Grenzenlos einsetzbar: Aufbaubagger für einen Unimog U5000
Der Unimog, den ich in TRUCKS & Details-Ausgabe 3/2014 vorgestellt habe, hat nun eine interessante Erweiterung erhalten: einen Aufbaubagger. Das Gerät kann anstelle der Ladefläche am Modell angebaut werden. Wie bei der Ladefläche, so ist auch der Aufbaubagger durch eine doppelte Dreipunkt-Lagerung mit dem Rahmen des Unimogs verbunden.
Ein Unimog mit Aufbaubagger ist ein wahrer Alleskönner. Auf der Straße und selbst auf Autobahnen ist das Fahrzeug zügig unterwegs. Im Gelände ist der Unimog durch den Allradantrieb mit Sperrdifferenzialen, den Portalachsen mit extremer Bodenfreiheit bei großen Achsverschränkungen und den enormen Böschungswinkeln unschlagbar. Durch den Aufbaubagger wird der Unimog zu Bagger und Autokran, der zusätzlich einen Anhänger ziehen kann.
Vielseitig
Der Aufbaubagger ist mit den vier Stützen schnell einsatzbereit und steht auch im Gelände sehr stabil. Für Erdbewegungen ist er gut geeignet. Durch die langen Baggerarme in Verbindung mit einem ausfahrbaren Vorausleger kann er einen weiten Arbeitsbereich abdecken. Er kommt in tiefe Löcher und weit in die Höhe. Daher ist er auch als Kran, zum Beispiel zum Aufstellen von Masten, bestens geeignet. Die Vorteile solcher Fahrzeuge nutzen beispielsweise Energieversorger, aber auch der Kampfmittelräumdienst.
Ein Gewicht von 5 Kilogramm kann der Aufbaubagger problemlos anheben. Das ist durchaus realistisch und mit dem Original vergleichbar: Die Masse berechnet sich aus Dichte mal Volumen. Die Dichte ist materialabhängig und daher konstant. Das Volumen berechnet sich aus Länge mal Breite mal Höhe. Der Maßstab 1:8 ist in jedem Kantenmaß enthalten. Daher ist das Volumen um das acht hoch dreifache, also 512-fache, am Modell reduziert. Ein Gewicht von 5 Kilogramm entspricht also einem Gewicht von 2.560 Kilogramm am Original. Das Gerät selbst hat ein Gewicht von 18 Kilogramm. Wegen des hohen Gewichts mussten die Federn der Hinterachse beim Umbau von Ladefläche auf Aufbaubagger ausgetauscht werden.
Der Aufbaubagger ist eine autarke Einheit. Um die Ladefläche des Unimogs gegen den Baggeraufsatz auszutauschen, müssen nur zwei Kabel in der Fahrerkabine des Unimog gesteckt werden: die Hauptspannungsversorgung von 12 Volt sowie eine 6-Volt-Stromversorgung für den Empfänger. Unter der Motorhaube des Unimogs befindet sich ein Umschalter für die Fernsteuerung. Der Aufbaubagger wird mit einer eigenen Fernsteuerung bedient, die die Funktionen Baggerarm heben und senken, Vorausleger heben und senken, Vorausleger ein und ausfahren, Baggerschaufel öffnen und schließen sowie Turm drehen und Hydraulikpumpe ein- und ausschalten aktiviert. Die Komponenten der Hydraulik finden komplett auf dem Aufbaubagger Platz. Nur in der Baggerkabine herrscht ein dichtes Gedränge. Hier befinden sich die Hydraulikpumpe mit Motor und Druckbegrenzungsventil, der Ventilblock mit vier 4/3-Wegeventilen und Servos, der Empfänger, ein elektronischer Schalter zum ferngesteuerten Einschalten der Hydraulikpumpe und ein Servo mit Schaltnocken sowie Mikroschaltern zum Drehen des Turms.
Hydraulik
Wie am Original werden natürlich auch die Bewegungen des Modellbaggers hydraulisch, also mit Öldruck ausgeführt. Es ist erstaunlich, welche Kräfte die Hydraulikzylinder selbst am Modell aufbringen können und wie exakt sie sich steuern lassen. Die Komponenten der Hydraulik sind bis auf die Pumpe selbst gefertigt. Alle Teile finden auf dem Anbaubagger Platz. Hinter der Fahrerkabine des Unimog befindet sich der Tank für das Hydrauliköl, der aus Stahlblech dicht geschweißt ist. Vor- und Rücklaufleitung gehen jeweils oben in den Tank. Die Anschlussflansche für die Leitungen stehen dadurch nicht ständig im Öl und es kann kaum etwas auslaufen. An der Vorlaufleitung, die in den Tank eintaucht, befindet sich ein Filter aus Sinter-Metall, der Schmutzpartikel abhält. Die Vorlaufleitung vom Tank geht zum Sauganschluss der Hydraulikpumpe und von ihrem Druckanschluss gelangt das Öl über das Überdruckventil zum Ventilblock.
