So viel zur grauen Theorie. Die Verhältnisse sind also reichlich kompliziert und bei einer rein theoretischen Abhandlung stehen immer alle Bedenken gleichwertig nebeneinander. Was davon ist jetzt wirklich wichtig und was kann man getrost vergessen? Viel berechnen kann man hier nicht, also macht wieder mal nur der Versuch kluch, und weil ich's jetzt einfach wissen wollte, habe ich eine recht umfangreiche Testserie angesetzt.

 

 

Natürlich ist es mit der quantitativen Übertragbarkeit von Versuchsergebnissen in die Realität so eine Sache. Aber es reicht ja schon, wenn die Messwerte innerhalb der Versuchsreihe in sich schlüssig ermittelt werden, und damit ist dann auf jeden Fall zumindest eine qualitative Aussage für die Praxis möglich.

 

Als Erprobungsträger habe ich eine GFN BR91 ausgewählt. Hauptgrund dafür ist, dass diese Lok wegen Kontaktproblemen nur unzuverlässig läuft und für den "echten" Betrieb auf meiner geplanten Anlage nicht in Frage kommt. Bei der Lok gehe ich auch gerne das Risiko ein, dass sie bei den Tests kaputtgefahren wird.

 

Da sich die Reibung in den verschieden Betriebs- und Schmierzuständen nicht direkt messen lässt, wird die Stromaufnahme bei einer bestimmten Betriebsspannung (8V) überwacht. Die gemessenen Verläufe der Stromaufnahme korrelieren mit der Reibung, aber auch dem temperaturabhängigen Widerstand der Motorwicklung.

 

Folgende Versuchsreihe wurde durchgeführt:

 

 

Messfahrt mit einem Zug auf dem Testkreis zur Ermittlung der Stromaufnahme unter normalen Betriebsbedingungen. Mit dem Ergebnis lässt sich abschätzen, ob nun die später gemessenen, nur vom Schmierstoff verursachten Änderungen in der Stromaufnahme überhaupt eine für die Praxis maßgebliche Größenordnung haben, und etwa abschätzen welchen Einfluss die Wicklungstemperatur hat.

 

 

Die Lok wird im Prüfstand aufgehängt und direkt an den Trafo angeschlossen. Damit sind alle zufälligen Fremdeinflüsse aus Gleislagen, Steigungen und Gefällen usw. ausgeschlossen. Nachteil ist, dass die mechanische Belastung des Schmierstoffs im Versuch nur gering ist. Bei Wälzlagern zumindest ist die Höhe der Belastung innerhalb vernünftiger Grenzen jedoch nur sekundär.

 

Mit den bekannten Werten für Stromaufnahme I und Spannung U lässt sich die Eingangsleistung Pe der Lok sehr einfach bestimmen:

 

Pe = U * I

 

Entscheidend ist aber, was am anderen Ende der Lok herauskommt. Stark vereinfacht ist die abgegebene Leistung:

 

Pa ~ M * n

 

Wobei M das Drehmoment und n die Drehzahl ist. Im Drehmoment stecken alle mechanischen Hemmnisse, die der Motor überwinden muss, um die Lok in Bewegung zu versetzen. Natürlich auch die für uns interessante, vom Schmierzustand abhängige Reibung. Lässt das Reibmoment nach, beschleunigt die Lokomotive, bis wieder ein Gleichgewicht mit der eingebrachten Leistung besteht.

 

Im Verlauf der Messfahrten wurde die Lok deutlich schneller. Die Drehzahl ist also wichtig, um die Reibung bzw. die Änderung der Reibung in der Lok bestimmen zu können. Da die Messung direkt am Motor keine brauchbaren Ergebnisse brachte, erhielt wurde am Kreuzkopf der Testlok ein Reflektorstreifen angebracht und dieser bei den Messungen angepeilt. Dazu musste allerdings die Lok still stehen. Auch daher der Prüfstandseinbau.

