Westfälische Wilhelms- Universität Münster

Schriftliche Hausarbeit, im Rahmen der ersten Staatsprüfung für das Lehramt für die Sekundarstufe I

Entwicklung und Fertigung eines Funktionsmodells eines Otto-Viertaktmotors

von

Philipp Kranz Münster, den 17. Februar 2007

Themensteller Prof. Dr. Christian Hein

Institut für Technik und ihre Didaktik

Westfälische Wilhelms-Universität Münster

1 Einleitung............................................................................................................ 2 1.1 Zielstellung der Arbeit ................................................................................. 2 1.2 Begründung der Themenwahl...................................................................... 3 1.3 Begründung der Methodenwahl................................................................... 5

2 Konstruktion und Fertigung des Modells ........................................................... 9 2.1 Projektvorstellung........................................................................................ 9

2.1.1 Motortyp............................................................................................. 9 2.1.2 Modellaufbau.................................................................................... 10

2.1.2.1 Motor .................................................................................... 10 2.1.2.1.1 Zylinderblock ................................................................. 11 2.1.2.1.2 Zylinderkopf................................................................... 12 2.1.2.1.3 Farbliche Gestaltung....................................................... 14 2.1.2.2 Lichteffekte und Beleuchtung .............................................. 15 2.1.2.3 Modellantrieb........................................................................ 16 2.1.2.4 Modellgestell ........................................................................ 16 2.1.2.5 Sicherheitsmaßnahmen......................................................... 17

2.2 Dokumentation........................................................................................... 17 2.2.1 Demontage des Motors..................................................................... 17

2.2.1.1 Demontage des Zylinderblockes .......................................... 19 2.2.1.2 Demontage des Zylinderkopfes ............................................ 23

2.2.2 Reinigen der Einzelteile ................................................................... 28 2.2.3 Schneiden und Fräsen....................................................................... 29

2.2.3.1 Festlegen der Schnitte am Zylinderblock ............................. 29 2.2.3.2 Schnitt des Zylinderblockes.................................................. 29 2.2.3.3 Montage zwecks weiterer Schnittfestlegungen .................... 32 2.2.3.4 Festlegen des Schnittes am Zylinderkopf............................. 32 2.2.3.5 Fräsen des Zylinderkopfes.................................................... 32 2.2.3.6 Schnitte der übrigen Bauteile ............................................... 34

2.2.4 Oberflächenbehandlung.................................................................... 35 2.2.5 Montage............................................................................................ 37 2.2.6 Elektronik zur Modellsteuerung....................................................... 40

2.2.6.1 Aufbau .................................................................................. 40 2.2.6.2 Fertigung............................................................................... 44

2.2.7 Modell-Antrieb................................................................................. 50 2.2.8 Modellgestell .................................................................................... 51 2.2.9 Endmontage...................................................................................... 52

3 Schluss .............................................................................................................. 53 4 Literaturverzeichnis .......................................................................................... 54 5 Internetquellenverzeichnis ................................................................................ 55

5.1 Internetquellen der Bilder .......................................................................... 55 5.2 Internetquellen des Plakates....................................................................... 55 5.3 Internetquellen der Plakatbilder................................................................. 55

6 Abbildungsverzeichnis...................................................................................... 57 7 Anhang.............................................................................................................. 65

7.1 Bestückungsplan ........................................................................................ 65 7.2 Ätzvorlage.................................................................................................. 66 7.3 Riemenscheibenmarkierungen................................................................... 67

8 Schlusserklärung............................................................................................... 68

2

1 Einleitung

1.1 Zielstellung der Arbeit

„Zu unserer Welt gehören Natur, Gesellschaft und Technik. Die Technik ist ein wichtiger Lebensbereich. […] Die Technik haben sich die Menschen selbst geschaffen, um ihr Leben zu gestalten. Sie beeinflusst ihre Lebensweise sehr stark. Ohne Technik ist das Leben in der Natur und in der Gesellschaft nicht vorstellbar. Technik ist sehr vielfältig.“ 1

Dieses Zitat macht deutlich, wie wichtig die Technik in unserer heutigen

Gesellschaft ist. Für unsere allgemeine Schulbildung ergibt sich daraus die

Konsequenz, dass Technik ein Gegenstand dieser Bildung sein muss, um eine

lückenlose Ausbildung unserer Schüler gewährleisten zu können. Diese Forderung

an die Schulen nach technischer Bildung macht es notwendig, schon die

Lehramtsstudenten des Faches Technik mit den notwendigen Kompetenzen

auszustatten. Daher sieht die Studienordnung für das Fach Technik und ihre

Didaktik an der Universität Münster die Bildung eines Grundverständnisses

technischer Begriffe, Arbeits- und Denkweisen und deren Struktur vor.2 Mit dieser

Examensarbeit soll ein Beitrag zu dieser angestrebten technischen Bildung der

Lehramtsstudenten im Fachbereich Technik und ihre Didaktik in dem Teilgebiet

der Maschinentechnik geleistet werden. Die Zielstellung dieser Arbeit besteht aus

zwei Teilen. Primär soll im Zuge dieser Arbeit ein Funktionsmodell eines Otto-

Viertakt-Motors konstruiert und angefertigt werden. Des Weiteren wird eine

Konstruktionsdokumentation dieses Vorganges erstellt. Das entstehende Modell

soll im Institut für Technik und ihre Didaktik ausgestellt werden und neben den

anderen Ausstellungsstücken, wie z.B. einem Wankelmotor, seinen Beitrag zur

technischen Bildung der dort verkehrenden Personen leisten. In dem Institut

verkehren nicht nur die Studenten des technischen Fachbereiches, sondern auch

Schulklassen und Fortbildungsteilnehmer. Diese Personengruppen werden in

dieser Arbeit als Betrachter bezeichnet. Das Modell soll so konstruiert werden,

dass es die Wirkungsabläufe und die Prozesse des Otto-Viertakt-Motors sichtbar 1Prof. Dr. E. Hartmann und Prof. Dr. C. Hein, Basiswissen Schule Technik, Berlin: Paetec Verlag

für Bildungsmedien, 2001, S.6.

3

macht, um so die Funktionsweise eines Motors dieser Bauart deutlich und

nachhaltig verständlich zu machen. Die in dieser Arbeit zusätzlich erstellte

Konstruktionsdokumentation hat zum Ziel die fertigungstechnischen

Arbeitsschritte des Modell-Entstehungsprozesses zu verdeutlichen. Sie dient somit

als eine Hilfestellung für das Anfertigen zukünftiger Motorenmodelle im

Fachbereich Technik und ihre Didaktik bzw. in anderen Einrichtungen, wie z.B.

den zukünftigen Schulen der angehenden Lehrer. Außerdem sollen durch die

Dokumentation der Konstruktion Details des Modells noch anschaulicher

dargestellt werden.

1.2 Begründung der Themenwahl

Das Thema des Verbrennungsmotors wurde als Gegenstand dieser Arbeit gewählt,

da es eine feste Stellung sowohl in der Studienordnung der Universitäten im Fach

Technik als auch in den Lehrplänen der Schulen des Landes Nordrhein-Westfalen

gefunden hat. In der aktuellen Studienordnung für das Fach Technik und ihre

Didaktik, werden im Bereich der Maschinentechnik Baugruppen, Elemente und

Systeme von Werkzeug- und Energiemaschinen und ihre Anwendungen als

Inhalte genannt. Außerdem sind Übungen zur Strukturanalyse und dem

Betriebsverhalten von Werkzeugmaschinen, Turbinen und Verbrennungsmotoren

vorgesehen.3 Der Bereich Werkzeuge und Maschinen, worunter auch der Aufbau

von Kraftmaschinen und die Energiewandlung dieser Kraftmaschinen fallen, wird

sowohl in den Richtlinien für das Fach Technik in den Jahrgangsstufen 7 und 8

der Hauptschule, als auch in dem Lehrplan für die Gesamtschule des Landes

Nordrhein-Westfalen aufgeführt.4 In den Richtlinien der Gesamtschule findet man

hierbei die Inhalte: Energieformen, ihre Wandlungsmöglichkeiten und die

zugehörigen Systeme.5 Das zeigt, dass die Thematik des Verbrennungsmotors

nicht nur an der Institution Universität, sondern auch an der Institution Schule

2Vgl. Westfälische Wilhelms-Universität Münster, http://www.uni-

muenster.de/imperia/md/content/fachbereich_physik/technik_didaktik/studienfuehrer _bachelor_ghr.pdf, S.8. Zugriffsdatum 27.11.2007.

3Vgl. Westfälische Wilhelms-Universität Münster, http://www.uni-muenster.de/imperia/md/content/fachbereich_physik/technik_didaktik/ studienfuehrer_bachelor_ghr.pdf, S. 11. Zugriffsdatum 27.11.06.

4Vgl. Der Kultusminister des Landes-Nordrhein-Westfalen, Richtlinien Technik-Lernbereich Arbeitslehre–Hauptschule. Frechen: Verlagsgesellschaft Ritterbach, 1989, S. 104-107.

5Vgl. Ministerium für Schule und Weiterbildung, Wissenschaft und Forschung des Landes Nordrhein–Westfalen. Sekundarstufe 1-Gesamtschule-Richtlinien und Lehrpläne - Arbeitslehre. Frechen: Verlagsgesellschaft Ritterbach, 1998, S.49.

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manifestiert ist. Diese feste Stellung der Thematik in den Lehrplänen ist auch

verständlich, wenn man die wichtige Rolle des Automobils und somit des

Verbrennungsmotors in der Geschichte und der Gegenwart der Menschheit

betrachtet.

„Als verläßliches und erschwingliches Verkehrsmittel brachte das Auto persönliche Bewegungsfreiheit, setzte neue Maßstäbe für Entfernungen, Räume und Zeiten, schlug breite Brücken zwischen Ländern und Völkern, veränderte Werktage wie Wochenenden, Arbeits- und Freizeiten. Und auf jeden Fall müssen wir mit ihm, wie mit der gesamten Technik – so oder so - weiterhin leben.“6

Das Zitat verdeutlicht die positive Rolle, die das Auto mit seinen Fähigkeiten in

unserer Gesellschaft einnimmt. Doch diese Fähigkeiten hätte das Automobil nicht

ohne die Existenz seines Motors. Schon Walter Ostwald (1886-1958) sah die

Motoren als „[…] eine Grundlage unserer Zivilisation. […]“7 und war der

Meinung, „[…] Sie könnten eine Kultur tragen […]“.8 Die Betrachtung des

aktuellen Fahrzeugbestandes von 60,5 Millionen Fahrzeugen, alleine in

Deutschland lässt die Präsenz des Automobils in unserer Kultur erkennen und

bestätigt die Vorhersage Ostwalds.9 Nicht umsonst wird das Auto als „Der

Deutschen liebstes Kind“10 und Deutschland als „Autoland“11 bezeichnet. Im Jahr

2002 waren die deutschen Autos im Durchschnitt 7,2 Jahre alt, was sie zu den

modernsten Autos Europas machte. Sogar das Steigen der Treibstoffkosten

änderte nichts an der positiven Einstellung der Deutschen dem Auto gegenüber.12

Ohne die Entwicklung des Motors gäbe es das Automobil und viele für unsere

Kultur und Industrie wichtige technischen Errungenschaften nicht. Geschichtlich

betrachtet stammt der Terminus Motor von dem lateinischen Begriff motus ab, der

für Bewegung und Triebkraft steht. Der Begriff Motor wurde aber erst in der

Bismarckzeit verwendet.13 Alles begann jedoch bereits 1705 mit der Entwicklung

6Helmut Hütten, Motoren: Technik - Praxis – Geschichte, 6. völlig überarbeitete Auflage, Stuttgart: Motorbuch Verlag, 1982, S.8.

