Mechanik

In den meisten Montierungen, die kommerziell am Markt erhältlich sind, findet man hauptsächlich Kegelrollenlager und Rillenkugellager in den unterschiedlichsten Variationen und Kombinationen (selten Nadellager, z. B. Losmandy) – selbst bei teuren Montierungen. Es ist auch verständlich, dass kommerziell solche Lager verbaut werden. Denn sie sind relativ preiswert und tun bei guter Anordnung und passgenauer Montage und Qualität ihren Dienst. Diese Lager haben aber – mal abgesehen von Nadellagern – einen Nachteil: Der Wellendurchmesser ist im Verhältnis zum Außendurchmesser bauartbedingt eher gering. Das bedeutet, dass man recht massive Montierungen bei verhältnismäßig geringem Wellendurchmesser erhält. Beispiel: Ein Standard-Kegelrollenlager mit ca. 90 mm Außendurchmesser hat einen Wellendurchmesser von maximal 55 mm. Das Gleiche gilt für Rillenkugellager. Nadellager schneiden in diesem Punkt besser ab, jedoch müssen bei Verwendung solcher Lager im Montierungsbau die Wellen zusätzlich axial gelagert werden. Die Kosten für diese Lager belaufen sich pro Stück auf ca. 60 bis 80 Euro. Benötigt werden bei Verwendung solcher Lager mindestens zwei Stück pro Achse. Aber es gibt Alternativen.

Ich wollte eine kleine, leichte und dennoch tragfähige Montierung bauen. Immerhin wollte ich mindestens einen 10-Zoll-Newton mit ca. 13 kg sicher und fotografisch betreiben. Ich weiß, für manche klingt das nach nicht viel – 13 kg. Aber mit einer „kleinen“ Montierung? Bei der Recherche nach passenden Lagern war ich zunächst den so häufig verwendeten Kegelrollen- und Rillenkugellagern erlegen. Aber mir passte das Verhältnis Wellen- zu Außendurchmesser nicht. Ich wollte einen gelagerten Wellendurchmesser von ca. 75 mm realisieren und einen Außendurchmesser der Montierung von maximal 100 mm. Unter diesen Kriterien fielen sämtliche Lager konsequent durch. Also recherchierte ich weiter und fand diese Vierpunktlager oder auch „Drahtwälzlager“, wie sie bei der Firma Franke GmbH heißen.

Diese Lager sind im eigentlichen Sinn keine Lager, sondern Lagerelemente. Sie bestehen aus zwei inneren und zwei äußeren geschliffenen Laufringen und einem Kunststoffband mit den Kugeln (Abb. 1). Das Element wird also direkt in die Konstruktion integriert (in Gehäuse und Welle). Bei meiner Montierung habe ich mich für Lagerelemente LEL mit einem Kugelkreisdurchmesser von 75 mm entschieden. Die Berechnungen der Fa. Franke ergaben folgende Belastungswerte – statisch axial: 14.670 N; statisch radial: 6.903 N; Kippmoment: 259 Nm. Das bedeutet, dass die maximale Kippbelastung 26,4 kg bei einer Hebellänge von einem Meter betragen darf. Die am meisten durch Kippmoment belastete Achse einer Deutschen Montierung ist die Stundenachse, da hier im Gegensatz zur Deklinationsachse keine Gegengewichte angebracht werden. Bei meiner Selbstbaumontierung beträgt die Länge des „internen Hebels“ (Distanz Stundenachslager zum Schwerpunkt der Nutzlast) 85 mm. Das bedeutet eine theoretische Belastbarkeit von ca. 155 kg ohne Gegengewichte (Rechnung: 26,4 kg/0,085 m/2 = 155,3 kg), wenn man die Montierung mit Polhöhe 0°, also am Erdäquator, einnorden muss. Diese Daten sind beruhigend.