 

Aus den Messungen wird das Drehmoment wie folgt ermittelt:

 

M = (U*I)/n

 

Da sich bei betriebswarmem Motor der Widerstand nicht mehr nennenswert ändert, sind alle Veränderungen im Drehmoment auf die Reibung und damit auf den Schmierzustand zurück zu führen. Und da uns nur die Messwerte selbst und deren Veränderung zueinander interessieren, können wir uns alle Feinheiten, wie Umrechnung der Kreisfrequenz usw. sparen. In den Versuchsdiagrammen werden die Reibmomente nicht ganz korrekt, aber überall gleich falsch in der Einheit Nmm angegeben.

 

Zu Beginn eines jeden Versuchs wird die Lok mit Benzin gründlich ausgewaschen und die Stromaufnahme bei 8 V im trockenen Zustand gemessen. Dieser Wert bildet dann die Referenz für den folgenden Versuch.

 

Für den Versuch wird dann die Lokomotive mit dem jeweiligen Schmierstoff geschmiert und in Betrieb genommen. Es ergibt sich nach einer gewissen Einlaufphase ein Beharrungszustand. Dann wird über 10 Minuten alle 30 Sekunden die Stromaufnahme und die Drehzahl gemessen. Danach wird die Lok für ca. 1 Stunde stehen gelassen und dann der Versuch wiederholt. Ein dritter Versuch erfolgt dann, nachdem die Lokomotive mindestens über Nacht stehen blieb.

 

Hieraus ergeben sich erste Bewertungsmöglichkeiten für die Schmierstoffe und die zur Schmierung eingesetzten Verfahren..

 

 

Mit dem besten Schmierstoff aus 5.1.2. wird dann untersucht, wie lange der Beharrungszustand besteht, bis die Stromaufnahme wieder steigt und nachgeschmiert werden muss.

 

Hieraus ergeben sich Anhaltspunkte für die Wahl einer vernünftigen Schmierfrist.

 

 

Die als Kenngröße herangezogene Stromaufnahme hängt abgesehen von den zu untersuchenden Reibungsverhältnissen auch von der Motortemperatur ab, da sich der Widerstand des Kupferdrahtes in der Wicklung mit steigender Temperatur erhöht.

 

Nach dem Ohmschen Gesetz ergibt ein höherer Widerstand eine geringere Stromaufnahme. Die Temperaturerhöhung im Motor kann nur ganz grob abgeschätzt werden. Ab ca. 60° wird es schmerzhaft, eine metallische Oberfläche zu berühren. Dies wurde nur bei Vorversuchen ohne Schmierung oder beim Einlaufprozess erreicht. Die Temperatur von 60°C entspricht einer Erhöhung von 40 K gegen Raumtemperatur. Zur Abschätzung wird angenommen, dass dem gegenüber die "normale" Erwärmung 20 K beträgt.

 

Mit den Kennwerten für Kupfer ergeben sich folgende Zahlenwerte für die Widerstände und Ströme bei 40° (R40, I40) und 60° (R60, I60) gegenüber Raumtemperatur (R20, I20):

 

dt = 20°          R40/R20 = 1,078        I40/I20 = 0,928

dt = 40°          R60/R20 = 1,156        I60/I20 = 0,865

 

D. h. ein gemessener Stromabfall von bis zu 7 % bei betriebswarmen Motor, bzw. 14 % bei heiß werdendem Motor ist widerstandsabhängig, nur darüber hinaus gehende Änderungen sind auf Reibungsvorgänge zurück zu führen. Ein Temperaturunterschied von ca. 3° erzeugt eine prozentuale Änderung des Stroms von ca. 1 %.