7Helmut Hütten, 1982, S. 17. 8Helmut Hütten, 1982, S. 17. 9Vgl. Kraftfahrt-Bundesamt, http://www.kraftfahrtbundesamt.de/, Zugriffsdatum 27.11.06. 10Katja Heydegger, http://www.goethe.de/ges/umw/thm/de48406.htm, Zugriffsdatum 27.11.06. 11Katja Heydegger, http://www.goethe.de/ges/umw/thm/de48406.htm, Zugriffsdatum 27.11.06. 12Vgl. Katja Heydegger, http://www.goethe.de/ges/umw/thm/de48406.htm, Zugriffsdatum

27.11.06. 13Vgl. Helmut Hütten, 1982, S.10.

5

einer Dampfmaschine von Thomas Newcomen.14 Er baute die erste

atmosphärische Dampfpumpe für den Bergbau. James Watt brachte dann

zwischen 1769 und 1800 seine Verbesserungen ein, welche für die Industrie sehr

nützlich waren aber noch nicht ausreichten, um ein Fahrzeug anzutreiben. Erst

dem Schweizer Ingenieur Nicolas Joseph Cugnot gelang es ein Fahrzeug, in einer

für den Personentransport geeigneten Größe, mit der mechanischen Kraft des

Dampfes zu bewegen.15 Der Gasmotor stellte dann den nächsten Schritt in der

Entwicklung der Motoren dar. Ab diesem Zeitpunkt konnten die Motoren als

Verbrennungsmotoren bezeichnet werden, da sie nun mit der potentiellen Energie

von Brennstoffen arbeiteten. Jedoch waren diese Motoren noch immer mit vielen

Problemen behaftet. Erst die Entwicklung des Viertakt-Arbeitsspieles, des

Deutschen Nikolaus August Otto (1832-1891) im Jahre 1862 veränderte die

Motorenwelt nachhaltig.16 Laut Helmut Hütten entstanden“[…] binnen 100 Jahren

weltweit über 500 Millionen Ottomotoren mit insgesamt etwa 25 Milliarden

Pferdestärken bzw. über 18 Mrd. Kilowatt.“17 Diese Etablierung des Otto-

Viertakt-Motors in der Motorenwelt und in unserer von der Erfindung des Motors

geprägten Kultur, prädestiniert die Bauart Otto-Viertakt-Motor für die Aufgabe,

das Themengebiet der Verbrennungsmotoren in dieser Arbeit in Form eines

Modells zu repräsentieren.

1.3 Begründung der Methodenwahl

Für die Darstellung des Otto-Viertakt-Motors wurde ein Original-Motor in ein

Modell umkonstruiert. Die Modellmethode wurde gewählt, da sie bei der

menschlichen Erkenntnisgewinnung hilfreich ist und somit als eine Lernhilfe zur

Erfassung der Thematik fungieren kann.18 Der vorliegende Original-Otto-Viertakt-

Motor kann in seiner ursprünglichen Form (s. Abb. 1) als eine Art Blackbox

bezeichnet werden. Dem unwissenden Betrachter sind nur die Eingangsgröße, die

potentielle Energie des Kraftstoffes, und die Ausgangsgröße, die

Bewegungsenergie des Schwungrades und somit des Fahrzeugantriebs, bekannt.

14Vgl. Hans-Joachim Braun, Die 101 wichtigsten Erfindungen der Weltgeschichte, München: C. H.

Beck Verlag, 2005, S.51. 15Vgl. Anthony Bird, Kleine Chronik des Automobils, Deutsche Übersetzung und Überarbeitung

von Helmut Dillenburger, Bielefeld: Delius, Klasing & Co Verlag, 1967. 16Vgl. Helmut Hütten, 1982, S.12-13. 17Helmut Hütten, 1982, S. 13.

6

Abb. 1: Der Motor vor Beginn des Projektes Der hier benutzte Begriff Blackbox stammt ursprünglich aus der Technik-Didaktik

von der Blackboxmethode ab, welche ihre Ziele wie folgt definiert:

„Mit der "Black-box"- Methode wird das Ziel verfolgt, aus den Beziehungen zwischen Ein- und Ausgangsgrößen auf die Funktion und von dieser auf die Struktur eines zu entwickelnden technischen Systems zu schließen.“19

Im Falle der vorliegenden Arbeit ist das zu entwickelnde System, der Otto-

Viertakt-Motor, bereits entwickelt und es gilt die Blackbox, welche die innere

Struktur des Motors und ihre Funktionen beinhaltet, für den Betrachter zu öffnen.

Dieses Öffnen kann durch ein Aufschneiden des Motors realisiert werden. Daher

wurde als Präsentationsmethode für den Otto-Viertakt-Motor eine Kombination

aus Schnitt- und Funktionsmodell gewählt. Unter einem Schnittmodell versteht

man ein Modell bei dem die Funktionszusammenhänge, der einzelnen

Bestandteile eines technischen Gebildes, durch einen oder mehrere

Öffnungsschnitte sichtbar gemacht werden. Der Schnitt kann hierbei an einem

Original oder einem verkleinerten Modell erfolgen.20 Im vorliegenden Fall wurde

ein Original dem Schnittmodell zugrunde gelegt. Ein Schnittmodell wird der

Kategorie des Demonstrationsobjektes zugeordnet, welches technische Gebilde in

ihrer Wirkungsweise und Erscheinungsform darstellt. Als Demonstrationsobjekt

weckt das Otto-Viertakt-Motor-Schnittmodell das Interesse beim Betrachter für

eine intensivere Auseinandersetzung mit der Funktionsweise des Otto-Viertakt-

18Vgl. Erwin Roth und August Steidle, Die Modellmethode im Werkstattunterricht, In:

Werkpädagogische Hefte, Band 1971/ 3, Ravensburg: Frech Verlag, 1971, S. 79. 19Bernd Hill, Der Methodenbaukasten, Ein Kompendium von Methoden zur Erkennung und

Lösung technischer Probleme, 2. erweiterte und überarbeitete Auflage, Aachen: Shaker Verlag, 2001, S. 36.

20Vgl. Winfried Schmayl, und Fritz Wilkening, Technikunterricht, 2. überarbeitete und erweiterte Auflage, Bad Heilbrunn: Julius Klinkhardt Verlag, 1995, S.171.

7

Motors und kann so durch seinen neugierweckenden Charakter als Motivation für

den weiteren Lernprozess dienen.21 Bei dem in dieser Arbeit konstruierten Modell

handelt es sich nicht um ein reines Schnittmodell, da dieses den für den Lerneffekt

wichtigen handelnden Umgang ausschließen würde. Es wurde eine Kombination

aus Schnittmodell und Funktionsmodell gewählt. Ein Funktionsmodell zeichnet

sich dadurch aus, dass es die wesentlichen Merkmale der

Wirkungszusammenhänge22 und den Bewegungsablauf eines technischen

Gebildes aufzeigt.23 Die Möglichkeit für den Betrachter das Modell per

Tasterdruck zu starten und somit die gesamte Viertakt-Motorenmechanik in

Bewegung zu versetzen (siehe Projektvorstellung), macht den lernenden

Betrachter zu einem aktiv Handelnden, der den Zustand des Lernobjektes Motor

nicht nur passiv betrachten, sondern auch aktiv beeinflussen kann. Dieser

handelnde Umgang wird in der Literatur als ein „[…] Lernprozess mit hoher

Lerneffektivität […]“24 eingestuft, was wiederum die Argumentation zur Wahl der

Kombination aus Schnittmodell und Funktionsmodell als Präsentationsmethode

bestärkt.25 Neben der Motivationssteigerungsfähigkeit des Schnittmodells und der

Ausnutzung der hohen Lerneffektivität des Funktionsmodells wird mit dem

Erstellen eines solchen Modells auch den unterschiedlichen Lerntypen Beachtung

geschenkt. Laut Hüholdt gibt es verschiedene Lerntypen: Den visuellen Lerntyp,

der nur lernt indem er das zu Lernende sieht, den auditiven Lerntyp der

Informationen besser aufnimmt, wenn er den Lerninhalt hört, den haptischen

Lerntyp, der mit Hilfe seines Tastsinns sich am besten Wissen aneignen kann, den

mediumsorientierten Lerntyp, der mit einem Medium, am besten Inhalte

erarbeiten kann und den einsicht- bzw. sinnanstrebenden Lerntyp, der nur lernt,

wenn er einen Sinn in der Lernaktion sieht. Diese verschiedenen Lerntypen

existieren nicht für sich alleine, sondern kommen in Mischtypen vor, die sich den

Umständen anpassen.26 In Bezug auf das Motorenmodell kann der visuelle

Lerntyp das Lernobjekt nicht nur zweidimensional, wie auf einem Bild, sondern

sogar dreidimensional aus verschiedenen Perspektiven betrachten. Der haptische

Lerntyp kann den Motor berühren und ertasten, soweit es die

21Vgl. Winfried Schmayl und Fritz Wilkening, 1995, S.169. 22Vgl. Winfried Schmayl und Fritz Wilkening, 1995, S.171. 23Vgl. Erwin Roth und August Steidle, 1971, S. 79. 24Winfried Schmayl und Fritz Wilkening, 1995, S.171. 25Vgl. Winfried Schmayl und Fritz Wilkening, 1995, S.172. 26Vgl. Jürgen Hüholdt, Wunderland des Lernens, Lerntechniken, Lernmethoden, Lernmedien,

Lernbiologie, Lernstrategie, Sprockhövel: Steinbeck-Druck GmbH, 1984, S.237.

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Sicherheitsmaßnahmen (siehe Sicherheitsmaßnahmen) zulassen und seine taktilen

Lernsensoren stimulieren. Der mediumsorientierte Lerntyp findet in dem Modell

ein Medium, an dem er sich bilden kann. Daraus wird deutlich, dass sich die

Anwendung der Modellmethode auch aus dieser lernpsychologischen Perspektive,

für die Vermittlung des Lehrinhaltes Otto-Viertakt-Motor eignet, da sie sehr viele

Wahrnehmungsbereiche und somit Lerntypen abdeckt.

Die in dieser Arbeit erstellte Konstruktionsdokumentation hat die Aufgabe eine

Übersicht über die notwendigen fertigungstechnischen Schritte des

Entstehungsprozesses des Modells zu geben. Zum Darstellen des Konstruktions-

und Fertigungsprozesses wurde die Methode der Dokumentation gewählt, da die

Dokumentation eines Prozesses, in diesem Fall des Entstehungsprozesses des

Modells, laut Gaus „[…] das gezielte Wiederfinden und Nutzbarmachen von

Dokumenten und Informationen […]“27 ermöglicht, wie sich auch schon an der

wörtlichen Übersetzung der englischen Bezeichnung für Dokumentation,

information retrieval (Zurückgewinnen von Information), erkennen lässt.28 Diese

Möglichkeit des Wiederfindens und Nutzbarmachens ist eine Anforderung an die

zu wählende Darstellungsmethode des Konstruktions- und Fertigungsprozesses,

da den Lesern dieser Dokumentation die Möglichkeit gegeben werden soll,

fertigungstechnische Arbeitsschritte in ihr wieder zu finden, um diese bei der

Anfertigung eines eigenen Modells für sich nutzen zu können. Dabei wurde die

Form der Bilderdokumentation gewählt, um die Arbeitsschritte des

Fertigungsprozesses zu visualisieren und so für den Leser nachvollziehbar zu

machen, auch wenn dieser sich nicht am Standort des Modells befindet. Dieser

Vorteil der bildlichen Darstellung wird auch von Schmayl und Wilkening erwähnt

was die Wahl der Bilderdokumentation bestätigt.29 Das die visuelle Wahrnehmung

der Bilder wichtig für die Effektivität einer Dokumentation ist, wird außerdem

noch aus folgendem Zitat deutlich, welches diese Einleitung beschließen soll.

„Fast jedes denken, jede kognitive Kompetenz bedient sich visueller, d.h. geometrischer Stützen. Die intellektuelle Entwicklung ist eng verbunden mit den Fähigkeiten, visuell dargebotene Informationen aufzunehmen, zu analysieren, zu speichern, mit ihnen in der Vorstellung zu operieren u.a. .

27Wilhelm Gaus, Dokumentations- und Ordnungslehre, Lehrbuch für die Theorie und Praxis des

Information Retrieval, Berlin: Springer Verlag, 1983, S. 1. 28Vgl. Wilhelm Gaus, 1983, S. 1. 29Vgl. Winfried Schmayl und Fritz Wilkening, 1995, S. 172.