Letzterer besteht aus vier 4/3-Wegeventilen, die über je ein Servo ferngesteuert betätigt werden. Die Zylinder werden vom Ventilblock aus versorgt, von dem auch eine Druckleitung an den Rahmen des Aufbaubaggers geht, wo sich das Umschaltventil der Stützen befindet. Es ist ein handbetätigtes 4/3-Wegeventil. Am Umschaltventil wird vorgewählt, ob die Stützen ein- oder ausgefahren werden. Von hier gehen die Leitungen zu je einem Absperr-Ventilblock rechts- und links am Rahmen des Aufbaubaggers. Jeder Ventilblock besitzt je vier Absperr-Ventile. Ihre Ausgänge sind mit den Zylindern der Stützen verbunden. Die Absperr-Ventile ermöglichen es, dass die Stützen unterschiedlich weit ausgefahren werden können. Außerdem dichten sie die Leitungen zu den Stützen zuverlässig ab. Dadurch geben die Stützen auch nach längerem Baggern nicht nach.
Pumpe mit Überdruckventil
Zum Einsatz kommt eine kleine Zahnradpumpe. Angetrieben wird sie durch einen Elektromotor und kann ferngesteuert an- und ausgeschaltet werden. Am Druckanschluss der Pumpe ist ein Überdruckventil angebracht. Es begrenzt den Hydraulik-Druck in Leitungen, Ventilen sowie Zylindern und schützt damit die Komponenten vor Überlastung. Wenn der Bagger keine Bewegung ausführt, lässt das Überdruckventil das Öl in den Tank fließen. Dadurch steht ein nahezu konstanter Öldruck in der Druckleitung zur Verfügung, unabhängig davon ob Öl verbraucht wird. Das Überdruckventil schützt auch den Motor der Pumpe vor Überlastung.
Es ist recht simpel aufgebaut. Eine Bohrung mit 5-Millimeter-Durchmesser führt von der Druck- zur Tankleitung und wird durch eine Kugel verschlossen, die mit einer Feder gesichert ist. Um den gewünschten Hydraulikdruck von 25 Bar zu erhalten, kann die erforderliche Federkraft leicht berechnet werden. Die druck-beaufschlagte Fläche entspricht der der Bohrung, also 19,6 Quadratmillimeter. Multipliziert mit dem Druck, ergibt sich eine Federkraft von 49 Newton (N). Aufgrund der Berechnung wird eine Feder ausgewählt, die etwa zur Hälfte vorgespannt die berechnete Kraft aufbringt. Sie wird über eine Schraube gegen die Kugel gedrückt. An ihr kann der Öffnungsdruck des Überdruckventils verändert werden. Eingestellt wird es, indem der Baggerarm mit einem Gewicht belastet wird. Der Zylinder des Baggerarms hat einen Kolbendurchmesser von 25 Millimeter (mm). Das ergibt bei 25 Bar Druck eine Kraft von 1.227 N (das entspricht 123 Kilogramm). Über die Hebelverhältnisse am Baggerarm wird ein entsprechendes Gewicht, das vorn am Baggerarm angebracht wird, berechnet. Das Überdruckventil wird so eingestellt, dass das Gewicht gerade noch angehoben werden kann.
Ventilblock
Der Ventilblock besteht aus vier 4/3-Wegeventilen. Die Ventile sind als Kolbenschieber-Ventile ausgeführt. 4/3-Wegeventil bedeutet, dass die Ventile vier Anschlüsse haben: zwei Abgänge zum Zylinder und je einen Anschluss zur Druck- und Tankleitung. Durch den Ventilaufbau gibt es im Ventil zwei Tankleitungen, die jeweils außen am Kolbenschieber-Ventil liegen. Durch eine Längs- und Querbohrung im Ventilkolben sind die Tankanschlüsse im Ventil zusammengeführt. Wäre dies nicht der Fall, würde man es 5/3-Wegeventil nennen. Durch die gewählte Konstruktionsweise konnte das Ventil sehr kompakt gebaut werden, was angesichts der vollgestopften Baggerkabine vorteilhaft ist.