 

Lässt sich das auch direkt messen? Ich hab's mal probiert und folgende Werte ermittelt:

 

Vor dem Versuch:      Motortemperatur: 21°C, Widerstand: 48 W

Nach dem Versuch:    Motortemperatur: 31°C, Widerstand: 32 W

 

Das ergibt natürlich überhaupt keinen Sinn. Wer misst, misst Mist, und wie mir ein Kollege aus der elektrischen Zunft bestätigte, sind kleine Widerstände mit Standardmessmitteln kaum genau zu messen. Auch die Temperaturmessung ist alles andere als vertrauenerweckend, da man ja nicht in der Wicklung messen kann. Also ist die rechnerische Abschätzung oben wahrscheinlich genauer als jeder Versuch, diese durch Messungen zu verifizieren.

 

 

Für die Tests habe ich erstmal folgende Schmierstoffe vorgesehen:

 

 

Also ganz billiges Öl aus dem Baumarkt. Rein instinktiv käme ich nicht auf die Idee, so was in meine Loks zu schütten, aber vielleicht kann man das als schlechtes Beispiel nutzen … oder sehr überrascht werden.

 

Das Zeug ist schon seit Ewigkeiten auf dem Markt und angeblich gut für und gegen alles und völlig verharzungsfrei. Es riecht zwar merkwürdig – so viel zur Chemie – aber ich habe eine Flasche von dem Zeugs vor 10 Jahren geerbt, und es hat sich bislang noch nichts unten abgesetzt. Mal sehen, was wird.

 

Kommt in Sprayform und ist ultradünn. Laut Verpackungsaufdruck ein „Idealer Schmierstoff“ für feinmechanische Getriebe“. Weil es so dünn ist, dürfte es wohl den Gegenpol zum Nähmaschinenöl bilden. Zur Zeit habe ich dieses Öl in Verwendung, eigentlich mehr als Schutz gegen Korrosion und um mal hin und wieder fahren zu können.

 

 

Dieses grüne, verharzende Zeug wird von Mobil hergestellt und wurde (wird?) auf Modellbauermessen verkauft. Nachdem es verharzt und klebt, kommt es eigentlich nicht mehr in Frage, aber mich interessiert es halt, ob es wenigstens was taugt, solange es nicht verharzt ist.

 

 

Kommt als Zubehör mit Langhaarschneidern von Braun. Das Öl ist relativ dünn, völlig klar und innerhalb von 10 Jahren völlig stabil geblieben. Die beiden Scherblätter des Langhaarschneiders oszillieren recht schnell und reiben heftig aneinander und das Öl funktioniert an dieser schwierigen Stelle prächtig. Klingt alles recht vielversprechend und es hat mich einfach mal interessiert, ob sich das auch tatsächlich bewährt.

 

 

Von der Firma High-Tech Modellbahnen speziell für Spur Z vertrieben – sollte aber auch bei uns verwendbar sein. Es handelt sich um einen mit Teflon versetzten Schmierstoff, bei dem das Öl nach 3 Tagen verdunstet ist und nur das Teflon zurücklässt.

 

Der Hersteller empfiehlt, bei Ersteinsatz diese Prozedur 3 … 4 Mal zu wiederholen, damit sich eine ausreichende Teflonschicht aufbauen kann. Das macht eine Vorbereitungszeit von über einer Woche. Die Untersuchung dieses Schmierstoffs wird daher ganz ans Ende der Versuche geschoben.

 

 

 

Ein 0815-Schmierfett zur Wälzlagerschmierung. Wie man meinen Ausführungen zwischen den Zeilen entnehmen kann, mag ich Fett eigentlich nicht, aber mal sehen, was es an der Schnecke so anrichtet …

 

 

 

Gemessen wurde auf einem kleinen Oval mit einem Radius von ca. 190 mm.

Die Lok war in einem geschmierten, am Vortag für ca. 30 min eingefahrenen Zustand (Scherblattöl). Für den Zug wurden 10 kleine Mtx Schotterwagen verwendet. Diese wurden aufgrund ihres sehr kleinen Achsstands gewählt, um ein Zwängen in den engen Kurven zu minimieren.

