Bau einer Bahnhof-Uhr

Gestern habe ich im Thread "Aus Sturzi's 3D-Druckerei" im Beitrag #65 über ein Projekt für den Nachbau einer SBB Bahnhof Uhr geschrieben.

Für dieses Projekt habe ich jetzt einen eigenen Thread (diesen) eröffnet. Allerdings, dass ich das Projekt vollständig durchziehen werde, ist eher unwahrscheinlich. Es bleibt wohl eher bei einer Projekt-Studie, wo ich einige interessante Aspekte über den Bau einer Bahnhof-Uhr erforschen möchte. Über die Erlebnisse in diesem Abenteuer will ich hier gerne berichten.

Aus urheberrechtlichen Gründen darf ich die originale SBB Bahnhof-Uhr mit dem schwarz-weissen Zifferblatt, dem schwarzen Minuten- und Stundenzeiger und der roten Kelle für die Sekunden nicht nachbauen. Da ich allfällige Konstruktionen mit Onshape machen werde, werden diese öffentlich einseh- und verfügbar (Bedingung für die Gratis-Version des Onshape). Daher werde ich mich hüten, eine Uhr zu konstruieren, die genau der SBB Bahnhof-Uhr entspricht. Sollte ich letztlich dann für mich etwas ausdrucken, kann ich mit der Wahl der Filament-Farbe und einer Variante des Sekundenzeigers das endgültige Design immer noch bestimmen.

Die gestern geschriebenen Vorgaben musste ich nach einigen Überlegungen noch etwas modifizieren. Ich fasse hier die aktuellen Vorgaben nochmals zusammen:

- Es soll eine Doppel-Uhr sein, Anzeige vorne und hinten

- Design (Aussehen) ähnlich wie bei der originalen SBB Bahnhof-Uhr, aber abweichend genug, um eine Urheberrechts-Verletzung zu vermeiden.

- Der Aussendurchmesser der Uhr soll 250 mm messen (die 3D-Maker unter uns wissen warum). Die übrigen Masse sollen einigermassen massstäblich sein.

- Alle mechanischen Teile (inkl. Gehäuse, Zifferblatt, Zeiger, Getriebe), aber ausser den Schrittmotoren, werden 3D (FDM) gedruckt.

- Der Minutenzeiger soll jeweils beim Minuten-Wechsel um eine Minuten-Markierung springen.

- Der Stundenzeiger folgt der Bewegung des Minutenzeigers über ein 1:12 - Getriebe.

- Der Sekundenzeiger soll eine Umdrehung in 58.5 Sekunden machen und dann oben warten, bis zum nächsten Minuten-Sprung.

- Der Minuten- und der Sekunden-Zeiger sind sicher nicht mechanisch über ein Getriebe verbunden, sonder werden unabhängig von einander mit je einem Schrittmotor angetrieben.

- Die Uhr muss immer genau "gehen". Die maximale Abweichung zur MEZ, bzw. MESZ darf nicht mehr als zwei Sekunden betragen. D.h. es wird eine Referenz-Zeit aus dem Internet (WLAN) benötigt.

- Im Arduino läuft eine Referenz-Zeit als Taktgeber für den Minutenzeiger. Diese Referenz-Zeit läuft unabhängig vom Internet-Zugang, wird aber (bei vorhandenem Internet-Zugang) periodisch an die vom Time-Server empfangene Zeit angeglichen. Mit diesem Vorgehen läuft die Uhr auch, wenn mal der Internet-Zugang ausfällt.

- Die Umstellung zwischen Winter- und Sommerzeit soll automatisch erfolgen.

- Für die Antriebs-Logik, die Anbindung an einen Time-Server im Internet und für das Treiben der Schrittmotoren soll wenn möglich ein Arduino zur Anwendung kommen.

- Die Speisung erfolgt über ein 5V USB Netzgerät.

- Allfällige Bedienungs-Elemente (Taster und USB-Anschluss für die Speisung und für Wartungszwecke) sollen möglichst versteckt angebracht werden.