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So sind visuell- geometrische Erfahrungen und ein entsprechendes Können von grundlegender Bedeutung für die kognitive Entwicklung des einzelnen Schülers.“30

2 Konstruktion und Fertigung des Modells

2.1 Projektvorstellung

2.1.1 Motortyp

Der Motor, der diesem Modell als Basis dient, ist ein wassergekühlter Reihen-

Vierzylinder-Otto-Viertakt-Motor des Herstellers Suzuki. Der Motor wurde in

seiner Bauart ab dem Baujahr 1984 in einer Modellreihe von Geländewagen des

Herstellers Suzuki verbaut, in der er als erstes im Modell SJ 413 (s. Abb. 2) zum

Einsatz kam. Ab dem Jahre 1988 wurde der Motor unter Modifikationen, wie dem

Umstellen der Benzin-Luftgemisch-Bildungseinheit von einem Vergaser auf eine

Einpunkt-Einspritzung, in dem Modell Samurai (s. Abb. 3) der Modellreihe

verwendet. Der Motor verfügt über eine oben liegende Nockenwelle mit

Zahnriemenantrieb und die Ventile des Zylinderkopfes sind in V-Form

angeordnet, was eine so genannte Querstromspülung, zwecks besserer

Zylinderfüllung, ermöglicht. Der Zylinderblock besteht aus einem Grauguss und

beinhaltet eine fünffach gelagerte Kurbelwelle.31 Mit seinen vier Zylindern, von

insgesamt 1324 cm³ Hubraum, entwickelt der Motor bei 6000 Umdrehungen pro

Minute eine Leistung von 47 Kilowatt, was 64 Pferdestärken entspricht. Sein

maximales Drehmoment von 100 Newtonmetern erreicht der Motor bei 3500

Umdrehungen pro Minute.32 Der verwendete Motor wurde gewählt, da er einen

relativ kleinen Hubraum hat und so Platz sparend ausgestellt werden kann. Er

wurde als ein Vertreter eines älteren Baujahres und somit einer älteren

Motorengeneration gewählt, da er zum einen als älterer Motor den

Anschaffungskostenfaktor niedrig hält und zum anderen noch nicht so viel

elektronische Steuerungstechnik beinhaltet, wie z.B. die Zündverteilung, die bei

diesem Motor über einen mechanischen Zündverteiler gesteuert wird. Diese

30Hendrik Radatz und Knut Rickmeyer, Handbuch für den Geometrieunterricht an Grundschulen,

Hannover: Schroedel Verlag GmbH, 1991, S. 7. 31Vgl. Peter Russek, Reparaturanleitung, Suzuki SJ 410, SJ 413, Samurai, Vitara, Band 1179, Zug:

Bucheli Verlag, S. 1. 32Vgl. Peter Russek, Band 1179, S. 161.

10

mechanischen Komponenten machen eine didaktische Aufbereitung durch

Öffnungsschnitte unkomplizierter und erleichtern es außerdem dem Betrachter die

Wirkungsabläufe des Motors besser nachzuvollziehen. Die Fahrzeuge, in denen

dieser Motor verbaut wurde, sind in verschiedenen Karosserievarianten wie

Cabriolet, Limousine und Wagon gebaut worden. Sie sind mit einem

vollsynchronisierten Schaltgetriebe und einem Verteilergetriebe, für den

zuschaltbaren Allradbetrieb, ausgestattet. Das Fahrgestell der Modellreihe besteht

bei allen Modellen aus einem Kastenrahmen mit Traversen und zwei mit

Blattfedern und hydraulischen Teleskop- Stossdämpfern ausgestatteten

Starrachsen.33

Abb. 2: Modell SJ 413 34 Abb. 3: Modell Samurai

2.1.2 Modellaufbau

2.1.2.1 Motor

Der Otto-Viertakt-Motor stellt die Basis des Modells dar. Er zeigt anhand der an ihm liegenden Öffnungsschnitte, die Funktionen seiner einzelnen Bauteile. Dabei wurden die Schnitte so gelegt, dass sie die Bauteile sichtbar machen, die es ermöglichen die potentielle Energie des Kraftstoffes in Bewegungsenergie zu verwandeln und so das Fahrzeug in Bewegung zu versetzen. Außerdem verdeutlicht das Modell durch seine elektromotorbetriebene Bewegung, die Wechselwirkung seiner einzelnen Bauteile. Für den Betrachter wird sichtbar, dass die entstehende Bewegungsenergie die Kurbelwelle und somit das Schwungrad und den Fahrzeugantrieb bewegt. Des weiteren sieht der Betrachter auch gleichzeitig, wie die Kurbelwelle die für die Schmierung notwendige Ölpumpe und die zahnriemengetriebenen Steuerräder bewegt, welche die oben liegende Nockenwelle zur Ventilsteuerung in Drehung versetzen. Zusätzlich verdeutlicht das Modell, dass die Nockenwelle ihre Drehbewegung mechanisch auf den 33Vgl. Peter Russek, Band 1179, S. 1-2. 34Anonymus 1. www.ajovalo.net/Historia/images/85SJ413a.jpg. Zugriffsdatum 16.02.07.

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Verteilerläufer des Zündverteilers überträgt, welcher für die Zündverteilung und somit den Zündzeitpunkt in den einzelnen Zylindern zuständig ist. Außerdem zeigt das Modell, dass eine auf das untere Steuerrad aufgesetzte Riemenscheibe über einen Keilriemen die Wasserpumpe für die Kühlung des Motors und die Lichtmaschine bewegt. Auf die Lichtmaschine wurde aus perspektivischen Gründen an diesem Modell verzichtet, um einen freien Einblick in die geöffneten Zylinder zu gewährleisten. Des Weiteren wurde der Vergaser durch eine modernere Einpunkt-Einspritzung ersetzt, um den Aufbau eines solchen Einspritzsystems an diesem Modell zu verdeutlichen. Um dieses sich selbst steuernde System des Motors und seine mechanischen Zusammenhänge sichtbar zu machen wurden Schnitte an folgenden Stellen vorgenommen.

2.1.2.1.1 Zylinderblock

Ein Schnitt wurde direkt in die obere Hälfte der Ansaugseite des Zylinderblockes gelegt und legt mit einem Ausmaß von 286 mm x 100 mm (Breite x Höhe) die Verbrennungskammern mit ihren Kolben frei, um das Viertakt-Arbeitsspiel des Motors sichtbar zu machen. Außerdem wird durch diesen Schnitt die Pleuelstangenlagerung am Kolben sichtbar (s. Abb. 4).

Abb. 4: Schnitt durch die obere Hälfte der Ansaugseite des Zylinderblockes

Des Weiteren wurde eine Reihe von vier Schnitten, mit einem Ausmaß von jeweils 60 mm x 112 mm durch die untere Hälfte der Ansaugseite des Zylinderblockes gelegt. Diese Schnitte ermöglichen dem Betrachter das Beobachten der Kurbelwelle und der an ihr gelagerten Pleuelstangen während der Bewegung (s. Abb. 5)

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Abb. 5: Schnitt durch die untere Hälfte der Ansaugseite des Zylinder- blockes

Die Wasserpumpe wurde ebenfalls durch einen Schnitt geöffnet, der ihre kühlwasserpumpende Flügelpumpe sichtbar macht (s. Abb. 6).

Abb. 6: Schnitt durch die Wasserpumpe

Die Ölwanne wurde mittig aufgetrennt, um einen Einblick in ihre Struktur und auf das Ansaugrohr der Ölpumpe realisieren zu können (s. Abb. 7). Zusätzlich ermöglicht es dieser Schnitt einen Blick von unten auf die Kurbelwellenmechanik und die im steuerradseitigen Außenflansch gelegene Ölpumpe zu werfen (s. Abb. 8).

Abb. 7: Schnitt durch die Ölwanne Abb. 8: Schnitt durch die Ölwanne mit Blick auf die Ölpumpe

2.1.2.1.2 Zylinderkopf

In den Zylinderkopf wurde eine 116 mm x 35 mm x 65 mm (Breite x Höhe x Tiefe) große Öffnung in die schwungradseitige untere Hälfte der Ansaugseite gefräst, um die Bewegungen der Ventile besser sehen zu können. Auf die Zylinderkopfabdeckung wurde gänzlich verzichtet, um die Steuermechanik der Ventile nicht zu verdecken (s. Abb. 9).

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Abb. 9: Gefräste Öffnung im Zylinderkopf

Die Betrachtung der mechanischen Übertragung der Drehbewegung der Nockenwelle auf den Zündverteilerläufer wurde durch das Legen eines Schnittes durch das Verteilerantriebsgehäuse des Zündverteilers realisiert (s. Abb. 10).

Abb. 10: Schnitt durch das Verteilerantriebs- gehäuse

Außerdem wurde die Zündverteilerkappe aufgeschnitten, um das Prinzip der Spannungsübertragung des Zündverteilerläufers auf die Zündkontakte sichtbar zu machen (s. Abb. 11).

Abb. 11: Schnitt durch die Zündverteilerkappe

Die Ansaugbrücke wurde durch einen Schnitt auf die Hälfte reduziert, um den Blick durch die gefräste Öffnung am Zylinderkopf nicht zu behindern. Des Weiteren wurde die vordere und steuerräderseitige Wand der verbleibenden Ansaugbrücke abgetrennt, so dass die Form der Ansaugkrümmerkanäle besser zu erkennen ist (s. Abb. 12).

14

Abb. 12: Schnitt durch den Ansaugkrümmer

Die Einpunkt-Einspritzung erhielt einen Schnitt durch ihre vordere Hälfte, damit ihre Trichterform, die Einspritzdüse und die Drosselkappe zum Vorschein kommen (s. Abb. 13).

Abb. 13: Schnitt durch die Einpunkt- Einspritzung

2.1.2.1.3 Farbliche Gestaltung

Alle entstandenen Schnittkanten wurden in einem roten Farbton lackiert (s. Abb. 14), um die Öffnungspunkte des Modells zu verdeutlichen und Missverständnissen im Bezug auf die reale Form des Motors vorzubeugen. Dabei wurden lediglich die Schnittkanten der Zylinderbuchsen ausgelassen und nur klar lackiert, um die Struktur der Buchsen darstellen zu können (s. Abb. 15).

Abb. 14: Rot lackierte Abb. 15: Klar lackierte Zylinderbuchsen- Schnittkanten schnittkanten

Als Farbton für den Motorblock und den Zylinderkopf wurde ein Felgensilber- Farbton gewählt, der das Modell in seiner Erscheinung gegenüber dem originalen Farbton des Graugusses aufwertet. Das hat den Sinn die Aufmerksamkeit vorbeigehender Personen noch stärker auf das Modell zu lenken und somit die Neugier zur genaueren Betrachtung zu wecken. Außerdem wurden markante

15

mechanische Bauteile, wie das Schwungrad, die Steuerräder, das Ölpumpensystem inklusive Ölfilter, die Kipphebel der Ventile und die Gaszugaufnahme an der Einpunkt-Einspritzung in einem matten Goldton lackiert, um sie für das Auge von der Gesamterscheinung des Modells abzuheben (s. Abb. 16-17). Der Ansaugkrümmer und der Abgaskrümmer wurden in einem matten Hammerschlag-Grau lackiert, um sie von dem Motor optisch zu trennen. Die Einpunkt-Einspritzung wurde in einem silbernen Farbton lackiert, um sie von dem Ansaugkrümmer optisch hervorzuheben. Die Zündverteilerkappe wurde als Ort der elektrischen Zündung in einem mit Elektrizität zu assoziierendem Blau lackiert, das sich auch in den blauen LED´s (Light Emitting Diodes) der Zündungssimulation wieder findet. Für die Einspritzdüsenkappe der Einpunkt-Einspritzung wurde ein mit der Farbe des Kraftstoffes zu assoziierendes Gelb gewählt, welches sich auch in der gelben Einspritzungssimulations-LED wieder findet.