Als eine frühere Version hatte ich im Jahr 2008 eine Montierung mit einem solchen Lagerelement nur in der Stundenachse gebaut, Grundwerkstoff war Aluminium. An dieser gab es aber einige Schwächen, die Bauteile wie Schneckengetriebene und Schneckenlagerung betrafen. Zum Beispiel waren dort Schneckengetriebe einer Vixen GP verbaut. Diese sind zwar recht genau, jedoch nicht groß belastbar. Hier musste unbedingt eine andere Lösung her. Ziel waren Schneckenräder aus Bronze mit 144 Zähnen, Modul 0,7 (Durchmesser dann ca. 102 mm) und die Schnecken sollten aus Edelstahl sein. Die Verwendung der Vierpunktlager stand jedoch außer Frage. Da ein Umbau der bestehenden Montierung nicht in Betracht kam, nahm ich im Juni 2011 eine komplette Neukonstruktion in Angriff, wobei der Grundansatz des Aufbaus annähernd gleich geblieben ist: eine Polhöhenwiege mit zwei stabilen, geschlossenen Seitenteilen und darauf aufbauend das eigentliche Achsenkreuz. Hauptschwerpunkte bei der Konstruktion waren: die sinnvollste Positionierung der Lagerelemente sowie Schneckenräder in nächster Nähe zum Lager bei möglichst kurzen Hebellängen zum Massenschwerpunkt. Und die Montierung sollte klein und leicht werden. Es war mir von vornherein klar, dass die Montierung nicht der theoretisch berechneten Belastung von 155 kg Teleskopgewicht standhalten wird. Aber 20 bis 30 kg sollten es schon sein. Hier kann man sich streiten, ob es sinnvoll ist, mit einer kleinen, leichten Montierung große Teleskoplasten befördern zu wollen. Ich persönlich stehe aus
Erfahrung jedoch nicht auf dem Standpunkt „groß + schwer = stabil“.

Die Abbildung 2 zeigt zunächst die komplett fertige Konstruktion der Montierung als Übersicht, die Abbildung 3 zeigt eine Explosionsdarstellung mit allen Teilen (ohne Schrauben). Grundmaterial ist wieder Alu. Ursprünglich wollte ich mit der Stundenachslagerung so nah wie möglich an den Schwerpunkt der Nutzlast, der sich ja im Schnittpunkt Stunden-/Deklinationsachse befindet. Also positionierte ich diese zunächst über der „Grundplatte RA“. Aber dann wäre mir das Schneckenrad zu weit vom Lager entfernt gewesen, da ich für dieses samt Antrieb über der Grundplatte keinen Platz mehr hatte. Also verlagerte ich das Ganze im Design unter die Grundplatte mit dem Ergebnis, dass das Lager 85 mm vom Schwerpunkt der Nutzlast entfernt ist. Diesen internen Hebel von 85 mm vom Lager zum Schwerpunkt nahm ich, nach den hier zuvor dargelegten Berechnungen, in Kauf. Dafür gewann ich eine Distanz vom Lager zum Schneckenrad von gerade mal 16 mm. Das Gleiche gilt für die Deklinationsachse, auch hier ist das Schneckenrad nur 16 mm vom Lager entfernt. Wie aber integriert man nun ein solches Vierpunktlager praxisnah in die Konstruktion?

Eigentlich ist das vom Prinzip her sehr einfach, wenn auch bei der Umsetzung aufwändig. Dieser Aufwand scheint mir auch der Grund zu sein, warum bei Selbstbauten von der Verwendung solcher Lager Abstand genommen wird und auch, warum solche Lager in kommerziellen Montierungen nicht zu finden sind. Denn die Lagerelemente müssen exakt eingepasst werden, damit sie das halten, was sie versprechen.

