Ringbom-Stirling einmal anders!

(Veröffentlicht in der Zeitschrift "Maschinen im Modellbau" Ausgabe 3/2004)

Für das beschriebene Modell gibt es einen Bauplan (320 3009) im vht-Verlag (siehe Links).

Der vorliegende Beitrag beschreibt den Bau eines „einfachen“ Ringbom-Stirlingmotors. Ziel des Projektes war es, einen einfach zu bauenden Motor zu entwerfen, bei dem der Arbeitsablauf gut zu beobachten ist, um das Verständnis für die Arbeitsweise dieses Motorprinzips zu entwickeln bzw. zu vertiefen.

Die folgenden Merkmale kennzeichnen diesen Motor:

- einfacher  und kostengünstiger Aufbau

- klassisches Erscheinungsbild in Säulenbauweise mit Gußschwungrad

- Skalierbarkeit in verschiedene Maßstäbe

- Herstellung ohne Löt- und Schweissarbeiten

- relativ geringe Drehzahlen (100 bis 200 U/min)

Die Besonderheit dieses Motors ist sein „kerniges“ Laufgeräusch. Bedingt durch die Anschlagpuffer des Verdrängerkolbens entstehen bei jedem Kolbenhub  dumpfe Klopfgeräusche, die an den Sound der Lanz-Traktoren erinnern. D.h. im Gegensatz zu den konventionellen Stirlingmotoren, die ihre Arbeit eher ruhig und unscheinbar verrichten, arbeitet dieser Motor mit einer vernehmlichen Geräuschkulisse, welche die Aufmerksamkeit des Betrachters in ihren Bann zieht.

Die Funktionsweise des Ringbom-Stirlingmotors soll hier nicht beschrieben werden. Vielmehr will dieser Beitrag Anregungen zum Nachbau eines solchen Modells geben. Im folgenden werden der Aufbau und die Bearbeitung bzw. Herstellung der kritischen Bauteile beschrieben.

Zur Vertiefung des Verständnisses für den Ringbom-Stirlingmotor sollte der Artikel in MiM Heft 3/2003, „Ossian Ringbom auf der Spur“, nachgelesen werden.

Aufbau

Die Grundplatte (bei diesem Modell aus Buchenholz) trägt auf drei Säulen eine Plattform aus Aluminium. Diese dient der Aufnahme des Lagerbockes, des Arbeitszylinders und des Verdränger-Zylinderkopfes mit Kolbenstangenführung. Gleichzeitig dient sie als Kühlplattform und verbindet Arbeits- und Verdrängerzylinder miteinander.

Die Kurbelwelle kann sehr einfach mit fliegender Lagerung ausgeführt werden und erfordert keine besondere Präzision. Alle Lagerstellen sind mit Kugellagern gelagert (drei Stück). Präzision in der Bearbeitung erfordern, wie üblich, der Arbeitszylinder und Arbeitskolben, sowie die Kolbenstange des Verdrängers und die zugehörige Lagerbuchse. Neben Leichtgängigkeit mit geringster Reibung müssen die genannten Bauteile eine möglichst gute Gasdichtheit haben, um einen guten Wirkungsgrad und gute Leistung zu erreichen bzw. das Funktionieren des Motors überhaupt zu ermöglichen.

Den beiden Baugruppen Arbeitszylinder mit Kolben und Verdrängerzylinder mit Kolben wollen wir unsere Aufmerksamkeit widmen. Alle anderen Teile wird ein einigermaßen geübter Modellbauer ohne Probleme herstellen.