Abb. 16: Gold lackierte Bauteile Abb. 17: Der goldene Ölfilter

2.1.2.2 Lichteffekte und Beleuchtung

Die soeben erwähnten blauen LED´s dienen der Zündungssimulation an den Zündkerzen, welche dafür jeweils mit einer blauen LED bestückt wurden. Die Zündungssimulation dient der Darstellung des Zündzeitpunktes in den einzelnen Zylindern (s. Abb. 18). Außerdem wird jede einzelne Zündspannungsübertragung durch das Aufleuchten einer blauen LED in der Verteilerkappe kenntlich gemacht (s. Abb. 19).

Abb. 18: Simulation der Zündung Abb. 19: LED in der Verteiler- durch eine blaue LED kappe

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Die gelbe LED am Kraftstoffaustrittspunkt der Einpunkt-Einspritzung soll den Kraftstoffeinspritzungsort und -zeitpunkt verdeutlichen und außerdem durch ihre blinkende Erscheinung die Benzin-Luftgemischbildung darstellen(s. Abb. 20). Für die Steuerung aller LED´s ist eine Grundplatine zuständig, welche außerdem noch für die Dauer der Einschaltphasen des Modells und für die Spannungsversorgung des Modellantriebes zuständig ist (s. Abb. 21).

Abb. 20: Kraftstoffeinspritzungs-LED Abb. 21: Steuerplatine

2.1.2.3 Modellantrieb

Der Antrieb der Motorenmechanik wird über einen elektrischen Getriebemotor realisiert. Die gewünschte Drehfrequenz des Modells, von 20 Umdrehungen pro Minute, wird erreicht, indem eine keilriemengeführte Übersetzung, bestehend aus zwei Riemenscheiben, die Drehzahl des Elektromotors von 40 Umdrehungen pro Minute auf die gewünschten 20 Umdrehungen pro Minute herunter reguliert (s. Abb. 22).

Abb. 22: Keilriemengeführte Übersetzung mit Elektromotor

2.1.2.4 Modellgestell

Der Elektromotor ist wie das Modell in einem aus Baustahl geschweißtem Gestell gelagert (s. Abb. 23). Dieses Gestell beherbergt außerdem den Taster zum Auslösen der Modellfunktion, welcher als Lockeffekt bei Nichtbetrieb des Modells rot leuchtet (s. Abb. 24).

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Abb. 23: Das Gestell Abb. 24: Der Taster im Gestell

2.1.2.5 Sicherheitsmaßnahmen

Um ein sicheres Laufen des Modells gewährleisten zu können wurden Gefahrenbereiche, wie die Zylinderöffnungen, durch Plexiglasscheiben für den Betrachter unzugänglich gemacht. Auch diese Plexiglasscheiben finden ihren Halt an dem Gestell (s. Abb. 25).

Abb. 25: Der Plexiglasschutz

2.2 Dokumentation

Im Folgenden soll nun in Form einer Bilderdokumentation die Fertigung des Modells dargestellt werden. Dabei ist anzumerken das bei den Arbeiten am Motor die Reparaturanleitung. Suzuki SJ 410, SJ 413, Samurai, Vitara. Band 1179 des Bucheli Verlages zur Hilfe genommen wurde, wobei einige Arbeitsschritte übernommen und andere Arbeitschritte variiert wurden. Außerdem ist zu beachten, dass die nachfolgenden Arbeitsschritte auf den vorliegenden Motorentyp abgestimmt wurden. Es können Abweichungen bei den einzelnen Arbeitsschritten, bei der Anfertigung von Modellen anderer Motorentypen, auftreten.

2.2.1 Demontage des Motors

Das Öl des Motors wurde bereits abgelassen und der Zündverteiler, die Zylinderkopfhaube, der Ansaugkrümmer und der Abgaskrümmer wurden bereits demontiert. Es folgen die weiteren Arbeitsschritte. In einer mit Holzspänen gefüllten Auffangwanne wurde der Motor platziert, um das Restöl, das bei der

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Demontage den Motor verlässt, aufzufangen (s. Abb. 26). Für das Abdrehen des Ölfilters gibt es spezielle Werkzeuge, wie z.B. das Spannband, welche aber auch durch eine Rohrzange ersetzt werden können.35

Abb. 26: Der Motor mit demontierten Ölfilter

Als Nächstes wurden die Schrauben der Ölwanne von innen nach außen über Kreuz gelöst (s. Abb. 27), dann konnte die Ölwanne mit Hilfe einer hölzernen Zulage und einem Hammer losgeschlagen und entfernt werden36 (s. Abb. 28).

Abb. 27: Lösen der Ölwannenschrauben Abb. 28: Abnehmen der Ölwanne

Die Demontage des Ölansaugsiebes (s. Abb. 29) und der Zahnriemenspannrolle (s. Abb. 30) erfolgte durch einfaches Lösen der Schrauben mit einer Knarre.37

Abb. 29: Ölansaugsieb Abb. 30: Zahnriemenspannrolle

Der Zahnriemen, welcher der Ventilsteuerung dient (s. Abb. 31), konnte dann von der Steuerseite (s. Abb. 32) des Motors abgenommen und anschließend sicher und ölfrei gelagert werden.38

35Vgl. Peter Russek, Band 1179, S. 16. 36Vgl. Peter Russek, Band 1179, S. 17. 37Vgl. Peter Russek, Band 1179, S. 17. 38Vgl. Peter Russek, Band 1179, S. 16.

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Abb. 31: Zahnriemen zur Ventilsteuerung Abb. 32: Steuerseite des Motors ohne Zahnriemen

Als Nächstes wurde der Zylinderkopf demontiert. Dabei war zu beachten, dass die zehn Zylinderkopfschrauben von innen nach außen über Kreuz gelöst wurden39 (s. Abb. 33-35).

Abb. 33: Lösen der Abb. 34: Zylinderblock Abb. 35: Zylinderkopf Zylinderkopfschrauben

2.2.1.1 Demontage des Zylinderblockes

Danach wurde die Wasserpumpe (s. Abb. 36), welche neben ihrer pumpenden Funktion auch als Halterung für die Zahnriemenspannrolle dient, und das in ihr steckende Wasserpumpenrohr (s. Abb. 37) durch Lösen der Verschraubungen demontiert. Das Wasserpumperohr wurde nicht mehr für das Modell benötig, da es den Blick durch den geplanten Schnitt im Zylinderblock behindert hätte.

Abb. 36: Wasserpumpe Abb. 37: Wasserpumpenrohr

Um das Kurbelwellensteuerrad zu lösen wurde ein Holzklotz in das Kurbelwellengehäuse gesteckt, welcher so das Drehen der Kurbelwelle blockierte

39Vgl. Peter Russek, Band 1179, S. 17.

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(s. Abb. 38). So konnte die Schraube des Kurbelwellensteuerrades mit einem Steckschlüssel gelöst werden40 (s. Abb. 39).

Abb. 38: Lösen der Schraube mit Holzklotz- Abb. 39: Bestandteile des Kurbelwellen- Block steuerrades

Der Holzklotz, zum sperren der Kurbelwelle, wurde dann auf die gegenüberliegende Seite im Kurbelwellengehäuse gesteckt, um die Kurbelwelle in die andere Drehrichtung zu blockieren. Daraufhin konnten auch die Schrauben des Schwungrades mit einem Steckschlüssel gelöst werden. Saßen die Schrauben zu fest, konnten diese durch vorsichtige Schläge mit einem Hammer auf den Steckschlüssel gelöst werden (s. Abb. 40). Im nächsten Schritt wurde das Schwungrad mit einer hölzernen Zulage und einem Hammer losgeschlagen (s. Abb. 41). Dabei wurde es aus Sicherheitsgründen gegen ein Herunterfallen gesichert.41

Abb. 40: Lösen der Schwungradschrauben Abb. 41: Losschlagen des Schwungrades

Danach wurden die Seitenflansche des Zylinderblockes demontiert, wobei an dem steuerradseitigen Seitenflansch erst die Halterung der Lichtmaschine gelöst werden musste (s. Abb. 42). Der steuerradseitige Seitenflansch beinhaltet die Zahnrad-Ölpumpe des Motors, welche mit einem Kreuzbit geöffnet werden konnte, um sie so zu reinigen (s. Abb. 43-46). Der schwungradseitige Seitenflansch wurde mit der Knarre gelöst und dann mit Hilfe eines Hammers vom Zylinderblock getrennt42 (s. Abb. 47-49).

40Vgl. Peter Russek, Band 1179, S. 16. 41Vgl. Peter Russek, Band 1179, S. 17. 42Vgl. Peter Russek, Band 1179, S. 18.

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Abb. 42: Lösen des steuerradseitigen Abb. 43: Steuerradseitiger Seitenflansch Seitenflansches

Abb. 44: Öffnen der Ölpumpe Abb. 45: Die Zahnrad-Ölpumpe

Abb. 46: Einzelteile der Zahnrad-Ölpumpe Abb. 47: Lösen des Außenflansches

Abb. 48: Losschlagen Abb. 49: Schwungradseitiger des Außenflansches Außenflansch

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Bevor die Kurbelwelle ausgebaut wurde, mussten ihre Bauteile der Position entsprechend markiert werden, um sie später wieder korrekt zusammensetzen zu können. Dabei wurden die Pleuellagerdeckel und Hauptlagerdeckel mit einem Körner punktartig markiert (s. Abb. 50). Nachdem Markieren wurden die Schrauben der Pleuellagerdeckel gelöst und die Kolben entnommen43 (s. Abb. 51-53).

Abb. 50: Markieren der Kurbel- Abb. 51: Lösen der Pleuellagerdeckel wellenbauteile

Abb. 52: Pleuellagerdeckel Abb. 53: Entnehmen der Kolben

Im nächsten Arbeitsschritt wurden die Dehnungsschrauben der Hauptlager der Kurbelwelle gelöst, diese können sehr fest sitzen und daher schwer zu lösen sein. Die Hauptlager wurden anschließend entfernt und die Kurbelwelle einschließlich der Anlaufscheiben entnommen (s. Abb. 54-57). Die ausgebauten Teile des Kurbelwellengehäuses wurden sorgfältig sortiert, um auch sie später wieder korrekt zusammensetzen zu können44 (s. Abb. 58).

Abb. 54: Lösen der Abb. 55: Hauptlager mit Abb. 56: Entnehmen der Kurbel Hauptlagerschrauben Schrauben welle

43Vgl. Peter Russek, Band 1179, S. 17. 44Vgl. Peter Russek, Band 1179, S. 18.

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Abb. 57: Anlaufscheiben Abb. 58: Bauteile des Kurbelwellengehäuses

Die Motorhalterungen, die zuvor zum Einspannen in den Schraubstock hilfreich waren, aber auf die in der Endmontage verzichtet wurde, wurden demontiert, bis nur noch der rohe Zylinderblock übrig blieb (s. Abb. 59-60).

Abb. 59: Die Motorhalterungen Abb. 60: Der rohe Zylinderblock

2.2.1.2 Demontage des Zylinderkopfes

Abb. 61: Der Zylinderkopf

Bei der Demontage des Zylinderkopfes wurde wie folgt vorgegangen. Zum Lösen des Nockenwellensteuerrades wurde die Nockenwelle durch Einschieben eines metallischen Rundstabes blockiert und konnte so gegen ein Drehen gesichert werden.45 Zusätzlich wurde der Zylinderkopf mit einer Schraubzwinge und einer hölzernen Zulage gegen ein Verrutschen auf der Werkbank gesichert (s. Abb. 62-65).

45Vgl. Peter Russek, Band 1179, S. 16.

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Abb. 62: Blockieren der Nocken- Abb. 63: Sichern des Zylinder- welle kopfes

Abb. 64: Lösen des Steuerrades Abb. 65: Das Steuerrad des Zylinderkopfes

Wenn das Blockieren der Nockenwelle mit dem Rundstab nicht ausreicht empfiehlt sich der Einsatz eines Schlagschraubers, der ein Blockieren der Nockenwelle überflüssig macht. Diese Methode sollte jedoch nicht bei noch zu verwendenden Motoren eingesetzt werden, da durch den Einsatz des Schlagschraubers die Feinmechanik der Nockenwelle nachhaltig geschädigt werden kann. Als Nächstes wurden die Kipphebel entlastet, um die Ventilfedern frei zu legen. Das erfolgte über ein Lösen der Kontermuttern der Ventileinstellschrauben und ein anschließendes Herausdrehen der Ventileinstellschrauben, bis diese den Kontakt zu den Ventilschäften verloren46 (s. Abb. 66-68).