In der Konstruktion wird zunächst die Position der Lager festgelegt. Dann wird entschieden, welches Bauteil geteilt ausgeführt werden muss, um das Lager überhaupt montieren zu können. Bei mir waren es bei allen Ausführungen die äußeren Lagerschalen. Das sind die Bauteile, die die äußeren Laufringe des Lagerelements aufnehmen. Die Abbildung 4 zeigt den grundsätzlichen Aufbau der Lagerung der RA-Welle (Stundenachswelle). Zu sehen ist die „Grundplatte RA“, an der mittels sechs Schrauben M6 die beiden äußeren Lagerschalen befestigt werden, eine obere und eine untere. Beide Lagerschalen bilden das sog. äußere „Drahtbett“. Die Trennfläche der beiden Lagerschalen ist die spätere „Abstimmfläche“. Das gesamte Drahtbett hat bei den verwendeten Lagerelementen eine Höhe x Breite von 5,9 x 5,9 mm (s. a. Abb. 5). Die RA-Welle ist ungeteilt ausgeführt und hat einen Durchmesser von 74,50 mm. Am Außendurchmesser der RA-Welle befndet sich dann das innere Drahtbett mit Höhe 5,9 mm und Durchmesser 69,1 mm (Kugelkreisdurchmesser -5,9 mm). Dies muss so genau wie möglich und ohne Umspannen genau auf Maß gefertigt werden. Die Lagerschalen müssen ebenfalls sehr genau gefertigt werden, besonders der Durchmesser des Drahtbettes: 80,9 mm (Kugelkreisdurchmesser +5,9 mm). Die Abstimmflächen und das gesamte Drahtbett sollten ebenfalls ohne Umspannung gefertigt werden. Für eine Lagerschale wird die Höhe des Drahtbettes genau auf Maß gefertigt: 2,95 mm (5,9 mm/2). Die zweite Lagerschale erhält in der Höhe für das Drahtbett ein Übermaß von ca. +0,10 mm. Beide Lagerschalen erhalten einen „Index“ (eine Markierung), damit sie bei der Montage immer gleich, und nicht verdreht, montiert werden. Wenn die Teile fertig sind, wird das Ganze mit dem Lagerelement zusammengebaut und das Spiel geprüft. Zu erwarten ist, dass es ein Spiel gibt. Wenn dies der Fall ist, wird die Lagerschale mit Übermaß bearbeitet, indem die Höhe des Drahtbettes durch Materialentnahme von der Abstimmfläche verringert wird. Dazu muss diese Lagerschale wieder peinlichst genau auf einem Schleiftisch oder einer Drehbank ausgerichtet werden. Referenz ist die Abstimmfläche. Hier sind Messuhren unbedingt erforderlich. Je nachdem wie groß das Spiel beim ersten Test ausgefallen ist, wird nun von der Abstimmfläche (Abb. 5) Material abgenommen und somit das Spiel des Lagers verringert. Hierbei muss mit äußerster Sorgfalt vorgegangen werden, da – wenn zu viel Material entnommen wird – das Lager beim nächsten Zusammenbau klemmen könnte. Abhilfe schafft in diesem Fall nur eine Neufertigung der Lagerschale oder der Einsatz von dünnen Abstimmplättchen, die zwischen die Lagerschalen positioniert werden können – wenn die Laufringe beim Zusammenbau nicht beschädigt wurden!
Auf diese Art kann es sein, dass man das Lager dreimal und öfter zusammenbaut und prüft. Die Abstimmung des Lagers kann also einige Zeit in Anspruch nehmen. Aber dieser Aufwand lohnt sich.

Das Design für die Montierung stand Juni 2012 fest und war so gut wie endgültig. Daraufhin bestellte ich ein zweites Lagerelement LEL bei der Fa. Franke GmbH. Eines hatte ich ja schon, das war aber in meiner ersten Selbstbaumontierung verbaut, die nun zerlegt werden musste. Die Schneckenräder und Schnecken gab es, so wie ich sie benötigte, nicht vom Band. Also nahm ich Kontakt zur Fa. Kremp Wetzlar auf und fragte dort die Verzahnung von Rohlingen an, die ich selbst fertigen konnte. Die positive Rückmeldung veranlasste mich dann zu weiteren Materialbestellungen und die Fertigung konnte im Juli 2012 starten. (Anm. d. Red.: im Folgenden stehen „RA“ für die Stundenachse und „DE“ für die Deklinationsachse der Montierung.)