Die Baugruppe Arbeitszylinder

Für den Arbeitszylinder und den Arbeitskolben wird die Materialpaarung Automatenstahl/Graphit empfohlen (alternativ kann für den Arbeitszylinder auch gut spanbarer CrMo-Stahl, wie z.B. 1.4104, verwendet werden). Diese Werkstoffe lassen sich leicht bearbeiten; außerdem ist ein wartungsfreier Betrieb möglich. Den Arbeitszylinder fertigen wir als Rohr, ohne Boden, wegen der einfacheren Herstellung. Der Boden wird in das Zylinderrohr eingeklebt. Die Herstellung des Zylinders erfolgt durch Bohren, Feindrehen und Läppschleifen. Alternativ kann auch Rohr als Ausgangsmaterial verwendet werden.  Zum Läppschleifen wird folgende Arbeitweise empfohlen: Wir fertigen einen dreifach geschlitzten Spreizdorn aus Hartholz an, der mit einem ölfbeständigen Feinschleifleinen (Körnung 600) umwickelt wird. Das Schleifleinen darf sich nicht überlappen! In das Zentrum des Dorns drehen wie eine schlanke Holzschraube (Spreizschraube). Der Durchmessers des Dorns muss so bemessen sein, dass er sich ohne Vorspannung spielfrei in das vorgearbeitete Zylinderrohr einschieben lässt. Die Länge des Dorns sollte mindestens die Länge des Zylinders haben. Das Läppschleifen erfolgt durch Einspannen des Zylinders in das Futter einer Drehmaschine und Einführen des Dorns von Hand. Bei mäßiger Drehzahl ( 200 U/min) wird der Dorn mit dem Schleifleinen ständig axial im Zylinder bewegt (ähnlich wie beim Honen). Mit einem Pinsel wird dabei immer wieder Läppöl aufgetragen. Auf keinen Fall trocken arbeiten! Das Läppöl wird aus einer Mischung von drei Teilen Petrolium und einem Teil Hydraulik- oder Motorenöl hergestellt. Das Zylinderrohr muss immer wieder im Spannfutter gewendet werden, um einseitige Aufweitung zu vermeiden. Bei jedem Wendevorgang wird mit suafähigem Papier der Abrieb aus dem Zylinderrohr und vom Läppdorn entfernt. Wenn eine entsprechende Oberflächengüte erreicht ist, kann mit Schleifleinen Körnung 800 bis 1000 fertigbearbeitet werden. Das Ziel ist eine Metallspiegel ähnliche Oberfläche. Das Läppschleifen erfordert Geduld und Gefühl. Als Ergebnis erhält man jedoch einen Zylinder mit hoher Oberflächengüte und guter Formgenauigkeit.

Der Arbeitskolben wird durch Feindrehen hergestellt und in den geläppten Zylinder eingepasst. Durch Messen mit dem Messschieber wird der Durchmesser bis auf 1/10 mm Übermaß vorgedreht. Der feine Graphitstaub sollte unmittelbar an der Drehmaschine abgesaugt werden, sonst verteilt er sich überall und bildet eine schmutzige Rußschicht. Das Fertigdrehen erfolgt durch Abnahme mit Spantiefen von 1/100-mm. Nach jedem Abdrehen sollte mit dem fertigen Zylinderrohr gelehrt werden, bis sich der Zylinder leicht saugend aufschieben lässt. Gelungen ist die Arbeit dann, wenn der fertige Kolben durch sein Eigenwicht, ohne merkliches Spiel, durch den stehenden Zylinder nach unten gleitet.

Die Baugruppe Verdrängereinheit

Der Verdrängerzylinder soll aus Glas hergestellt werden, um die Hubbewegung des Verdrängerkolbens gut beobachten zu können. Wir verwenden temperaturbeständiges Zentrifugenglas, das im Laborfachhandel oder in der Glasindustrie erworben werden kann. Die Gläser werden im Werkstoff  DURAN von der Firma Schott  hergestellt. Das Zentrifugenglas muss auf eine Länge von 100-0,5 mm gekürzt und rechtwinklig zur Längsachse plangeschliffen werden. Das Kürzen und Planschleifen erfolgt auf der eigenen Drehmaschine mit Diamant-Trennscheibe oder durch einen Glasfachbetrieb. Der dabei entstehende schafkantige Rand muss leicht angefast werden. (wir dichten mit einem O-Ring). Das Anflanschen des Verdrängerzylinders an die Kühlplattform erfolgt durch einen Aluminiumflansch. Die Verbindung des Glaszylinders mit dem Aluminiumflansch ist eine Klebverbindung durch einen Zweikomponenten-Konstruktionskleber mit hoher Temperaturbeständigkeit. Empfehlenswert ist der Kleber RK 1500 der Firma WEICON. Mit diesem Kleber können auch alle anderen Fügeverbindungen an dem Motor ausgeführt werden. Die Verklebung erfolgt stets nach der gleichen Arbeitsweise: Gründliches Entfetten der zu verklebenden Teile mit Alkohol oder Spezialentfetter, Einstreichen der Klebestellen mit Aktivator (bei passiven Oberflächen, wie Glas oder Kunststoff beide Flächen bestreichen), Aktivator ablüften lassen (15 bis 20 Minuten), Kleber einseitig auftragen und Teile fügen. Nach 12 Stunden Aushärtung, bei Raumtemperatur, ist die Klebestelle bereits belastbar. Das Einkleben des Glaszylinders in den Aluminiumflansch sollte in der Kühlplattform erfolgen. Dazu muss der Kopf des Verdrängerzylinders bereits in die Kühlerplatte eingeklebt sein. Der Zylinderkopf hat eine Zentriereindrehung, in die sich der Glaszylinder einsetzt und zentriert. Dazu den Aluminiumflansch an die Kühlerplatte anschrauben und die Plattform, mit dem Flansch nach oben, auf eine ebene Fläche legen. Nach dem Ablüften des Aktivators, der auf beide Teile aufgetragen wird, eine ringförmige Kleberraupe um den oberen Rand des Glaszylinders auftragen. Den überstehenden Rand nicht bestreichen. Glaszylinder mit dem Kleber in den Aluminiumflansch stecken, ein bis zweimal drehen, damit der Kleber sich sauber im Spalt verteilt und zwölf Stunden aushärten lassen. Den Verdrängerkolben fertigen wir aus Aluminium an. Der Werkstoff wurde aus zwei Gründen gewählt.

