. Man kann es ebenfalls einige Millimeter in Richtung der Polachse bewegen. Durch die Bohrungen (B) wird das Druckstück (D) mit zwei Schrauben gehalten. Mit (P) sind 3er Passstifte bezeichnet, damit die Teile jedesmal wieder passgenau montiert werden können.

Schnittzeichnung vom Druckstück


Das Druckstück besteht aus drei Einzelteilen. An den Teilen a und c sind jeweils die seitlichen Lager für das Antriebsritzel (Messing-Madenschrauben mit Schlitzmuttern) zu erkennen.

Der erste Funktionstest war sehr spannend. Ich hatte dieses System ja bislang noch nirgends gesehen. Erfreut stellte ich fest, dass sich bei angezogener Schraube (S) das Antriebsritzel (A) relativ einfach mit den Fingern drehen ließ. Das Antriebsritzel (A) ist ein gehärteter und genau geschliffener Passstift im Durchmesser 6 mm. Er ist nur seitlich gelagert und wird mit je vier Messing-Madenschrauben und Kontermuttern auf wenige Hundertstel Millimeter genau eingestellt, in Richtung zur Reibradachse hat der Stift 0,5 mm Spiel. Die mit (H) bezeichneten Teile sind übrigens nur Abstandhalter für das Gestänge und mit (K) ist die stufenlos einstellbare Rutschkupplung bezeichnet. Die Schraube (S) wird übrigens nach dem Gebrauch der Montierung wieder entspannt, damit sind Kugellager, Reibrad und Antriebsritzel bei Nichtbenutzen der Montierung keinen Belastungen mehr ausgesetzt.


Dieses Bild zeigt den fertig montierten Reibradantrieb. Am Antriebsritzel ist nun das Zahnrad (stammt übrigens aus einer alten Stempeluhr) im Durchmesser 70 mm befestigt - dahinter das Untersetzungsgetriebe 1:100 und der Schrittmotor.

Links der Mitte sieht man die beiden Tellerfedern (aus Edelstahl selbst hergestellt), die das Druckstück federnd halten. Ebenfalls ist zu sehen, dass die Kugellager jeweils doppelreihig angeordnet sind.

Ebenso spannend war es, als ich erstmals die Nachführgenauigkeit testete. Wird es zur Zufriedenheit funktionieren oder waren die vielen Stunden in der Hobbywerkstatt für die Katz'? Es wurde mit dem 8"-Newton mit 1200 mm Brennweite und einem 12,5 mm Micro Guide getestet, wobei 0,1 mm auf der Strichplatte 17 Bogensekunden entsprechen. Nachgeführt wurde nach einen Stern in der Nähe des Äquators (Seeing geschätzt 2-3"). Ich war verblüfft über die hohe Präzision der Nachführung. Gewisse Laufungenauigkeiten waren zwar vorhanden, ein Korrigieren innerhalb der Seeing-Toleranz war aber ein Kinderspiel.

Dann stellte ich das Werk im ATM-Diskussionsforum vor. Schon gleich musste ich verschiedene Fragen beantworten. Unter anderem wurde nach der Anpresskraft des Antriebsritzels gefragt. Dies bewog mich, ein paar Untersuchungen anzustellen.
Mit einem Kraftmesser stellte ich fest, wie groß das Drehmoment sein muss, damit bei angezogener Rutschkupplung (K) das Haltemoment ausreicht. Es sind ca. 1,5 N nötig, wobei der Schraubenschlüssel eine Hebellänge von 120 mm und die Schraube M 5 eine Steigung von 0,8 mm hat. Aus diesen Werten konnte ich die Anpresskraft des Antriebsritzel berechnen lassen. Bei 2 N beträgt das Drehmoment zwar nur harmlose 0,24 Nm - aber die Anpresskraft ist 345 N. Bei 4 N wären das immerhin schon satte 690 N! Ich konnte das Anfangs noch gar nicht glauben und führte deshalb folgendes Experiment durch: Ich spannte eine 12er Aluplatte in den Schraubstock, in welche ich vorher mittig ein Gewinde M 5 schnitt. Darauf setzte ich eine weitere Aluplatte und darauf wiederum den Amboss mit 24 kg. Von unten drehte ich jetzt die 5er Schraube ein. Dann legte ich so viele Gegengewichte darauf, bis sich die Schraube bei 2 N (Drehmoment 0,24 Nm) gerade noch drehen ließ. Danach wog ich die aufgeladenen Gewichte und kam auf insgesamt 33 kg, was dem errechneten Wert von 345 N schon recht nahe kommt. Neure Messungen mit einer genauen Federwaage ergaben, dass die errechneten 345 N recht genau stimmen. Ich habe auf meiner Seite Reibung, Drehmoment und Vorspannkraft an Schrauben dieses praktisch nachvollziehbare Experiment näher beschrieben.
Da ich vorher versuchsweise die Schraube schon ein paarmal recht stramm anzog, untersuchte ich die Oberfläche des Reibrades. Tatsächlich fand ich auch einige kleine Druckstellen. Ich stellte mir darauf hin eine Rändelschraube her, mit der beim gefühlvollen Anziehen maximal ein Drehmoment von 0,3 Nm erreicht wird.


Da die Oberfläche beim Abdrehen nicht so schön wurde, spannte ich das Reibrad noch mal in die Drehmaschine. Meine selbstgebaute Präzisionsschleifmaschine kann ich auf den Drehbanksupport schrauben. Mit einer feinkörnigen Schleifscheibe zog ich dann ein paar Hundertstel Millimeter herunter. Nun bin ich mit der Oberfläche zufrieden.