Das Zifferblatt habe ich bereits gestern mit Onshape erstellt und heute noch farblich etwas verwüstet:

Die grossen Herausforderungen (für mich) an diesem Projekt sind:

- Das Getriebe für den Zeiger-Antrieb mit Schrittmotoren. Der Sekundenzeiger wird unabhängig von den anderen Zeigern mit einem eigenen Schrittmotor angetrieben. Der Minuten- und der Stundenzeiger werden über ein Getriebe gekoppelt und auch mit einem Schrittmotor angetrieben. Da möglichst alle mechanischen Teile (ausser den Schrittmotoren) druckbar sein sollen, wird das eine umfangreiche Onshape-Übung (inkl. Assembly) geben.

- Beim Antrieb mit Schrittmotoren müssen die Absolut-Positionen des Sekunden- und des Minuten-Zeigers ermittelt werden können. D.h. die Software muss eine Möglichkeit haben, die beiden genannten Zeiger in eine jeweilige Referenz-Position zu bewegen, um ab dann mit dem Zählen von Schritten auszukommen. Möglichkeiten sind der Einsatz von IR- oder Hall-Sensoren, ggf. Reed-Kontakten.

- Antriebe mittels Schrittmotoren sind für mich Neuland. Da werde ich ziemlich viel lesen und probieren müssen, bis ich das in den Griff bekommen werde.

- Die Anbindung des Arduino an einen Time-Server im Internet soll angeblich möglich sein. Ich weiss aber noch nicht wie.

Zitat von 11465 - Oerlikon

Tatsächlich bauen willst Du diese Uhr ja nicht…

Im Moment habe ich schon im Sinn, diese Uhr zu bauen. Ich will mich einfach nicht festlegen. Es könnten Schwierigkeiten auftauchen, mit denen ich nicht gerechnet habe und deren Bewältigung mir zu viel wird. Oder es kann sein, dass ich plötzlich die Lust daran verliere. Oder es könnte sein, dass ich mich plötzlich daran besinne, dass es da noch eine ChRB gibt, die nach Fortschritt schreit. Und, und, und .....

Zur Zeit befasse ich mich mit der Konstruktion und dem Druck von Zahnrädern und Getrieben.

Mein erster Versuch eines gerade verzahnten Stirnrad-Getriebes mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:3

So sieht das Assembly im Onshape aus

Für die Konstruktion der Zahnräder habe ich das Onshape Feature-Script "Spur Gear" verwendet. Das ist eine phantastische Feature und macht tolle Stirnräder mit sehr gut funktionierenden Flanken-Kurven.

Und dies ist das gedruckte Teil

Es geht mir hier vor Allem darum, die Pass-Masse herauszufinden:

Wenn ich z.B. die beiden Bohrungen, wo die Zahnrad-Wellen eingesteckt werden, je 6.0 mm mache und die Welle selber auch 6.0 mm, dann kann ich die Zahnräder nur mit Kraft eindrücken und sie hemmen dann stark. Mache ich die Bohrungen aber 6.2 mm, dann flutschen die Zahnräder nur so rein. Reichen jetzt auch 6.1 mm?

Wenn ich die beiden Bohrungen wo die Zahnräder eingesteckt werden, genau um die Summe der Nennflanken-Radien auseinander platziere, dann berühren sich beide Zahnrad-Flanken gleichzeitig und das Getriebe hemmt ein klein Bisschen. Entferne ich die beiden Bohrungen voneinander um 0.2 mm, dann ist das Getriebe leichtgängig, hat aber etwas Spiel. Ist vielleicht 0.1 mm gerade richtig?

Dabei muss ich berücksichtigen, dass die gedruckten Objekte nicht immer haargenau gleich werden. Es kommt auch auf's Material und auf die Druck-Parameter an. Im Zweifelsfall macht man lieber etwas zu viel Spiel. Allzu viel darf's aber nicht sein, sonst riskiert man hier, dass die Zeiger nicht immer genau auf den Markern positioniert stehen bleiben, sondern irgendwo zwischen zwei Markern (etwas, das ich gar nicht mag).

Ich bin weiterhin am Tüfteln.

Dank dem Assembly Studio im Onshape kann ich mir viele Probe-Ausdrucke sparen, denn damit kann ich die Teile zusammensetzen, ohne dass sie physisch existieren.