Erstens erhalten wir, aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit von Aluminium, einen gewissen Regeneratoreffekt (siehe Artikel in MiM 03/2003). Zweitens sieht ein blanker Aluminiumkolben in einem Glaszylinder edel aus und ist gut zu beobachten.

Der Verdrängerkolben sollte möglichst aus Vollmaterial mit angedrehtem Halbkugelboden hergestellt werden, um die Verbindungsstelle auf der heissen Seite des Kolbens zu vermeiden. Alternativ kann auch ein Boden in ein Aluminiumrohr, mit dem genannten Kleber, eingeklebt werden. Der Verschluss des Kolbens auf der kalten Seite erfolgt in jeden Fall durch Kleben. Die Kolbenstange ist, zur Gewichtsreduzierung, eine Hohlkolbenstange mit einer Sacklochbohrung. Die Verbindung zum Aluminiumkolben erfolgt durch Verschrauben und Verkleben. Als Werkstoff für die Kolbenstange eignet sich Siberstahl oder gut spanbarer CrMo-Stahl. Das Gesamtgewicht des Verdrängerkolbens, mit Kolbenstange und Muttern, beträgt bei zeichnungsgerechter Ausführung 75-g. Damit liegt die kritische Drehzahl bei ca. 220 U/min.  Besondere Aufmerksamkeit sollte man der Passung zwischen Kolbenstange und Führungsbuchse schenken. Hierbei ist absolute  Leichtgängigkeit und sehr geringes Spiel anzustreben. Zur Anfertigung wird folgende Vorgehensweise empfohlen: Reiben der Führungsbuchse mit Passung H7; Einpassen der Kolbenstange, die durch Feindrehen, Läppfeilen und Polieren auf der Drehmaschine hergestellt wird. Zur Schmierung genügen zwei Tropfen Feinöl.

Verbindungskanal zwischen Arbeits- und Verdrängerzylinder

Nachdem der Kühlkopf (Zylinderkopf) des Verdrängerzylinders und das Bodenstück des Arbeitszylinders in die Kühlerplatte eingeklebt und ausgehärtet sind, stellen wir die Verbindungsbohrung her. Dazu wird die Kühlerplatte von der Umfangsseite aus in Richtung des Verdrängerzylinders angebohrt und bis zum Verdrängerzylinder durchbohrt . Auf der Seite des Arbeitszylinders schneiden wir ein Gewinde und dichten durch einen Stopfen mit Dichtung ab. Damit sind beide Zylinder unsichtbar verbunden und wir haben gleichzeitig einen Stopfen für den Druckausgleich. Wozu dieser Stopfen dient, werden wir später beim Starten des Motors noch erfahren.

Alle weiteren Einzelheiten und der Zusammenbau sind aus der Zeichnung und den Fotos ersichtlich. Bild 4 zeigt die Einzelteile des Motors; mehr sind es nicht!. Bild 5 zeigt den Zusammenbau.