Dann interessierte mich, ab welcher Anpresskraft der gehärtete Passstift Druckflächen in das Edelstahlmaterial macht. Dazu baute ich mir aus kleinen zusammengeschraubten Aluplatten eine Vorrichtung, bei welcher ich 3 mm dicke Bleche in der Breite des Reibrades einlegen kann. Darauf wird der Passstift gelegt und mit einer 5er Schraube können die verschieden Anpresskräfte simuliert werden. Bis 0,3 Nm waren noch keine Druckstellen sichtbar, erst bei 0,35 Nm waren diese erstmals angedeutet. Mit der Rändelschraube ist dieser Wert beim gefühlvollen Anziehen aber eh nicht erreichbar.


Für das Getriebe stellte ich aus Aluminiumblech noch ein passendes Gehäuse her, damit es vor Schmutz und Staub geschützt ist. In der Gehäusewand ist ein verschließbares Guckloch angebracht. Es gibt einen Blick auf das Reibrad, um die Haltekraft kontrollieren zu können. Unten sieht man die Batterie, das Steuerelektronik-Gehäuse und den Handtaster.

Bei einem Reibrad mit 167,8 mm Durchmesser und einem 6-mm-Antriebsritzel beträgt die Übersetzung 1:27,96. Folglich muss sich das Antriebsritzel in 51 Minuten 21 Sekunden einmal drehen. Das Antriebsritzel trägt ein Zahnrad mit 120 Zähnen und wird von einem solchen mit 18 Zähnen angetrieben. Die Übersetzung beträgt hier 1:6,6 - somit dreht sich das Zahnrad mit 18 Zähnen einmal in 7 Minuten 42 Sekunden. Neben der Laufgenauigkeit interessierte mich, ob sich nach ca. 7¾ bzw. 51½ Minuten ein periodischer Fehler einstellt. Im Newton 200/1200 wurde wieder das 12,5er Micro Guide verwendet und ein Stern in der Nähe des Äquators eingestellt. Jede halbe Minute notierte ich die Abweichung auf der Strichplatte, insgesamt wurden in einer Stunde 120 Werte aufgenommen. Aus diesen Daten zeichnete ich dann auf Millimeterpapier eine Grafik.
Die Auswertung ergab folgendes Bild: Den größten Lauffehler produzierte die elektronische Schrittmotorschaltung. Sie ist zwar quarzgesteuert und deshalb auch sehr konstant, aber sie kann nur digital mit einem DIP-Schalter auf ca. 0,1 Hz eingestellt werden. Ganz genau wird man die richtige Frequenz also im meisten Fall nie einstellen können. Entweder läuft der Motor ein wenig zu schnell oder zu langsam, in diesem Fall läuft er in einer Stunde sechs Sekunden zu schnell.
Als weiteres war ein Lauffehler signifikant, der sich nach knapp acht Minuten wiederholte. Das ist tatsächlich die Zeit, in der sich das Zahnrad mit 18 Zähnen einmal dreht. Sollte das Zahnrad an dieser Stelle eine Macke haben? Ich baute diese Zahnräder aus und überprüfte mit einer 3fach-Lupe die Oberfläche der Zahnflanken. Irgendeine Macke konnte ich zwar nicht finden, aber an einigen Stellen war Schmutz zu sehen. Diesen entfernte ich und überprüfte die Laufgenauigkeit ein weiteres Mal. Ein periodischer Lauffehler war nun nicht mehr da. Insgesamt waren immer wieder kleinere Laufungenauigkeiten vorhanden. Die Abweichungen fanden aber sehr langsam statt, ein Nachführen im Bogensekundenbereich ist immer möglich.

Ich habe es nicht bereut, die Montierung auf Reibradantrieb umzurüsten. Ich nehme an, dass die nächsten Jahre der Bau von Reibradantrieben zunehmen wird. Er ist bei gewissenhafter Herstellung durchaus einem Präzisionsschneckengetriebe (bei gleichem Raddurchmesser) ebenbürtig und hat zudem den Vorteil, dass man ihn mit üblichen Werkzeugmaschinen (Drehbank, Fräse) relativ preisgünstig herstellen kann.

Am Schneckengetriebe der Nirosta-Montierung und an diesem Reibradantrieb ermittelte ich den Wirkungsgrad und konnte dabei einige interessante Erkenntnisse gewinnen.

Aussichten:
Es kamen schon einige Anfragen und auch Verbesserungsvorschläge. Es dürfte deshalb interessant sein, statt des Ritzelantriebs mit Zahnrädern einen Zahnriemen zu verwenden. Dieser könnte durchaus bessere Laufeigenschaften haben und vor allem die Kraft gleichmäßiger übertragen.

Sicher wird auch ein hochwertiges Untersetzungsgetriebe weitere Vorteile bringen. Ich denke da an die fast spielfreien Planetengetriebe.

Ein weiterer Verbesserungsvorschlag wäre, am Ritzel zwei Kugellager wie im Bild links anzubringen. Diese Andrucklager würden die seitliche Führung des Ritzels ersetzen. Die einstellbaren Messingbolzen können sich mit der Zeit abnutzen und erhöhtes Spiel hervorrufen. Mit den beiden Lagern könnte dies umgangen werden.


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