 

Vorgehensweise:

Es wurden jeweils 3 Runden gefahren und an der gleichen Stelle der Strecke die momentane Ist-Stromaufnahme gemessen. Die in der Grafik gezeigten Messwerte sind die Mittelwerte der drei Messungen. Danach wurde die Anzahl der angehängten Wagen um jeweils 1 erhöht und die nächste Messfahrt durchgeführt, bis eine Gesamtzuglänge von 10 Wagen erreicht war. Danach folgte eine kurze Pause und Zwischenmessung der Stromaufnahme der Lok bei Alleinfahrt (Einzelmessung). Danach wurden die Messfahrten wie zuvor wiederholt, jedoch nach jedem Messpunkt die Zuglänge wieder um 1 reduziert, bis die Lok alleine fuhr.

 

Im Diagramm ist daher blaue Kurve von links nach rechts, die rote von rechts nach links zu lesen.

 

 

Daneben wurden folgende Einzelmessungen durchgeführt:

 

Anfahrspannung und -strom bei Versuchsbeginn: 5,8 V; 125 mA

Anfahrspannung und -strom nach Versuchsende: 4,4 V; 86 mA

 

Stromaufnahme bei durchdrehenden Rädern und 8 V: 155 mA

Stromaufnahme bei allein fahrender Lok zwischen den Messungen: 113 mA

 

Kurztest: "Am Tag danach" wurde die Lok noch einmal allein bei 8 V fahren gelassen:

Stromaufnahme zu Beginn: 150 mA

Stromaufnahme nach 5 Minuten: 112 mA

 

Bei allen Messungen blieb die Lokomotive "normal betriebswarm" (was immer das auch heißt).

 

Auswertung und Schlussfolgerungen:

 

Bei betriebswarmer ein eingefahrener Lok scheint sich - ohne angehängten Zug - eine Stromaufnahme von ca. 110 mA bei 8 V einzustellen.

 

Stellen wir uns erst mal janz dumm und lassen bei Reihe 1 die Messpunkte für 0 bis 2 und bei Reihe 2 die Messpunkte für 8 - 10 Wagen weg. Im Trend liegen die beiden übrig bleibenden Verläufe parallel und die Stromaufnahme steigt mit durchschnittlich rund 3 mA pro angehängten Wagen. In dem Bereich, in dem die beiden Kurven parallel liegen, beträgt die mittlere Abweichung 5 mA.

 

Nun zu den ersten drei Punkten bei Reihe 1: Trotz zunehmender Last sinkt die Stromaufnahme von 122 mA auf 116 mA. Wenn Stromaufnahme jedoch eigentlich um 3 mA pro Wagen steigt, müsste der erste Messpunkt eigentlich bei 110 mA liegen - was dann auch zu den anderen Messungen passen würde.

 

Ebenso steigt die Messkurve bei Reihe im Bereich 8 - 10 Wagen stark überproportional von 124 mA auf 138 mA. Mit 3 mA pro Wagen müsste der Messwert eigentlich bei 130 mA liegen.

 

Wir liegen bei Messreihe 1 um 12 mA, entspricht 11%, bei Messreihe 2 um 8 mA, entspricht ca. 6 % neben dem eigentlich zu erwartenden Wert. Beide Beträge sind in etwa gleich und traten jeweils zu Beginn der Messreihen auf. Es liegt nahe, dass dies in erster Linie auf die Erhöhung des Widerstands der Motorwicklung durch die Erwärmung zurückzuführen ist.

 

Entsprechend hat sich die Motorwicklung während der ersten drei Messfahrten der Reihe 1 um rund 33 K erwärmt, bei Reihe 2 um rund 18 K. Messreihe 2 wurde kurz nach Beendigung von Messreihe 1 begonnen, und der Motor wahrscheinlich noch nicht auf Raumtemperatur abgekühlt.