Von vorne

Von der Seite

Von hinten

Die Achsen

Eine grosse Herausforderung bei meiner Uhr sind die Achsen für die Zeiger und die Getriebe-Zahnräder.

Es gibt weit mehr (und anspruchsvollere) Anforderungen an die Achsen, als ich anfänglich gedacht hatte:

- Es sind drei Achsen (Stunden, Minuten und Sekunden)

- Alle drei müssen auf der gleichen geometrischen Achse verlaufen

- Sie müssen ineinander gesteckt frei drehbar sein

- Die Zeiger und Zahnräder müssen aufgesteckt werden können (in axialer Richtung kraftschlüssig als Haftsitz) (*)

- Es braucht eine Mitnehme-Vorrichtung, damit die aufgesteckten Zeiger und Zahnräder in tangentialer Richtung formschlüssig verbunden sind (*)

- Die innerste, dünste (Sekunden-Achse) muss dick genug sein, dass die Stabilität noch ausreichend ist

- Die äusserste, dickste (Stunden-Achse) muss dünn genug sein, damit der Stunden-Zeiger im Zentrum nicht zu breit wird

- Die Wandstärke muss ausreichend sein, damit sie stabil genug sind

- Sie müssen stehend gedruckt werden. Das kommt der Stabilität nicht entgegen wegen der quer liegenden Druck-Schichten

Als erster Ansatz habe ich die Achsen aussen sechseckig und innen rund gemacht. Das ergäbe gute Mitnahme-Eigenschaften in tangentialer Richtung. Die Konsequenz ist, dass aussen sechseckige Achsen in runden Bohrungen der jeweils nächstgrösseren Achse gelagert wären. Weil alles sehr leicht ist, würde das wahrscheinlich geben. Aber auf Flächen gleitende Kanten geht mir gegen den Strich.

Bei meinem aktuellen Ansatz sind die Achsen innen und aussen rund. Als Mitnahme-Mechanismus gibt es auf der Aussen-Seite eine Abflachung, die auch bei den Bohrungen der aufzusteckenden Teile vorhanden sein muss. Diese Lösung gefällt mir besser, aber die dickste Achse wird schon recht dick.

Die Sekunden-Achse hat einen Durchmesser von 7 mm und die Stunden-Achsen hat 16 mm

Die drei Achsen ausgedruckt und zusammen gesteckt. Das Photo ist wieder mal brutal. Von blossem Auge sieht es schon etwas feiner aus.

An den Massen muss ich noch arbeiten. Der Aussen-Durchmesser der Stunden-Achse ist mir zu gross. Damit wird der Stunden-Zeiger im Drehzentrum zu breit. Wenn ich die Sekunden-Achse auf 6 mm reduziere und die Wandungen noch ein Bisschen dünner mache, kriege ich es wahrscheinlich gerade so schlecht und recht hin, dass die Stunden-Achse so um die 14 mm dick wird.

Auch mit der Druck-Präzision bin ich noch nicht zufrieden. Ich werde wohl kaum darum herum kommen, mit einer 0.2 mm Düse und einer Schichthöhe von 0.1 mm bis 1.4 mm zu drucken.

(*) Falls die Begriffe "kraftschlüssig" und "formschlüssig" nicht klar sind, hier eine Erklärung an ein paar Beispielen:

- Der Antrieb zwischen Rad und Schiene bei Adhäsionsbahnen ist kraftschlüssig (hat Schlupf)

- Der Antrieb zwischen Zahnrad und Zahnstange bei Zahnradbahnen ist formschlüssig (hat keinen Schlupf

- Ein (Flach- oder Keil-) Riemen-Antrieb ist kraftschlüssig (hat Schlupf)

- Ein Ketten- oder ein Zahnriemen-Antrieb ist formschlüssig (hat keinen Schlupf)

Jetzt habe ich die drei Achsen noch mit einer 0.2 mm Düse und einer Schichthöhe von 0.1 mm gedruckt. Der Unterschied ist krass, aber der Druck dauert dafür auch etwa vier mal länger.