Zunächst wurden die Grundplatte RA, die Lagerschalen und die RA-Welle gefertigt. Danach die Welle in RA für die Grobverstellung und der „RA-Kopf“ – dort wird später das DE-Gehäuse aufgeschraubt (Abb. 6 u. 7). Die Gesamthöhe der RA-Sektion beträgt im Zusammenbau 91 mm, der Durchmesser des RA-Kopfes 100 mm. Das Lager wurde bei diesem Fertigungsstand aber noch nicht zu 100 % eingestellt, das kommt später, wenn die Montierung fast fertig ist. Die Welle für die Grobverstellung RA ist aus Messing, gleitend in der RA-Welle gelagert und in zusammengebautem Zustand mit dem RA-Kopf verschraubt.

Weiter ging es mit der DE-Sektion. Hier wurden nicht – wie in RA – zwei äußere Lagerschalen gebaut, sondern nur eine. Das Drahtbett für den zweiten Laufring wurde in das DE-Gehäuse integriert (Abb. 8). Zur Einstellung des Lagerspiels wurde die Abstimmfläche der Lagerschale bearbeitet. Die Welle für die Grobverstellung DE besteht aus Alu, die gleitend in zwei Messingbuchsen gelagert ist, welche sich in der DE-Welle befinden. Die Abbildung 9 zeigt den Zusammenbau der DE-Sektion, auch hier noch ohne Schneckenrad. Der Durchmesser beträgt 100 mm, die Länge über alles ca. 161 mm. Hier ist das Lagerspiel schon eingestellt. Die Vorgehensweise zur Einstellung des Spiels schildere ich weiter unten im Verlauf dieses Berichtes an der RA-Achse.

Als Nächstes mussten die Rohlinge für die Schneckengetriebe gefertigt werden. Die Verzahnung sollte Modul 0,7 sein und die Zähnezahl der Schneckenräder 144, da ich die Motoren und GOTO-Steuerung einer SynScan EQ5 verwenden wollte. Den notwendigen Durchmesser der Rohlinge kann man zwar berechnen, ich fragte aber zur Sicherheit noch mal bei Herrn Kremp nach. Wie sich herausstellte, war das eine gute Idee. Mir wurde der Rat gegeben, die Rohlinge mit einem Aufmaß von 0,15 mm im Durchmesser zu fertigen. Des Weiteren schlug mir Herr Kremp vor (Fa. Kremp, Wetzlar) die Schneckenräder doch besser jeweils komplett auf der Welle montiert zu verzahnen, um einen besseren Rundlauf zu erhalten. Das waren natürlich wertvolle Hinweise, die ich gerne entgegennahm. Also machte ich mich an die Arbeit und fertigte die Rohlinge. Die Abbildung 10 zeigt die Rohlinge der Räder aus Bronze komplett auf der jeweiligen Welle montiert, so wie sie verzahnt werden sollten. Die Abbildung 11 zeigt die beiden Schneckenrohlinge, Stand September 2012.

Nach einer eineinhalbjährigen Pause, Ende März 2014, konnte dann die Verzahnung in Auftrag gegeben und die Montierung weitergebaut werden. Es fehlten noch die Polhöhenwiege, Schnecken- und Motorlager; das DE-Gehäuse war auch noch nicht ganz fertig. Und vor allem musste das Lagerspiel der RA-Achse noch eingestellt werden. Die Wellen waren jetzt jedoch erst einmal zum Verzahnen unterwegs. Aber es gab ja genug zu tun, bis diese wieder zurückkommen würden.