Die 3 bedeutet, dass die Ventile drei Stellungen haben: 1. Mittelstellung geschlossen: Das Öl beider Zylinderanschlüsse ist versiegelt, der Zylinder bewegt sich nicht. Dadurch lassen sich auch Zwischenstellungen anfahren. 2. Zylinder ausfahren: Der Kolbenschieber wird durch ein Servo bewegt, wodurch die Druckleitung mit einem und die Tankleitung mit dem anderen Zylinderanschluss verbunden wird. 3. Zylinder einfahren: Druck- und Tankleitung werden jeweils mit den anderen Zylinderanschlüssen verbunden. Für die Funktion der Ventile ist es wichtig, dass die Kolben exakt in die Bohrungen des Ventilblocks passen. Wenige Mikrometer entscheiden über die Dichtheit der Ventile. Speziell am Modell ist die Dichtheit der Kolbenschieber-Ventile entscheidend, da es nicht wie am Original möglich ist, entsperrbare Rückschlagventile direkt am Zylinder anzubringen. Letztere stellen sicher, dass das Öl auch über längere Zeit im Zylinder bleibt und sich die Baggerarme im Stillstand nicht eigenständig absenken können. Der Baggerarm des Modells senkt sich bei Stillstand langsam ab. Dies geht allerdings so gemächlich, dass sich damit noch gut arbeiten lässt. Die Ventilkolben wurden auf einer Drehmaschine hegestellt. Nacheinander werden die einzelnen Dichtflächen in einer Aufspannung exakt auf Maß gebracht, sodass sich der Kolben mit etwas Kraft in den Ventilblock fügen lässt. Anschließend werden die Dichtflächen in einer Ständerbohrmaschine mit Nassschleifpapier nachgearbeitet, bis sich der Kolben spielfrei mit geringer Kraft im Ventilblock verschieben lässt.
Zylinder
Die Hydraulikzylinder sind auch nach einigen Baggereinsätzen noch erstaunlich dicht. Als Zylinderrohr wird ein nahtloses Hydraulikrohr verwendet. Der Kolben besitzt zur Abdichtung einen O-Ring. Genauso wie die Kolbenstange, die aus Silberstahl besteht. Um hier die Dichtung zu garantieren, habe ich die Kolbenstange mit Nassschleifpapier bearbeitet. Zylinderboden und -führungsgehäuse sind durch eine Übermaß-Passung mit dem Zylinderrohr verpresst. Da der Baggerarm konstant eine große Last zu tragen hat, fährt er durch die Last schneller nach unten als nach oben. Die Fahrt nach unten musste also gedrosselt werden. Dazu habe ich in der Leitung des unteren Zylinderanschlusses ein Rückschlag-Ventil montiert. Darin ist eine Kugel verbaut, die in einer Richtung gegen eine Bohrung drückt. Durch die Bohrung gibt es eine Schraube, an der die Kugel anschlägt. Durch Verdrehen der Schraube kann der Querschnitt zwischen Bohrung, Kugel und Schraube verändert werden. Dadurch lässt sich die Absenkgeschwindigkeit des Baggerarms verändern.
Als Schläuche werden Polyamidrohre eingesetzt. Sie sind geeignet, dem Druck von 25 Bar standzuhalten. Der erforderliche Biege-Radius der Rohre konnte am Modell jedoch an vielen Stellen nicht eingehalten werden. Um das Knicken der Leitungen zu verhindern, sind an engen Stellen in den Rohren teilweise kleinere Rohre eingeschoben. Die Schlauchnippel an Zylindern und Ventilen sind gedreht und mit einer Übermaßpassung eingepresst. An einigen Stellen sind Metallhülsen über Rohre und Nippel geschoben. Diese garantieren eine gute Dichtheit, selbst wenn Schläuche direkt nach dem Nippel gebogen sind. Durch die gewählte Konstruktion sind die Schlauchanschlüsse sehr kompakt.
Grundrahmen mit Stützen
Basis für den Aufbaubagger ist ein stabiler, geschweißter Grundrahmen, der den Turm über die Stützen sicher am Boden hält. Über den Rahmen müssen die Kräfte stabil und möglichst ohne Verformungen auf die Stützen übertragen werden. Er ist über eine doppelte Dreipunkt-Lagerung am Rahmen des Unimogs befestigt. Das erlaubt dem Rahmen des Fahrzeugs, sich im Gegensatz zum Aufbaubagger im Gelände zu verformen. Die hinteren Stützen lassen sich um je 90 Grad zur Vertikalen schwenken und können über eine Schraube in einem Raster von 15 Grad arretiert werden. Über einen Hydraulikzylinder werden die Stützen ein- und ausgefahren. Die schwarzen Stützfüße sind aus 1 mm dickem Stahlblech gefertigt. Wenn der Unimog fährt, werden die Füße abgenommen und am Rahmen verstaut. Die hinteren Stützen werden zusätzlich durch ein Drahtseil fixiert.
Die vorderen Stützen werden von Hand quer zum Fahrzeug ausgefahren. Das Führungsprofil wird in einer geschweißten Blechkonstruktion geführt. Zwischen ihr und dem Führungsprofil ist ein Spalt von zirka 1 mm. Der Spalt ist mit dünnflüssigem Epoxidharz ausgegossen. So wird sichergestellt, dass das Führungsprofil spielfrei ist. Die senkrechten vorderen Stützen werden durch einen innenliegenden Hydraulikzylinder ein- und ausgefahren. Das senkrechte Vierkant-Profil der Stützen ist ebenfalls mit Epoxidharz ausgegossen.