Links 0.4 mm Düse, 0.2 mm Schichthöhe

Rechts 0.2 mm Düse, 0.1 mm Schichthöhe

Damit ist der Fall für mich klar: Feine Teile wie hier diese Achsen und auch die Zahnräder werde ich in der feineren Variante drucken.

Zusätzlich will ich jetzt noch die Abflachungen, die als Mitnehmer dienen, verdreifachen. Damit wird die Genauigkeit und damit die Zuverlässigkeit der formschlüssigen Verbindung verbessert und die Achsen sind jetzt nicht mehr einseitig, was bezüglich Verziehen ein Vorteil sein könnte.

Und auch die Durchmesser habe ich nochmals verkleinert. Sie betragen jetzt 6.0 (Sekunden-Achse), 10.0 (Minuten-Achse) und 14.0 mm (Stunden-Achse).

Zitat von 11465 - Oerlikon

Gehst Du nach einem Plan vor oder überlegst Du dir schrittweise, wie die Uhr gebaut werden muss?

Ich gehe nicht nach einem Plan vor. Also weder Top-Down noch Bottom-Up. Ich fange an mit Grundlagen-Abklärungen, wie jetzt beim Getriebe. Erst will ich wissen, was machbar ist und dann gehe ich einen Schritt weiter. Aber im Kopf habe ich natürlich schon ziemlich klare Ideeen, wie meine Uhr mal aussehen und funktionieren soll.

Sicher nicht so:

Der Minutenzeiger der von Minute zu Minute springt, sollte immer genau auf einem Minuten-Marker stehen und nicht zwischendrin. AVA, schämt euch, eure Uhren in einem so verwahrlosten Zustand zu betreiben 😬 !

Heute habe ich im Bahnhof Dietikon eine modernere Version der Bahnhofuhr gesehen.

Es ist eine Vierfach-Uhr (jetzt bin ich in einem Dilemma mit meiner geplanten Nur-Doppel-Uhr). Hier springt der Minuten-Zeiger nicht mehr, sondern läuft kontinuierlich durch. Interessanterweise wartet aber der Sekundenzeiger oben jeweils trotzdem um ca. 1.5 s.

Ich finde, wenn man schon auf den Minuten-Sprung verzichtet (und damit der guten, alten, echten Schweizer Bahnhofuhr untreu wird), könnte man auch den Sekundenzeiger kontinuierlich durchlaufen lassen und auf den Stopp verzichten.

Zitat von 11465 - Oerlikon

Nein, der Sekundenzeiger-Stopp ist ja das Kultige an dieser Uhr.

Ja, aber nur zusammen mit dem Minutenzeiger-Sprung. Das Zusammenspiel der Beiden ist das Kultige. Wenn man auf den Minutenzeiger-Sprung verzichtet, macht der Sekundenzeiger-Stopp keinen Sinn mehr.

Aber egal wie, MEINE Uhr wird eine vollständig Kultige mit Minutenzeiger-Sprung und Sekundenzeiger-Stopp.

Zitat von 11465 - Oerlikon

Noch schlimmer sind jene Bahnhofsuhren-Modelle, deren Sekundenzeiger ruckweise angetrieben sind.

Da hast du absolut recht. Das ist grauenhaft 🤮🤮🤮 .

Ich befasse mich im Moment wieder mit dem Zifferblatt und den Zeigern meiner 0815 - Uhr.

Ein kleines Problem plagt mich im Moment: Die Zeiger sind im Verhältnis zum Zifferblatt etwas zu "mockig", d.h. sie sind im Zentrums-Bereich alle etwas zu breit. Sie schlanker zu machen, ist nicht ganz einfach. Wenn ich sie schlanker mache, hat das Auswirkungen auf die Durchmesser der Achsen. Diese wiederum kann ich kaum dünner machen, ohne die Funktionalität zu beeinträchtigen. Wenn sie aus Metall wären, ginge es schon dünner, aber ich will sie ja auch drucken.

Es gäbe noch die Möglichkeit, die Zeiger schlanker zu machen aber mit einer kleinen, sichtbaren, kreisrunden Nabe im Zentrum, deren Durchmesser etwas über die Zeiger herausragt.

Das folgende Bild zeigt am Beispiel des Stundenzeigers, wie es gemeint ist.