Abb. 66: Lösen der Kontermuttern Abb. 67: Lösen der Ventileinstellschrauben

46Vgl. Peter Russek, Band 1179, S. 17.

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Abb. 68: Gelöste Kipphebel

Dann wurden die Befestigungsschrauben der Kipphebelwelle über Kreuz gelöst und das innere Riemenschutzblech demontiert47(s. Abb. 69-70).

Abb. 69: Lösen der Befestigungsschrauben Abb. 70: Lösen des inneren Riemenschutz- der Kipphebelwelle bleches

Die Kipphebelwellen wurden mit Hilfe eines geeigneten Rundstabes herhausgetrieben. Die dadurch freigelegten Kipphebel und Federn wurden auf einem Karton zusammen mit der dann herausziehbaren Nockenwelle durch Einstechen, ihrer ursprünglichen Position entsprechend, angeordnet48 (s. Abb. 71-74).

Abb. 71: Heraustreiben der Abb. 72: Abb. 73: Herausziehen der Kipphebelwellen Kipphebelwelle Nockenwelle

47Vgl. Peter Russek, Band 1179, S. 17. 48Vgl. Peter Russek, Band 1179, S. 17-18.

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Abb. 74: Sortierung der Einzelteile

Das daraufhin mögliche Demontieren der Ventile begann mit einem Zusammendrücken der Ventilfedern und somit einem Freilegen der Ventilkegelhälften, welche die Federn über den Ventilfederteller auf Spannung halten. Dazu wurde ein so genannter Ventilheber verwendet. (s. Abb. 75-76) Durch das Zusammendrücken wurden die Ventilkegelhälften entlastet und konnten mit einem Schraubenzieher entfernt werden. Bei diesem Arbeitsschritt wurde eine Schutzbrille getragen, da die Ventilfedern unter hoher Spannung standen und die Ventilkegelhälften im Unfall wie Geschosse durch den Raum fliegen konnten. Außerdem empfahl es sich ein Stück Pappe als Zulage auf dem Ventil anzusetzen, um dieses nicht zu beschädigen. Nach dem Entnehmen der Ventilkegelhälften war ein Herausnehmen der Ventile möglich. (s. Abb.77-81) Die Ventile und ihr Zubehör wurden vollständig entfernt und auf dem Karton bei den anderen Teilen des Zylinderkopfes angeordnet49 (s. Abb. 82-83).

Abb. 75: Selbstgebauter Ventilheber Abb.76: Original Ventilheber

Abb. 77: Zusammendrücken der Ventilfedern Abb. 78: Ventilheberposition

49Vgl. Peter Russek, Band 1179, S. 18.

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Abb. 79: Entnahme der Ventilkegelhälften Abb. 80: Die Ventilkegelhälften

Abb. 81: Entnahme der Ventile Abb. 82: Sortierung der Zylinderkopfteile

Abb. 83: Ventil mit Zubehör

Im nächsten Arbeitsschritt wurden die Zündkerzen mit einem langen Steckschlüsselaufsatz entfernt. Die Ventilschaftdichtungen verblieben, da sie sehr stark an dem Zylinderkopf klebten und ein gewaltvolles Entfernen sie beschädigt hätte (s. Abb. 84-87).

Abb. 84: Die Ventilschaftdichtungen Abb. 85: Lösen der Zündkerzen

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Abb. 86: Die Zündkerzen Abb. 87: Der rohe Zylinder- kopf

2.2.2 Reinigen der Einzelteile

Das Reinigen der größeren Teile wie Zylinderblock, Zylinderkopf, Ölwanne und Nockenwelle erfolgte in einer großen Industriewaschmaschine, um die groben Verunreinigungen zu entfernen (s. Abb. 88-89).

Abb. 88: Waschmaschinenkorb Abb. 89: Die Industriewaschmaschine

Die restlichen Verunreinigungen wurden dann später, genau wie die Verunreinigungen an den kleineren Bauteilen, mit einem so genannten Universalkaltreiniger und einem Pinsel entfernt. Der Universalkaltreiniger zeichnet sich durch sein gutes Lösevermögen für ölige, fettige, wachs- und teerhaltige Verschmutzungen aus und ist daher gut für das Reinigen der Motorenbauteile geeignet. Bei der Verwendung des Kaltreinigers sollten jedoch adäquate Handschuhe und eventuell eine Schutzbrille getragen werden, da er zu Hautirritationen führen kann und als gesundheitsschädlich eingestuft wird.50 Stärkere Verunreinigungen wie z.B. von Verbrennungsrückständen an den Ventilen, konnten mit einer Drahtbürste oder mit einem Drahtbürstenaufsatz an der Ständerbohrmaschine entfernt werden. An der Ständerbohrmaschine sollten bei diesen Arbeiten eine Schutzbrille und Lederhandschuhe getragen werden (s. Abb. 90-92).

50Vgl. Abteilung QM und SI, Sicherheitsdatenblatt, Hamburg: Biesterfeld Chemiedistributionen,

2002, S. 3.

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Abb. 90: Universalkaltreinigerset Abb. 91: Ständerbohrmaschine mit Drahtbürstenaufsatz

Abb. 92: Entfernen von Verbrennungsrückständen

2.2.3 Schneiden und Fräsen

2.2.3.1 Festlegen der Schnitte am Zylinderblock

Beim Festlegen der Schnitte wurde darauf geachtet, dass möglichst viel sichtbar gemacht wurde und dabei eine höchstmögliche Stabilität erhalten blieb. Die zu entfernenden Teile wurden dabei mit einem X gekennzeichnet (s. Abb. 93-94).

Abb. 93: Zu entfernende Teile Abb.: 94: Schnittmarkierung

2.2.3.2 Schnitt des Zylinderblockes

Die Schnitte am Zylinderblock wurden primär mit einem Winkelschleifer mit verschieden Scheibenaufsätzen durchgeführt. Dabei waren viele kleine Arbeitsschritte mit unterschiedlich großen Trennscheiben notwendig, da das zu schneidende Objekt zum Teil sehr verwinkelt und somit unzugänglich war (s. Abb. 95-96). Dies machte es zum Teil erforderlich auf alternative Schnittgeräte,

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wie z.B. die Säbelsäge oder den Plasmaschmelzschneider zurück zugreifen (s. Abb. 97-98). Bei der Benutzung dieser Geräte war es unerlässlich eine Schutzbrille und teilweise auch Sicherheitshandschuhe zu tragen.

Abb. 95: Winkelschleifer mit Trennscheibe Abb. 96: Kleiner Winkelschleifer

Abb. 97: Die Säbelsäge Abb. 98: Plasmaschmelzschneider

Während der einzelnen Arbeitsschritte war es hilfreich den Zylinderblock mit Hilfe von Schraubzwingen gegen ein Verrutschen zu sichern (s. Abb. 99-102).

Abb. 99: Sicherung mit Schraubzwingen Abb. 100: Schneiden mit dem Winkel- schleifer

Abb. 101: Schnitt der Zylinderbuchsen Abb. 102: Schnitt der

Zylinderbuchsen

Schwer zugängliche Stellen wie z.B. die Zylinderbuchsen konnten mit einem Plasmaschmelzschneider geschnitten werden (s. Abb. 103-106).

31

Abb. 103: Die schwer zugänglichen Abb. 104: Schneiden mit dem Plasma- Zylinderbuchsen schneidbrenner

Abb. 105: Eine geöffnete Zylinderbuchse Abb. 106: Der geöffnete Zylinderblock

Das anschließende Schleifen und Verfeinern der Schnittkanten, erfolgte mit einer Schruppscheibe am Winkelschleifer und einem Bandschleifgerät. Das Entgraten der scharfen Kante wurde dann später mit einer Feile vorgenommen (s. Abb. 107-108).

Abb. 107: Schleifen der Schnittkanten Abb. 108: Entgraten der Schnittkanten

Der bei den Schneid- und Schleifarbeiten entstehende Graugussstaub ist leicht entzündlich und sollte daher von offenen Feuer ferngehalten werden (s. Abb. 109).

Abb. 109: Leicht entzündlicher Grauguss- staub

32

2.2.3.3 Montage zwecks weiterer Schnittfestlegungen

Für den Schnitt, des Zylinderkopfes, wurde der Motor wieder zusammengesetzt, um das notwendige Ausmaß des Zylinderkopfschnittes besser einschätzen zu können (s. Abb. 110).

Abb. 110: Der offene Zylinderblock

2.2.3.4 Festlegen des Schnittes am Zylinderkopf

Für den Zylinderkopf wurde die Schnittöffnung so gewählt, dass durch sie später ein Beobachten der Ventile beim Öffnen und Schließen möglich ist (s. Abb. 111-112).

Abb. 111: Die Fräsmarkierung am Zylinderkopf Abb. 112: Fräsmarkierung von unten

2.2.3.5 Fräsen des Zylinderkopfes

Die Fräsung des Zylinderkopfes wurde an einer Universalfräse Modell FP3 vorgenommen. Dabei war es wichtig das zu bearbeitende Werkstück auf dem Frästisch mit Hilfe von Spannvorrichtungen gegen ein Verrutschen zu sichern. Außerdem musste die Schnittstelle während des Fräsens regelmäßig mit einer Bohremulsion als Schneidmittel, bestehend aus Öl und Wasser, übergossen werden, um ein optimales Fräsen gewährleisten zu können (s. Abb. 113-114).

33

Abb. 113: Fräsen des Zylinderkopfes Abb. 114: Hinzugeben des Schneid- mittels

Das Verfeinern und Anfasen der Schnittkanten wurde mit einer Feile vorgenommen (s. Abb. 115-116).

Abb. 115: Anfasen der Schnittkanten Abb. 116: Verfeinern der Schnittkanten

Danach wurde der Zylinderkopf erneut auf dem Zylinderblock montiert, um das Ergebnis der Fräsung zu überprüfen(s. Abb. 117).

Abb.117: Die fertigen Schnitte am Motor

34

2.2.3.6 Schnitte der übrigen Bauteile

Die Schnitte der übrigen Bauteile wurden zum größten Teil auch mit dem Winkelschleifer durchgeführt. Grobe Sägearbeiten, wie an dem Ansaugkrümmer und der Einpunkt-Einspritzung, wurden mit einer Metallbandsäge und einer Bügelsägemaschine durchgeführt. Die kleineren Schnitte am Zündverteiler wurden mit einem geeigneten Sägeblatt mit der Laubsäge geschnitten(s. Abb. 118-123).

Abb. 118: Schnitt der Wasserpumpe Abb. 119: Schnitt der Ölwanne

Abb. 120: Ansaugkrümmerschnitt an der Abb. 121: Schnitt an der Bügelsägemaschine Metallbandsäge

Abb. 122: Schnitt der Abb. 123: Schnitt des Zündverteiler- Einpunkt-Einspritzung gehäuses

35

2.2.4 Oberflächenbehandlung

Um die angestrebte optische Erscheinung des Modells realisieren zu können wurden Teile, die starke Unebenheiten oder Spuren von Korrosion aufwiesen, gesandstrahlt (s. Abb. 124). Dafür wurden die Laufflächen der Lager sorgfältig abgeklebt, um ein einwandfreies Laufen beweglicher Teile, wie z.B. der Nockenwelle, beizubehalten.

Abb. 124: Sandstrahlen der Ölwanne

Der nächste Arbeitsschritt war das Grundieren der einzelnen Teile. Vor dem Grundieren der Oberflächen, wurden die einzelnen Teile gründlich von Fett und Staub befreit und nicht zu lackierende Flächen mit einem Kreppband abgeklebt. Dann wurden sie mit einer grauen Grundierung behandelt, um ihre Oberfläche optimal auf das Lackieren vorzubereiten (s. Abb. 125-126).