Turm
Der Turm ist eine stabile Schweißkonstruktion. Er dient zur Aufnahme des Baggerarms. Über ein Rillenkugellager von 100 x 80 x 10 mm ist der Turm auf dem Rahmen gelagert. Direkt darüber befindet sich ein Zahnrad-Modul mit 104 Zähnen, in das eine zweifach kugelgelagerte Welle mit einem kleinen Zahnrad greift. Am anderen Ende der Welle befindet sich ein Kegelrad. Waagerecht unter dem Rahmen, am Heck des Aufbaubaggers, ist ein Getriebemotor mit einem Kegelrad angebracht, welches auf der Welle kämmt. Das Getriebe hat leider etwas Verdrehspiel, sodass der Turm bei Belastung ein bisschen wackelt. Der Turm kann ferngesteuert gedreht werden. Dazu befindet sich in der Fahrerkabine ein Servo mit Schaltnocken und vier Mikroschaltern. Dreht das Servo in die eine Richtung, betätigt der Nocken zwei Mikroschalter und der Turm dreht sich. Selbes gilt für die andere Seite.
Der Turm sollte durchdrehend gemacht werden. Der Platz dafür wäre vorhanden. Momentan lässt sich der Turm um die 360 Grad in beide Richtungen drehen. Das große Zahnrad dafür habe ich auf einer alten Waagrechtfräsmaschine durch Wälzfräsen hergestellt. Dazu wurde ein Winkelgetriebe zwischen Fräserspindel und Fräser eingebaut. Der freie Abgang des Winkelgetriebes treibt über Wechselräder einer Drehmaschine ein Getriebe an, an dem das Werkstück gelagert ist. Das Werkstück dreht sich dadurch gleichförmig, entsprechend der Zähnezahl des Zahnrads, und zudem langsamer als der Fräser. Der Fräser muss entsprechend dem Steigungswinkel des Fräsers leicht geneigt zur Vorschubrichtung des Werkstücks gestellt werden. Eine Balgkupplung zwischen Winkelgetriebe und Fräser erlaubt diese Neigung.
Baggerarm
Der Baggerarm ist, wie viele andere Teile des Aufbaubaggers, aus lasergeschnittenen Blechen entstanden, die miteinander verschweißt sind. Innen sind Querrippen eingebaut. Durch den verrippten, geschlossenen Querschnitt ist der Baggerarm sehr biege- und torsionssteif. Unterstützt wird dies durch eine eingeschweißte, stabile Hülse, die der Lagerung des Baggerarms am Turm, durch eine 8 mm dicke Edelstahlwelle dient. Der Grundkörper des Auslegers besteht aus lasergeschnittenen Blechen. Der ausziehbare Ausleger ist ein Rechteckrohr aus rostfreiem Stahl. Der Spalt zwischen Ausleger und Rohr ist mit Epoxidharz ausgegossen, wodurch das Ganze spielfrei wird.
Die Baggerschaufel ist als Zweischalen-Greifer ausgebildet. Jede Baggerschale wird durch einen eigenen Hydraulikzylinder angetrieben. Damit sie gleichzeitig auf- und zugeht, ist auf den Wellen, an denen die Schalen gelagert sind, je ein Viertel-Zahnrad untergebracht. Die Schalen sind aus 2 mm dickem Stahlblech geschweißt. Da ich keine Möglichkeit zum Rundbiegen habe, besteht das gebogene Außenblech aus einem Stück Ofenrohr. Die Wellen an den Schalen mit den Mitnehmern für die Hydraulikzylinder und den Lagerstellen der Schalen sind aus einem Stück gefertigt. Dazu drehte ich Rundmaterial auf der Drehmaschine vor. Im Teilapparat habe ich auf der Fräsmaschine die Bohrungen zur Lagerung der Zylinder und der Schalen gebohrt. Anschließend wurden Einstiche auf der Drehmaschine eingebracht. Die endgültige Kontur ist durch Feilen hergestellt worden. Durch Schweißen ist die Welle mit den Schalen verbunden. Die Aufhängung der Baggerschaufel ist so konstruiert, dass darin ein Kleinstgetriebe-Motor und eine Drehdurchführung untergebracht werden können. Bisher bin ich leider nicht dazu gekommen, die aufwändigen Teile zu fertigen.
Die Entwicklung und Anfertigung des Modells war eine enorme Herausforderung. Einige Komponenten, speziell die Hydraulikventile, haben ein paar Anläufe gebraucht, bis brauchbare Teile entstanden sind. Umso mehr freut es mich, das am Schluss alles so schön funktioniert.