Zunächst wurde die Polhöhenwiege gefertigt, dann ging es an die finale Bearbeitung des DE-Gehäuses. Als das fertig war, konnte man sich die Montierung das erste Mal halbwegs komplett ansehen, um einen Gesamteindruck zu bekommen. Die Abbildung 12 zeigt die Montierung, im Hintergrund liegt ein 6-Zoll-f/6-Newton. Am 15. Mai 2014 kamen die sehnlichst erwarteten Schneckengetriebe zurück. Auf den ersten Blick sahen die Schnecken und Schneckenräder sehr gut aus. Ich habe die Montierung testweise zusammengebaut (Abb. 13) und konnte nun auch das Lagerspiel der RA-Achse prüfen. Da gab es natürlich ein leichtes Spiel. Die Montierung wurde wieder zerlegt und von der Abstimmfläche der unteren Lagerschale wurden ca. 0,05 mm abgenommen. Dann wurde das Lager wieder zusammengebaut und erneut geprüft.

Mit dem Prüfen des Spiels ist das so eine Sache. Ich hatte keine ausreichenden Vorrichtungen, um das Spiel objektiv zu messen, sondern musste es erfühlen. Beim Abstimmen der Lagerschale musste ich mich dann herantasten. Die Lagerschale der RA-Achse habe ich zweimal abstimmen müssen (jeweils um ca. 0,05 mm), bis ich mit dem Spiel zufrieden war.

Weiter ging es mit der Fertigung der Schnecken- und Motorlager. Die Schnecken sind radial mit je zwei Rillenkugellagern versehen, die sich in entsprechenden justierbaren Lagerböcken befinden. Axial laufen die Schnecken gegen Anlaufscheiben und Einstellbuchsen aus Messing mit Außengewinde M12 x 0,5. Mit diesem feinen Gewinde kann man das axiale Spiel der Schnecken sehr schön einstellen. Dann kamen noch Kleinigkeiten wie Achsklemmungen, Verkleidungen etc.

Am 23. Mai 2014 war es dann endlich so weit: Die Montierung steht auf der Säule und trägt meinen 10-Zoll-Newton mit einem Eigengewicht von ca. 13 kg und 8 kg Gegengewichten (Abb. 14). Das Gewicht der Montierung selbst beträgt ca. 10 kg. Natürlich wackelte ich vorsichtig an dem Setup herum und war selbst überrascht, wie stabil das Ganze war. Eigentlich wackelte gar nichts. Dann prüfte ich, ob die Antriebe ihren Sinn erfüllen. Dazu wurde die Montierung zunächst vorsichtig mit den Richtungstasten der Handbox bewegt, erst langsam, dann immer schneller, bis ich bei GOTO-Geschwindigkeit war. Als auch das alles in Ordnung war, beschloss ich den Newton per GOTO auf Regulus zu richten. Dazu musste die Montierung das Fernrohr jeweils ca. 90° um die RA- und DE-Achse in GOTO-Geschwindigkeit bewegen. Ich gab die passenden Parameter ein und los ging’s. Anstandslos brachte die Montierung das Teleskop in Position. Das bedeutet: Test 1 bestanden. Seitdem heißt die Montierung „α Leonis“.

Der Sommer 2014 war wetterbedingt leider nicht besonders geeignet, um Astronomie zu betreiben. Obwohl es schon erste Nachführtests gab, die vielversprechend waren, musste ich bis zum 21. September 2014 warten, bis die α Leonis das erste Mal zeigen durfte, was sie zunächst mit einem kleinen ED80 kann. Als fotografisches Objekt wählte ich Barnard 142/143 aus, zwei benachbarte Dunkelnebel, auch bekannt als „Barnards E“ im Adler. Finale Rohbilder konnte ich am 26. September 2014 sammeln. Das Ergebnis ist in der Abbildung 15 zusehen. Die Nachführung durch den 60 mm/238 mm-Sucher via PHD und ALCCD5 war mit einer Abweichung von ca. 2 Bogensekunden mehr als zufriedenstellend. Demnächst werden größere Teleskope zum Einsatz kommen.