Abb. 125: Abgeklebter und Abb. 126: Grundierter Motorblock entstaubter Motorblock

Nach leichtem Anschleifen der grundierten Oberflächen, wurden die Teile erneut entstaubt und anschließend in den vorgesehenen Farben lackiert. Nicht zu lackierende sichtbare Flächen, wie z.B. die Schnittkanten der Zylinderbuchsen wurden mit einem Polierfliess poliert und anschließend mit einem Klarlack lackiert, um ein Oxidieren zu verhindern. Die übrigen Schnittkanten wurden in Metallicrot lackiert, um sie als Schnittkanten zu markieren (s. Abb. 127-132).

36

Abb. 127: Lackierte Einzelteile Abb. 128: Lackierte Einzelteile

Abb. 129: Polieren der Zylinderbuchsen Abb. 130: Das Markieren der Schnittkanten

Abb. 131: Der Zylinderkopf mit seinem Zubehör fertig lackiert

Abb. 132: Der Zylinderblock mit seinem Zubehör fertig lackiert

37

2.2.5 Montage

Nach dem Abschließen der Oberflächenbehandlung wurde der Motor in der umgekehrten Reihenfolge der Demontage, unter Rücksichtnahme auf die fertige Oberfläche vorsichtig wieder zusammen gebaut. Die einzelnen Lager und beweglichen Teile wie z.B. die Nockenwellenlager wurden dabei mit Öl geschmiert, um ein widerstandsarmes Laufen der Motorenmechanik zu realisieren51 (s. Abb. 133).

Abb. 133: Ölen des Nockenwellenlagers

Um die optische Wirkung des Modells zu verbessern wurden die ursprünglichen Schrauben des Motors teilweise durch Edelstahlschrauben ersetzt. Schraubenformate die dabei nicht vorrätig in den Werkstatträumen der Universität vorhanden waren, wurden durch das Kürzen längerer Schrauben hergestellt. Um ein leichtes Eindrehen dieser abgesägten Schrauben zu ermöglichen wurden ihre Gewinde mit einem entsprechenden Gewindeschneider nachgeschnitten (s. Abb. 134-135).

Abb. 134: Absägen der zu langen Schrauben Abb. 135: Nachschneiden des Gewindes

51Vgl. Peter Russek, Band 1179, S. 19.

38

Außerdem wurden die Ventilfedern des Zylinderkopfes durch weichere Federn ersetzt, um den Bewegungswiderstand des Modells zu verringern (s. Abb. 136).

Abb. 136: Links die original Ventilfeder, rechts die eingewechselte Ventilfeder

Die den Vergaser ersetzende Einpunkt-Einspritzung wurde mittels einer Schraube an dem Ansaugkrümmer befestigt (s. Abb. 137).

Abb. 137: Befestigung der Einpunkt- Einspritzung

Um eine optimale Steuerung der Ventile zu erreichen, musste man bei der Montage des Zahnriemens die Steuerzeichen an den Steuerrädern der Nocken- und Kurbelwelle und dem Zündverteiler beachten. Demzufolge mussten beim Auflegen des Zahnriemens die Markierungen an den Steuerrädern beide zur Motorenoberseite zeigen und der Läufer des Zündverteilers musste sich unterhalb des dritten Zündkontaktes befinden, was über die Einstellvorrichtung am Zündverteiler reguliert wurde52 (s. Abb. 138-142).

Abb. 138: Steuerseite des Abb. 139: Steuerzeichen an Abb. 140: Steuerzeichen an dem Motors dem Nockenwellensteuerrad Kurbelwellensteuerrad

52Vgl. Peter Russek, Band 1179, S. 37-39.

39

Abb. 141: Läuferposition Abb. 142: Einstellvor- richtung Zündverteiler

Abb. 143: Das zusammengebaute Modell

40

8

512

7

43

6

2.2.6 Elektronik zur Modellsteuerung

2.2.6.1 Aufbau

Die Elektronik zur Modellsteuerung setzt sich aus verschiedenen Baugruppen zusammen. Neben den auf den ersten Blick erkennbaren Komponenten, wie dem Elektromotor und den verschiedenen LED´s zur Betriebssimulation des Motors, beinhaltet das elektronische System des Modells noch andere Elemente, die sein Funktionieren gewährleisten. Diese Elemente sind auf dem folgenden Schaltplan abgebildet, wobei der grüne Bereich an den Schaltplan des Präzisions-Zeitschalters der Firma Conrad angelehnt ist (s. Abb. 144)53.

53Vgl. Conrad Electronic GmbH, Präzisions-Zeitschalter Bedienungsanleitung, Version 02/98,

Hirschau, 1998, S.27.

Abb. 144: Schaltplan

Transformator

Halogenlampen

IC 1 NE555

2k2 10

k

100k

680R

2k

2

BC 547

10n2200µ

4k72k2

47µ

LED

Rel

100n 100n

1M4148

Starttaster

LED blau1k30

k

470R

BC 547

1k

30k

470R

BC 547

4x

230V∼ M

CNY 70 CNY 70

LED blau zentral

Tasterbeleuchtung

LED gelb

Stoptaster

Gleichrichter

500k

41

Zum Transformieren und Gleichrichten der Spannung dient die Einheit aus Transformator und Gleichrichter. Diese Einheit formt die Netzspannung von 230Volt Wechselspannung in 12Volt Gleichspannung um, wobei der Transformator die Netzspannung zuerst auf 12Volt Wechselspannung herunter transformiert, bevor der in die Schaltung integrierte Silizium Brückengleichrichter diese in 12Volt Gleichspannung umformt. Der hinter diese Einheit geschaltete Kondensator dient dem Glätten der Gleichspannung (siehe gelber Bereich des Schaltplans Abb. 144). Die 12Volt Gleichspannung versorgen das gesamte System, bis auf die Beleuchtungseinheit, die aus vier Halogenlampen besteht. Diese Beleuchtungseinheit soll potentielle Betrachter auf das Modell aufmerksam machen und arbeitet mit 12V Wechselspannung an den Halogenlampen. Ein Infrarot-Bewegungsmelder mit einer Reichweite von 12 Metern schaltet bei Bewegungen in einem Winkel von 180 Grad diese Halogenlampen, die das Modell von oben beleuchten, ein und aktiviert gleichzeitig für einen Zeitraum von 15 Sekunden die Energieversorgung des Modells. Vorerst allerdings nur die Beleuchtung des Tasters, was den vorbeigehenden potentiellen Betrachter auf die Funktion des Modells aufmerksam machen soll und die Aufforderung zur Betätigung des Tasters darstellt(s. Abb. 145-147).

Abb. 145: Bewegungsmelder Abb. 146: Halogenlampe

Abb. 147: Taster

Bei Betätigung dieses Tasters wird der in die Platine integrierte Präzisions-Zeitschalter aktiviert (siehe grüner Bereich des Schaltplans Abb. 144). Der Aufbau und die Bauteile dieses Präzisions-Zeitschalters stammen aus einem Bausatz der Firma Conrad.54 Die Schaltung ermöglicht es Geräte für einen bestimmten Zeitraum einzuschalten und dann automatisch wieder auszuschalten. 54Vgl. Conrad Electronic GmbH, 1998, S.27.

42

Es handelt sich bei der Schaltung um eine „ […] monostabile Kippstufe mit einer veränderlichen Impulsdauer […] “55. Wird der Starttaster des Modells gedrückt, wird das in die Schaltung integrierte Relais für die einstellbare Dauer eines Intervalls eingeschaltet und das elektronische System des Modells aktiviert. Danach schaltet sich das Relais wieder ab und das Modell wird deaktiviert. Ein Abbrechen des Intervalls ist jederzeit durch Betätigung des Stoptasters möglich, der sich auf der Platine befindet. Als zentrales Bauteil der Schaltung, dient der IC 1 NE 555, der als Monoflop verwendet wird56 (s. Abb. 148).

Abb. 148: Die Zeitschaltuhr

Bei Aktivierung der Zeitschaltuhr wird die gesamte Platine und somit das gesamte elektrische System des Modells eingeschaltet. Das bedeutet, dass der Elektromotor anfängt sich und die gesamte Mechanik des Modells in Bewegung zu versetzen, wie es in der Projektvorstellung im Unterpunkt Motor beschrieben ist. Diese Bewegung wiederum verursacht Eingangssignalveränderungen an den Opto Reflexkopplern in der Verteilerkappe und auf der Rückseite der Grundplatine. Bei den Opto Reflexkopplern handelt es sich um optoelektronische Reflexkoppler des Bautyps CNY 70, mit einer hohen Fotoempfindlichkeit. Die Opto Reflexkoppler arbeiten mit reflektierenden Infrarotwellen, die eine Wellenlänge von 950 Nanometern haben. Sie bestehen in ihrer kompakten Konstruktion aus einer Fotodiode als Infrarotwellensender und einem Fototransistor als Empfänger, welche beide in ein Gehäuse integriert sind, um reflektierende Objekte wahrnehmen zu können.57 Die Opto Reflexkoppler, die sich in der Zündverteilerkappe befinden, sind auf einer runden Platine platziert, welche in der Zündverteilerkappe mit Maschinenschrauben befestigt ist. Die dort vorhandenen Sensoren werden durch die Reflektion des sich drehenden Zündverteilerläufers zeitlich so aktiviert, dass ihre zugehörige blaue LED im Zylinder im Moment der Zündung aufleuchtet und so die Zündung simuliert. Das geschieht indem bei einer Reflektion an einem Opto Reflexkoppler in der Verteilerkappe der Fototransistor in dem Opto Reflexkoppler durchschaltet und so

55Conrad Electronic GmbH, 1998, S.8. 56Vgl. Conrad Electronic GmbH, 1998, S.7-9. 57Anonymus 2. Vgl.http://www2.produktinfo.conrad.com/datenblaetter/175000-199999/184241-

da-01-en-T_coupleur_opto_elect_cny_70.pdf. Zugriffsdatum 15.02.07.

43

die Basis des Schalttransistors der LED nicht mehr mit Spannung versorgt wird. Das hat ein Sperren des Schalttransistors zur Folge, wodurch die dem jeweiligen Opto Reflexkoppler zugeordnete LED mit Spannung versorgt wird und so aufleuchtet (siehe roter Bereich des Schaltplans und Abb. 149).

Abb. 149: Opto Reflexkoppler Schaltung der blauen LED´s

Bei den blauen LED´s handelt es sich um superhelle 5mm LED´s. Die blauen LED´s im Zylinder erhalten ihre Spannungsversorgung über den regulären Anschlusskontakt der Zündkerze und sind mit der zentralen blauen LED auf der runden Verteilerkappenplatine in Reihe geschaltet, welche so bei jeder einzelnen Zündungssimulation mit aufleuchtet (s. Abb. 150).

Abb. 150: Blaue LED im Zylinder

Der dementsprechende Signaleingang an dem Opto Reflexkoppler auf der Rückseite der Grundplatine wird durch eine Reflexionsunterbrechung des Infrarotstrahls verursacht. Der Opto Reflexkoppler, welcher die gelbe 10mm LED an der Einspritzdüse ansteuert, befindet sich auf der Rückseite der Grundplatine, welche mit Hilfe einer Gestellkonstruktion (s. Abb. 151) vor der großen Riemenscheibe platziert ist, um dem Opto Reflexkoppler eine Signalabnahme an den Markierungen der Riemenscheibe zu ermöglichen (s. Abb. 152). Diese Markierungen, auf der sich drehenden, metallisch glänzenden Riemenscheibe, bestehen aus einer aufgeklebten Folie mit dementsprechenden schwarzen Markierungen (s. Abb. 153 und Anhang). Diese schwarzen Markierungen verursachen eine Nicht-Reflexion der Infrarotwellen am Sensor, was in der angeschlossenen Transistorschaltung eine Spannungsversorgung der sich an der Einspritzdüse befindlichen gelben LED zur Folge hat. Diese umgekehrte Funktion der Opto Reflexkopplerschaltung wird über die Umpositionierung der gelben LED

44

in der Schaltung realisiert (siehe blauer Bereich des Schaltplans Abb. 144 und Abb. 154). Die Markierungen auf der Riemenscheibe wurden so platziert, dass die gelbe LED ein permanentes Blinken aufweist, was die benzinluftgemischbildende Funktion der Einpunkt-Einspritzung darstellen soll. Dieses Blinken wird nur in den kurzen Einspritzpausen durch fehlende Markierungen auf der Riemenscheibe unterbrochen.