 

Die generelle Differenz von 5 mA zwischen Messreihe 1 und 2 wird dadurch nicht erklärt. Diese deutet stark darauf hin, dass sich die Lok auch nach ca. 1/2 Betrieb nach der Neuschmierung noch nicht wieder voll eingefahren war. Die Nachwehen des Einfahrprozesses scheinen also sehr lange zu dauern. Auch die erheblich verbesserten Werte für Anfahrspannung und -strom vor und nach Versuch sprechen deutlich dafür. Für die Praxis - gerade bei Analogfahrern - dürfte der Unterschied bei Anfahrstrom und -spannung durchaus schon bedeutsam sein.

 

Beim Kurztest "Am Tag danach" lag zu Beginn schon wieder eine recht hohe Stromaufnahme vor, die aber dann sehr schnell abfiel. Der Unterschied von 38 mA kann nicht alleine nur von der Erwärmung des Motors stammen. Dies deutet ebenfalls darauf hin, dass bereits nach relativ kurzzeitigen Abstellungen schon wieder ein spürbarer Einfahrprozess erfolgt. Um dies zu klären, wurde eine weitere Messreihe, siehe Vorversuch 2, angefertigt.

 

Schlussfolgerungen:

 

·         Bei den Schmierstoffdauerversuchen wird dem Motor zunächst 3 min Zeit gegeben, um auf Betriebstemperatur zu kommen.

 

·         Bei den Einfahrversuchen wird dies allerdings nicht möglich sein. Die sich ergebende Beeinflussung der Stromaufnahme durch noch einen weiteren Effekt neben der Schmierung selbst muss dann wohl oder übel toleriert werden.

 

 

Die Lok ohne Zug auf den Messkreis gesetzt, mit 8 V konstant betrieben und bei jeder Runde (ca. alle 10 sec) die Stromaufnahme gemessen, bis sich ein Beharrungszustand einstellte. Nach 5 min Pause wurde der Versuch wiederholt. Es ergaben sich folgende Verläufe:

 

 

 

Zwischen den beiden Fahrten und nach Versuchsende wurden wieder Anfahrspannung und -strom gemessen. Es ergaben sich in beiden Messungen 4,4 V und 86 mA.

 

Die gemessene Motortemperatur vor dem Versuch betrug 21 °C, nach dem Versuch 31°C. Die Temperatur wurde am Motorgehäuse gemessen - die Temperaturdifferenz in der Wicklung dürfte höher gewesen sein. Geht man von vom doppelten, ca. 20 K aus, müsste sich die Stromaufnahme um ca. 7 % verringern.

 

Die Verringerung der Stromaufnahme zwischen der jeweils ersten und letzten Runde bei beiden Messfahrten beträgt:

 

Fahrt 1: 157 mA / 108 mA => Verringerung 31 %

Fahrt 2: 122 mA / 110 mA => Verringerung 10 %

 

Bei der Verringerung der Stromaufnahme bei Fahrt 2 dürfte im wesentlichen die Erwärmung und Widerstandsänderung des Motors verantwortlich sein, bei Fahrt 1 hat der nach einigen Stunden Betriebspause durch die Schmierung bedingte Einfahrprozess dominiert.

 

Die Fahrzeit pro Runde liegt bei ca. 6 sec. Diese Messungen wurden an mehreren Tagen wiederholt, und es ergaben sich stets die gleichen Verläufe.

 

Schlussfolgerungen

 

·         Kurze Betriebsunterbrechungen beeinflussen den Schmierzustand nicht oder nur unwesentlich, längere durchaus.

·         Nach 10 Runden ist ein Beharrungszustand erreicht, entsprechend ca. 1 min. Die Einlaufzeit von 3 min bei Dauerversuchen ist daher ausreichend.

·         Diese Vorgänge verursachen eine Mehrbeanspruchung des Motors, die ohne weiteres in der Größenordnung der "eigentlichen" Beanspruchung durch die Zuglast liegt.