Einstellen des Verdrängerhubes

Bevor der Motor gestartet werden kann, muss der Verdrängerhub eingestellt werden. Wir haben ja einen fliegenden Kolben, der durch die beiden Endanschläge in seinem Hub begrenzt wird. Dazu hat die Kolbenstange ein Feingewinde mit zwei aufgeschraubten Sechskantmuttern. Die Muttern müssen wir jetzt nur noch so einstellen und anschließend kontern, dass der Kolben im UT nicht an den Glaszylinder anschlägt, gleichzeitig aber einen möglichst geringen Spalt zum Glaszylinder hat. Die O-Ringe dienen dabei als Anschlagdämpfung, sonst wären die Anschläge zu hart. Beim Drehen des Schwungrades von Hand muss sich jetzt schon der Verdrängerkolben anheben; bei zügigem Drehen bis zum Anschlag in OT. Tut er das nicht, muss die Ursache gesucht werden. Mögliche Ursachen sind: Leckage im System oder zu große Reibung an der Kolbenstange.

Starten und Betrieb des Motors

Nachdem wir unser Modell nun sorgfältig gebaut, montiert, justiert  und die Kolbenstange des Verdrängers mit zwei Tropfen Feinöl geschmiert haben, kann der Motor gestartet werden. Vor dem ersten Start muss die Phasenverschiebung eingestellt werden. Dazu hat der Motor die Entlüftungsschraube, die es ermöglicht den Arbeitsraum zu öffnen. Die Schraube wird herausgedreht und der Arbeitskolben, in Richtung UT, etwa auf Mittelstellung seines Hubes gebracht. Der Kolben wird in dieser Stellung gehalten und die Schraube wieder hineingedreht. Die Beheizung des Motors erfolgt durch einen Spiritus-Dochtbrenner. Nach ca. einer Minute Anheizzeit kann der erste Startversuch unternommen werden. Dabei wird das Schwungrad mit leichtem Schwung, in beliebige Richtung, gedreht und der Motor sollte laufen. Der vorgestellte Motor hat einen Drehzahlbereich von ca. 100 bis 200 U/min. Bei diesen Drehzahlen kann das Arbeitsspiel noch gut beobachtet werden. In diesem Drehzahlbereich erreicht der Verdrängerkolben immer definiert seinen Anschlag in OT, d.h, wir haben stabile und kontrollierte Betriebsbedingungen (siehe Artikel in MiM 03/2003). Wird die Wärmezufuhr weiter gesteigert, erreicht der Motor seine kritische Drehzahl (bei ca. 220 U/min). Man erkennt, dass der Anschlag des OT nicht mehr erreicht wird, was auch direkt am Laufgeräusch zu hören ist. Gleichwohl kann der Motor jedoch bis zu Drehzahlen von 300 U/min hochgedreht werden, Ein Ringbom-Motor arbeitet also nur dann unter kontrollierten Bedingungen, wenn der Verdrängerkolben beide Endanschläge, also UT und OT, erreicht. Modellbauer, die die Möglichkeit einer berührungslosen Drehzahlmessung haben, können das Verhalten des Motors bei verschiedenen Drehzahlen beobachten und studieren.

Mögliche Varianten

Der beschriebene Motor lässt sich auch leicht in einen größeren oder kleineren Maßstab skalieren. Es soll auch noch ein kleineres Modell entstehen, um auch Modellbauern mit „kleineren“ Fertigungskapazitäten die Möglichkeit zum Bau eines solchen Motors zu geben.

Das dominierende Designelement bei diesem Motor ist das Hexagon, also die Sechskantform. Es sind natürlich auch andere Formen möglich. Die äußere Gestaltung des Motors lässt dem Modellbauer einen großen Gestaltungsspielraum. Hier kann, nach persönlichem Geschmack, mit Formen und Farben gestaltet werden

Technische Daten des vorgestellten Motors:

Gesamtgewicht: ca. 5200-g

Gesamthöhe: 450-mm

Arbeitszylinder : 30-mm

Arbeitszylinder-Hub: 40-mm

Verdränger : 40-mm

Verdränger-Hub: ca. 33,5-mm

Verdrängergewicht: 75-g

Verdichtungsverhältnis: 1,23

Drehzahlbereich: 100  bis 200 U/min

Beheizung: Spiritus