Abb. 151: Grundplatinen- Abb. 152: Opto Reflexkoppler vor halterung dem großen Riemenrad

Abb. 153: Markierungen am Abb. 154: Riemenrad Schaltung der gelben LED

2.2.6.2 Fertigung

Die Platinen wurden im Institut der Technik und ihre Didaktik der Universität Münster angefertigt. Dabei wurde wie folgt vorgegangen. Die Schaltung wurde zunächst auf einem Steckbrett aufgebaut, um sie zu testen. (s. Abb. 155)

Abb. 155: Steckbrettaufbau

45

Nach Abschließen dieser Testphase wurde die Schaltung als Bestückungsplan, unter Verwendung der Zeichenoptionen des Programms Word, in Originalgröße gezeichnet(s. Abb. 156 und Anhang). Die äußere Form der Platinen ergab sich aus der Form der Schaltungen und dem Verwendungszweck, was im Falle der Platine für die Verteilerkappe zu einer runden Platine führte. Des Weiteren wurde Wert darauf gelegt die Platinen so klein wie möglich zu halten.

Abb. 156: Bestückungsplan

10k

NE 555

500 k

2k2

2k2 2k2

4k7

680R

10nF

100µF

100n

F 100n

F

470R

30

k 1k

2200µF

100k

BC 547 Rel

46

Nach dem Entfernen der gezeichneten Bauteile wurden die Zeichnungen durch ein Spiegeln in die fertigen Ätzvorlagen verwandelt und auf einer transparenten Folie ausgedruckt(s. Abb. 157 und Anhang).

Abb.157: Ätzvorlage

Leiterzüge

47

Diese Folie diente dann als Belichtungsmaske für die Platinenrohlinge. Zuerst wurde das Basismaterial der Platine vorbereitet, indem es mit Hilfe einer Hebelblechschere auf das gewünschte Maß bzw. die gewünschte Form zugeschnitten wurde (s. Abb. 158). Im nächsten Schritt wurde die Schutzfolie von der mit Fotolack beschichteten Kupferschicht entfernt (s. Abb. 159), um dann die Fotolackschicht des Basismaterials in einem Isel-UV- Belichtungsgerät mit ultravioletter Strahlung so lange zu belichten (s. Abb. 160), bis diese instabil wurde und mit Lauge entfernt werden konnte. Das geschah unter Verwendung der mit dem Ätzplan bedruckten Folie als Belichtungsmaske. Diese Belichtungsmaske diente zum Schutz für die Stellen des Fotolacks, welche die Kupferschicht später beim Ätzen schützten, um die Leiterbahnen mit ihren Lötaugen auf dem Basismaterial zu erhalten.

Abb. 158: Zuschnitt des Basismaterials Abb. 159: Entfernen der Schutzfolie

Abb. 160: Isel- UV- Belichtungsgerät

Das Ätzen in der Sprüh-Ätz-Anlage wurde in zwei Arbeitsgängen vollzogen. Dabei wurden die Platinen zuerst in ein warmes Natronlaugebad getaucht, um den vorher belichteten Fotolack abzulösen. Dieses Tauchen erfolgte so lange, bis die Umrisse der Leiterbahnen zu erkennen waren(s. Abb. 161-162).

Abb. 161: Sprüh-Ätz-Anlage Abb. 162: Natron- laugebad

48

Dann wurden die Platinen mit Wasser abgespült und anschließend im zweiten Bereich der Sprüh-Ätz-Anlage mit erwärmten Natriumpersulfat besprüht, bis sich das ungeschützte Kupfer vollständig gelöst hatte(s. Abb. 163).

Abb. 163: Besprühen mit Natriumpersulfat

Als Nächstes wurden die Platinen noch einmal mit Wasser abgespült und vorsichtig getrocknet.58 Im darauf folgendem Arbeitsschritt wurden die Lötaugen der Platinen an der Ständerbohrmaschine in den für die verschiedenen Bauteile benötigten Größen gebohrt (s. Abb. 164).

Abb. 164: Bohren der Lötaugen

Die verschiedenen Bauteile konnten dann durch die Lötaugen eingesteckt werden. Danach wurden die Beine der Bauteile auf der Rückseite der Platinen umgebogen. Diese umgebogenen Beine wurden mit einem Seitenschneider bis auf circa 2 mm an den Platinenunterseiten gekürzt, so dass dann die Bauteile mit der Unterstützung von Lötlack eingelötet werden konnten (s. Abb. 165-167).

Abb. 165: Die eingesteckten Bauteile Abb. 166: Die zu kürzenden Beine der Bauteile

58Vgl. Iselautomation, Isel-Sprüh-Ätzanlage, Eiterfeld: Iselautomation, 1999, S.8.

49

Abb. 167: Einlöten der Bauteile

Nachdem alle Bauteile auf die Platinen gelötet waren, wurden die Platinen unter Begrenzung des Stromes in ihren Funktionen getestet (s. Abb. 168).

Abb.168: Testen der Platinenfunktionen

Die Verbindung der Platinen mit den einzelnen elektrischen Bauteilen, wie dem Elektromotor, erfolgte über Kabel, wobei diese durch Eindrehen mit Hilfe einer Bohrmaschine in ihren Zugehörigkeitsverbänden strukturiert und zusätzlich mit Kabelschläuchen isoliert wurden (s. Abb. 169-171).

Abb. 169: Eindrehen der Kabel mit der Abb. 170: Eingedrehte Kabelverbände Bohrmaschine

Abb. 171: Kabelschläuche

Die Zündkerzen wurden mit blauen LED´s bestückt, indem die LED mit einem Bein in die Zündkerzenspitze eingelötet wurde und das andere Bein mit einem

50

Kabel verbunden wurde. Dieses Kabel wurde durch einen in das Zündkerzengewinde eingefrästen Spalt bis zur zentralen blauen LED in der Verteilerkappe verlegt (s. Abb.172-173).

Abb. 172: Fräsen des Zündkerzengewindes Abb. 173: Löten der LED-Verbindungen

2.2.7 Modell-Antrieb

Das Modell wird mit einem elektrischen Getriebemotor angetrieben, der sich mit einer Geschwindigkeit von 40 Umdrehungen pro Minute bei einem maximalen Drehmoment von 5 Nm dreht. Die gewünschte Drehfrequenz der Kurbelwelle des Modells von 20 Umdrehungen pro Minute wurde erreicht, indem eine keilriemengeführte Übersetzung, bestehend aus zwei Riemenscheiben, die Drehzahl herunter reguliert. Dabei hat die am Elektromotor befestigte Scheibe einen Durchmesser von 70 mm und die am Schwungrad befestigte, modellantreibende Scheibe einen Durchmesser von 140 mm (s. Abb. 173). Dadurch wird ein Übersetzungsverhältnis von 1:2 realisiert, was die Drehfrequenz des Modells auf den gewünschten Wert herunter reguliert. Die Riemenscheiben für diese Übersetzung wurden aus Aluminium an einer Drehbank angefertigt. Sie finden ihren Halt an dem Schwungrad und dem Elektromotor mit Hilfe von Schrauben. Die Kraftübertragung zwischen den beiden Riemenscheiben erfolgt über einen Keilriemen. Zum Spannen des Keilriemens dient eine schlitzförmige Spannvorrichtung in dem Gestell (s. Abb. 174-179).

Abb.173: Elektromotor Abb.174: Fertigung der Riemen- Abb.175: Riemenscheiben und Riemenscheiben scheiben mit Keilriemen

51

Abb. 176: Befestigung am Schwungrad Abb. 177: Befestigung am Elektromotor

Abb. 178: Elektromotor und Abb. 179: Spannvorrichtung für den Riemenscheibe am Gestell Elektromotor am Gestell

2.2.8 Modellgestell

Das Modell wird von einem Gestell aus 30 mm x 30 mm Vierkantrohr getragen. Dieses aus Baustahl bestehende Gestell wurde mit einem Elektroschweißgerät zusammengeschweißt und so konstruiert, dass es nicht nur ausreichenden Halt für das Motorenmodell bietet, sondern auch den modellantreibenden Elektromotor beherbergen kann, was über die bereits oben erwähnte verstellbare Halterung realisiert wurde. Auch der Taster zum Starten des Modells findet seinen Platz in einer der vorderen Abdeckkappen der Längsstreben des Gestelles. Des Weiteren findet die Grundplatine ihren Halt an einer Konstruktion, bestehend aus Gewindestangen und Plexiglas, die am Gestell befestigt ist. Weitere aus sicherheitstechnischen Gründen installierte Plexiglaselemente finden ebenso ihren Halt an dem Gestell. Das Gestell wurde Stück für Stück um das Modell herum konstruiert, um den verschiedenen Anforderungen bestmöglich gerecht zu werden (s. Abb. 180-183).

52

Abb. 180: Modell- Abb. 181: Halterung für den Elektromotor…… halterung

Abb. 182: Plexiglasschutz Abb. 183: Plexiglas- halterungen

2.2.9 Endmontage

Nach der Fertigstellung aller Einzelteile und Verbindungen wurden diese nochmals in ihrer Oberflächenqualität und Funktion überprüft und wenn nötig nachgebessert, bevor die finale Montage des Modells vollzogen wurde. Im letzten Arbeitsschritt erfolgte dann die Befestigung des gesamten Modellkonstruktes mittels adäquater Wanddübel an der Ausstellungswand im Institut der Technik und ihre Didaktik der Universität Münster, wo das Modell letztendlich seinen zukünftigen Platz neben einem erläuternden Plakat fand (s. Abb. 184).

Abb. 184: Das fertige Modell an seinem zukünftigen Platz

53

3 Schluss

Im Zuge dieser Examensarbeit entstand zum einen das Funktionsmodell eines

Otto-Viertakt-Motors, welches seinen Platz im Ausstellungsbereich des Instituts

für Technik und ihre Didaktik der Universität Münster findet und zum anderen

eine Dokumentation des Entstehungsprozesses dieses Modells. Diese

Dokumentation macht die für die Anfertigung notwendigen Arbeitsschritte

nachvollziehbar und kann somit als eine Anleitung zum Erstellen anderer Modelle

im Motorenbereich dienen.

Während des Erstellens dieser Examensarbeit bekam ich tiefe Einblicke in

Bereiche der Technik, die ich als gelernter Tischler in diesem Maße bis dahin

noch nicht gelernt hatte. Ich erhielt die Möglichkeit mich sehr intensiv mit dem

Aufbau und der Geschichte des Otto-Viertakt-Motors auseinander zusetzen und

außerdem gewann ich an Erfahrungen in der praktischen Fertigungstechnik,

speziell im Bereich Metall.

Durch das Demontieren und Montieren des Otto-Viertakt-Motors wurden mir

seine mechanischen Strukturen und Zusammenhänge noch deutlicher als zuvor in

den theoretischen Auseinandersetzungen mit diesem technischen System. Ich

halte das erstellte Funktionsmodell für einen guten Beitrag zur technischen

Bildung im Institut für Technik und ihre Didaktik. Um diesen Beitrag auch in den

Schulen leisten zu können, wo die technische Bildung immer eine wichtige Rolle

spielen wird, sollte meiner Meinung nach auch dort das Lehren am technischen

Modell neben den anderen Lehrmethoden seinen festen Platz finden.

Eine Weiterentwicklung des Modells wäre insofern möglich, dass man dem

Modell noch eine für den Betrachter geöffnete Einheit bestehend aus Kupplung

und Getriebe hinzufügt, um auch diese Komponenten eines Kraftfahrzeuges zu

verdeutlichen. Als weiteres Motorenmodell für den Ausstellungsbereich des

Instituts für Technik und ihre Didaktik würde sich meiner Meinung nach, neben

dem bereits vorhandenen Wankelmotor, noch ein Funktionsmodell eines

Zweitakt-Motors eignen, damit auch diese Motorenart in ihrer Funktionsweise den

dort verkehrenden Personen verständlich gemacht wird.