Fazit
Die Verwendung von Vierpunktlagern hat Vor- und Nachteile. Die Vorteile liegen klar auf der Hand und überwiegen nach meiner Auffassung die Nachteile bei Weitem, die lediglich im Arbeitsaufwand und in den etwas höheren Anforderungen an die Präzision bei der Fertigung liegen. Die Lagerelemente sind nicht „besser“ als andere Lager oder -kombinationen. Erfahrungsgemäß kann ich sagen, dass die Lagerelemente in Alu verbaut sehr „tolerant“ sind, auch wenn man beim Abstimmen etwas zu viel Material abgenommen hat, da Alu relativ weich ist. In den Technischen Informationen der Fa. Franke GmbH, die auf deren Webseite kostenlos erhältlich sind, wird wegen Setzverhalten sogar eine Vorspannung empfohlen. Aber man sollte es natürlich nicht übertreiben. Ich kann jedem ambitionierten Selbstbauer nur Mut machen, die Verwendung solcher Lager in Betracht zu ziehen.

Danksagung
Der größte Dank gehört meiner lieben Frau. Ohne ihr Verständnis wäre das Projekt nicht umsetzbar gewesen. Mein Dank gilt weiter der Firma Franke GmbH für die freundliche Beratung und die Berechnungen der Lager. Mein Dank gilt nicht zuletzt der Firma Kremp, Wetzlar, für die freundliche Beratung und die sehr gute Arbeit.

Autor: Matthias Muttersbach

Abb. 1: Das Lagerelement LEL. Oben links zwei äußere, oben rechts zwei innere
geschliffene Laufringe. Unten das Kunststoffband mit 31 Kugeln.

Abb. 2: Die fertige Konstruktion der Montierung, so wie sie gebaut werden soll.

Abb. 3: Eine  Explosionsansicht der Montierung mit allen Bauteilen (ohne Schrauben)

Abb. 4: Lagerung der Stundenachswelle (RA-Welle)

Abb. 5: Detaillierte Ansicht der Lagerung in Stunde

Abb. 6: Von links nach rechts: RA-Kopf, RA-Welle mit Drahtbett, Grundplatte RA, obere, untere Lagerschale, Grobverstellung RA (aus Messing, gleitend in der RA-Welle gelagert). (RA bezieht sich auf die Stundenachse)

Abb. 7: RA-Achse (Stundenachse) zusammengebaut, noch ohne Schneckenrad

Abb. 8: Von links nach rechts: DE-Kopf, Lagerschale, DE-Welle mit Drahtbett, DE-Gehäuse, Grobverstellung DE (aus Alu, gleitend in Messingbuchsen in der DE-Welle gelagert) mit Abschlussplatte. (DE bezieht sich auf die Deklinationsachse)

Abb. 9: DE-Achse (Deklinationsachse) zusammengebaut, noch ohne Schneckenrad

Abb. 10: Die Rohlinge der Schneckenräder aus Bronze komplett auf der jeweiligen Welle montiert (links DE-, rechts RA-Welle). Die Räder wurden so auf den Wellen montiert verzahnt.

Abb. 11: Die Schneckenrohlinge aus Edelstahl

Abb. 12: Die Montierung halbwegs zusammengebaut, im Hintergrund liegt ein 6-Zoll-f/6-Newton als Größenvergleich

Abb. 13: Montierung testweise zusammengebaut, ohne Schneckenlagerungen und ohne Verkleidungen

Abb. 14: Die fertige Montierung trägt meinen 10-Zoll-Newton mit einem Gewicht von ca. 13 kg plus 8 kg Gegengewichte. Die Montierung selbst wiegt ca. 10 kg und heißt jetzt „α leonis“

Abb. 15: Barnard 142/143 vom 26.09.2014 durch ED80 auf α leonis. Nachführung durch Sucher 60 mm/238 mm, PHD und ALCCD5; Abweichung: ca. 2 Bogensekunden