54

4 Literaturverzeichnis

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5.1 Internetquellen der Bilder

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5.2 Internetquellen des Plakates

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5.3 Internetquellen der Plakatbilder

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56

Anonymus 5. http://www.gleisbau-welt.de/grafix/bilder/motorkunde/viertaktmotor.jpg. (Zugriffsdatum 16.02.2007).

Anonymus 6. http://www.torpedo-emscher.de/wr/union/rakete/img/boxer_front.jpg. (Zugriffsdatum 16.02.2007).

Anonymus 7. http://www.7-forum.com/modelle/e32/pressestimmen/images/v12_46l.jpg. (Zugriffsdatum 16.02.2007).

Anonymus 8. http://www.edmunds.com/media/seo/500/2006.vw.golf.jpg. (Zugriffsdatum 16.02.2007).

57

6 Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Der Motor vor Beginn des Projektes

Abb. 2: Modell SJ 413

Abb. 3: Modell Samurai

Abb. 4: Schnitt durch die obere Hälfte der Ansaugseite des Zylinderblockes

Abb. 5: Schnitt durch die untere Hälfte der Ansaugseite des Zylinderblockes

Abb. 6: Schnitt durch die Wasserpumpe

Abb. 7: Schnitt durch die Ölwanne

Abb. 8: Schnitt durch die Ölwanne mit Blick auf die Ölpumpe

Abb. 9: Gefräste Öffnung im Zylinderkopf

Abb. 10: Schnitt durch das Verteilerantriebsgehäuse

Abb. 11: Schnitt durch die Zündverteilerkappe

Abb. 12: Schnitt durch den Ansaugkrümmer

Abb. 13: Schnitt durch die Einpunkt-Einspritzung

Abb. 14: Rot lackierte Schnittkanten

Abb. 15: Klar lackierte Zylinderbuchsenschnittkanten

Abb. 16: Gold lackierte Bauteile

Abb. 17: Der goldene Ölfilter

Abb. 18: Simulation der Zündung durch eine blaue LED

Abb. 19: LED in der Verteilerkappe

Abb. 20: Kraftstoffeinspritzungs-LED

Abb. 21: Steuerplatine

Abb. 22: Keilriemengeführte Übersetzung mit Elektromotor

Abb. 23: Das Gestell

58

Abb. 24: Der Taster im Gestell

Abb. 25: Der Plexiglasschutz

Abb. 26: Der Motor mit demontierten Ölfilter

Abb. 27: Lösen der Ölwannenschrauben

Abb. 28: Abnehmen der Ölwanne

Abb. 29: Ölansaugsieb

Abb. 30: Zahnriemenspannrolle

Abb. 31: Zahnriemen zur Ventilsteuerung

Abb. 32: Steuerseite des Motors ohne Zahnriemen

Abb. 33: Lösen der Zylinderkopfschrauben

Abb. 34: Zylinderblock

Abb. 35: Zylinderkopf

Abb. 36: Wasserpumpe

Abb. 37: Wasserpumpenrohr

Abb. 38: Lösen der Schraube mit Holzklotzblock

Abb. 39: Bestandteile des Kurbelwellensteuerrades

Abb. 40: Lösen der Schwungradschrauben

Abb. 41: Losschlagen des Schwungrades

Abb. 42: Lösen des steuerradseitigen Seitenflansches

Abb. 43: Steuerradseitiger Seitenflansch

Abb. 44: Öffnen der Ölpumpe

Abb. 45: Die Zahnrad-Ölpumpe

Abb. 46: Einzelteile der Zahnrad-Ölpumpe

Abb. 47: Lösen des Außenflansches

59

Abb. 48: Losschlagen des Außenflansches

Abb. 49: Schwungradseitiger Außenflansch

Abb. 50: Markieren der Kurbelwellenbauteile

Abb. 51: Lösen der Pleuellagerdeckel

Abb. 52: Pleuellagerdeckel

Abb. 53: Entnehmen der Kolben

Abb. 54: Lösen der Hauptlagerschrauben

Abb. 55: Hauptlager mit Schrauben

Abb. 56: Entnehmen der Kurbelwelle

Abb. 57: Anlaufscheiben

Abb. 58: Bauteile des Kurbelwellengehäuses

Abb. 59: Die Motorhalterungen

Abb. 60: Der rohe Zylinderblock

Abb. 61: Der Zylinderkopf

Abb. 62: Blockieren der Nockenwelle

Abb. 63: Sichern des Zylinderkopfes

Abb. 64: Lösen des Steuerrades

Abb. 65: Das Steuerrad des Zylinderkopfes

Abb. 66: Lösen der Kontermuttern

Abb. 67: Lösen der Ventileinstellschrauben

Abb. 68: Gelöste Kipphebel

Abb. 69: Lösen der Befestigungsschrauben der Kipphebelwelle

Abb. 70: Lösen des inneren Riemenschutzbleches

Abb. 71: Heraustreiben der Kipphebelwellen

60

Abb. 72: Kipphebelwelle

Abb. 73: Herausziehen der Nockenwelle

Abb. 74: Sortierung der Einzelteile

Abb. 75: Selbstgebauter Ventilheber

Abb.76: Original Ventilheber

Abb. 77: Zusammendrücken der Ventilfedern

Abb. 78: Ventilheberposition

Abb. 79: Entnahme der Ventilkegelhälften

Abb. 80: Die Ventilkegelhälften

Abb. 81: Entnahme der Ventile

Abb. 82: Sortierung der Zylinderkopfteile

Abb. 83: Ventil mit Zubehör

Abb. 84: Die Ventilschaftdichtungen

Abb. 85: Lösen der Zündkerzen

Abb. 86: Die Zündkerzen

Abb. 87: Der rohe Zylinderkopf

Abb. 88: Waschmaschinenkorb

Abb. 89: Die Industriewaschmaschine

Abb. 90: Universalkaltreinigerset

Abb. 91: Ständerbohrmaschine mit Drahtbürstenaufsatz

Abb. 92: Entfernen von Verbrennungsrückständen

Abb. 93: Zu entfernende Teile

Abb.: 94: Schnittmarkierung

Abb. 95: Winkelschleifer mit Trennscheibe

61

Abb. 96: Kleiner Winkelschleifer

Abb. 97: Die Säbelsäge

Abb. 98: Plasmaschmelzschneider

Abb. 99: Sicherung mit Schraubzwingen

Abb. 100: Schneiden mit dem Winkelschleifer

Abb. 101: Schnitt der Zylinderbuchsen

Abb. 102: Schnitt der Zylinderbuchsen

Abb. 103: Die schwer zugänglichen Zylinderbuchsen

Abb. 104: Schneiden mit dem Plasmaschneidbrenner

Abb. 105: Eine geöffnete Zylinderbuchse

Abb. 106: Der geöffnete Zylinderblock

Abb. 107: Schleifen der Schnittkanten

Abb. 108: Entgraten der Schnittkanten

Abb. 109: Leicht entzündlicher Graugussstaub

Abb. 110: Der offene Zylinderblock

Abb. 111: Die Fräsmarkierung am Zylinderkopf

Abb. 112: Fräsmarkierung von unten

Abb. 113: Fräsen des Zylinderkopfes

Abb. 114: Hinzugeben des Schneidmittels

Abb. 115: Anfasen der Schnittkanten

Abb. 116: Verfeinern der Schnittkanten

Abb.117: Die fertigen Schnitte am Motor

Abb. 118: Schnitt der Wasserpumpe

Abb. 119: Schnitt der Ölwanne

62

Abb. 120: Ansaugkrümmerschnitt an der Bügelsägemaschine

Abb. 121: Schnitt an der Metallbandsäge

Abb. 122: Schnitt der Einpunkt-Einspritzung

Abb. 123: Schnitt des Zündverteilergehäuses

Abb. 124: Sandstrahlen der Ölwanne

Abb. 125: Abgeklebter und entstaubter Motorblock

Abb. 126: Grundierter Motorblock

Abb. 127: Lackierte Einzelteile

Abb. 128: Lackierte Einzelteile

Abb. 129: Polieren der Zylinderbuchsen

Abb. 130: Das Markieren der Schnittkanten

Abb. 131: Der Zylinderkopf mit seinem Zubehör fertig lackiert

Abb. 132: Der Zylinderblock mit seinem Zubehör fertig lackiert

Abb. 133: Ölen des Nockenwellenlagers

Abb. 134: Absägen der zu langen Schrauben

Abb. 135: Nachschneiden des Gewindes

Abb. 136: Links die original Ventilfeder, rechts die eingewechselte Ventilfeder

Abb. 137: Befestigung der Einpunkt-Einspritzung

Abb. 138: Steuerseite des Motors

Abb. 139: Steuerzeichen an dem Nockenwellensteuerrad

Abb. 140: Steuerzeichen an dem Kurbelwellensteuerrad

Abb. 141: Steuerzeichen am Zündverteiler

Abb. 142: Einstellvorrichtung Zündverteiler

Abb. 143: Das zusammengebaute Modell

63

Abb. 144: Schaltplan

Abb. 145: Bewegungsmelder

Abb. 146: Halogenlampe

Abb. 147: Taster

Abb. 148: Die Zeitschaltuhr

Abb. 149: Opto Reflexkoppler Schaltung der blauen LED´s

Abb. 150: Blaue LED im Zylinder

Abb. 151: Grundplatinenhalterung

Abb. 152: Opto Reflexkoppler vor dem großen Riemenrad

Abb. 153: Markierungen am Riemenrad

Abb. 154: Schaltung der gelben LED

Abb. 155: Steckbrettaufbau

Abb. 156: Bestückungsplan

Abb.157: Ätzvorlage

Abb. 158: Zuschnitt des Basismaterials

Abb. 159: Entfernen der Schutzfolie

Abb. 160: Isel-UV-Belichtungsgerät

Abb. 161: Sprüh-Ätz-Anlage

Abb. 162: Natronlaugebad

Abb. 163: Besprühen mit Natriumpersulfat

Abb. 164: Bohren der Lötaugen

Abb. 165: Die eingesteckten Bauteile

Abb. 166: Die zu kürzenden Beine der Bauteile

Abb. 167: Einlöten der Bauteile

64

Abb.168: Testen der Platinenfunktionen

Abb. 169: Eindrehen der Kabel mit der Bohrmaschine

Abb. 170: Eingedrehte Kabelverbände

Abb. 171: Kabelschläuche

Abb. 172: Fräsen des Zündkerzengewindes

Abb. 173: Löten der LED-Verbindungen

Abb.173: Elektromotor und Riemenscheiben

Abb.174: Fertigung der Riemenscheiben

Abb.175: Riemenscheiben mit Keilriemen

Abb. 176: Befestigung am Schwungrad

Abb. 177: Befestigung am Elektromotor

Abb. 178: Elektromotor und Riemenscheibe am Gestell

Abb. 179: Spannvorrichtung für den Elektromotor am Gestell

Abb. 180: Modellhalterung

Abb. 181: Halterung für den Elektromotor

Abb. 182: Plexiglasschutz

Abb. 183: Plexiglashalterungen

Abb. 184: Das fertige Modell an seinem zukünftigen Platz

65

7 Anhang

7.1 Bestückungsplan

10k

NE 555

500 k

2k2

2k2 2k2

4k7

680R

10nF

100µF

100n

F 100n

F

470R

30

k 1k

2200µF

100k

BC 547 Rel

66

7.2 Ätzvorlage

Leiterzüge

67

7.3 Riemenscheibenmarkierungen

68

8 Schlusserklärung

„Ich versichere, dass ich die schriftliche Hausarbeit selbstständig verfasst und

keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt habe. Alle

Stellen der Arbeit, die anderen Werken dem Wortlaut oder Sinn nach entnommen

wurden, habe ich in jedem Fall unter Angabe der Quelle als Entlehnung kenntlich

gemacht. Das gleiche gilt auch für die beigegebenen Zeichnungen, Kartenskizzen

und Darstellungen.“

Münster, den 17. Februar 2007____________________________

(Philipp Kranz)