Ein halbwegs einfaches Zentralschloss für Modellbahnen: Material und Konstruktionselemente

Nachdem ich im letzten Posting die grundlegenden Prinzipien des Schlosses gezeigt habe, kommen hier einige Vorschläge zu Material und Herstellung sowie einige interessante nicht ganz so offensichtliche Konstruktionsteile.

Material

Als Material sehe ich für fast alle Teile Acrylglas mit 4mm Stärke vor, das sich sehr einfach bearbeiten lässt. Nach meinen Versuchen sind auch die schmalsten Schlüsselzacken mit ca. 2mm Breite stabil genug, wenn man die Schlüssel nicht mit Gewalt dreht.

Statt des Acrylglases kann man auch andere Materialien verwenden, etwa Aluminium oder sogar Stahl – die Konstruktion hängt nicht von diesem Material ab.

• Aluminium hat allerdings den Nachteil, dass es weich ist und sich leicht verbiegt. Zumindest die Schlüssel und Prüfprofile sind daher wahrscheinlich unstabiler als jene aus Acrylglas.
• Stahl ist natürlich der echte Werkstoff für Sicherungsanlagen. Allerdings muss man mit seiner Bearbeitung vertraut sein. Auch würde man manche Teile aus Stahl ein wenig anders konstruieren, vor allem wenn man voraussetzen würde, dass eine Drehmaschine zur Verfügung steht – was ich nicht tue.
• Interessant ist auch eine Mischbauweise: untenliegende Schieber, Schlüssel und Prüfprofile aus Stahl, obenliegende Schieber und insbesondere die Deckplatte aber aus Acrylglas – dann kann man Uneingeweihten die Funktion des Zentralschlosses demonstrieren!

In der folgenden Beschreibung gehe ich weiterhin von Acrylglas aus, das praktisch für alle Anwendungsfälle ausreichen sollte (wenn nicht jemand auf die Idee kommt, seine Gartenbahn mit solchen Schlössern auszurüsten und erwartet, dass sie sich auch noch nach der jährlichen Frühlingsüberschwemmung mit Gewalt umsperren lassen – in diesem Fall sollte man doch eine Ausführung aus Stahl ins Auge fassen ...)

Die Grundplatte kann eine 12mm-Sperrholzplatte sein – aber vermutlich ist auch irgendeine beschichtete Spanplatte ok.

Dann braucht man noch Schrauben. An den Acrylglas-Teilen sehe ich versenkte M3-Schrauben vor – versenkt deswegen, damit die unteren Weichenschieber keine zusätzliche Auflage brauchen, die wieder Arbeit mit sich bringt. Zur Befestigung einiger Acrylglas-Teilen auf festen Holzteilen sollen 15mm lange und 30mm lange Spax-Schrauben dienen.

Zuletzt ist an einigen Stellen der Konstruktion ein Alu-Profilrohr mit 6mm Außendurchmesser erforderlich.

Alle diese Materialien sollte man für wenig Geld in jedem Baumarkt bekommen.

Überblick und Konstruktionszeichnungen

Die Konstruktion hat als Grundlage einen Raster von 36mm. Die Schieber sind 30mm breit. Als Führung der Schieber dienen unten 8mm-Holzdübel, die mit einem Stechbeitel so abgeflacht werden, dass die Schieber mit möglichst wenig Spiel dazwischen gleiten; der Grund für diese Konstruktion ist, dass damit Ungenauigkeiten bei der Schieberbreite abgefangen werden (meine Schieber wurden auf der Kreissäge etwas weniger als 29,5mm breit – nun ja). Am anderen Ende wird jeder Schieber bis zum ersten Rasterloch aufgeschlitzt und durch eine Schraube in der Grundplatte geführt.

Der Schieberweg beträgt 12mm. Die Zacken der Schlüssel und Prüfprofile haben 3mm Abstand, was bei einer Sägeschlitzbreite von bis zu 1mm zu mindestens 2mm breiten Zacken führt. Das Befestigungsloch der Prüfprofile ist unten, also asymmetrisch angebracht, damit ihre Ausrichtung klar ist.

Die folgenden Links gehen auf meine aktuellen PDF-Dateien der Konstruktion im Maßstab 1:1.

• Zentralschloss--Schluessel+Schloss.pdf
• Zentralschloss--Schieber.pdf
• Zentralschloss--Bohrlehren.pdf
• Zentralschloss--Saegelehren.pdf

Einige besondere Konstruktionselemente

Die Zwangsführung des Schiebers

Zwangsführung von Konstruktionsteilen ist ein Kennzeichen sicherungstechnischer Mechanik. Mechanische Sicherungsanlagen ziehen ja sozusagen „mechanische Folgerungen“: Wenn das Teil X (etwa ein Hebel) in dieser Position ist, dann kann man sicher sein, dass das Teil Y (etwa eine Weichenzunge) in jener Position ist und daher z.B. sicher befahren werden kann. Eine Möglichkeit, solche Wenn-Dann-Beziehungen mechanisch sicherzustellen, ist, dass die Teile X und Y sich gegenseitig zwangsführen: Wenn sich X auf eine bestimmte Art bewegt, dann bewegt sich Y garantiert auf eine bestimmte andere Art.

Das grundlegende Konzept solcher Zwangsführungen ist der sogenannte Formschluss: Dabei wird im Gegensatz zum Kraftschluss sichergestellt, dass ein (nahezu) unverformbares Teil eben durch seine Form die Form eines anderen Teils zu einer Bewegung zwingt. Der Unterschied ist an den zwei einfachsten Getriebeformen schön sichtbar:

• Beim Zahnradgetriebe treibt ein Rad das andere an, indem die Formen der Zähne sich verschränken. Das angetriebene Rad „kann nicht aus“, es muss den Zähnen folgen. Nur durch Bruch eines Zahnes oder eine Welle kann die Zwangsführung aufgehoben werden – das muss man durch entsprechende Dimensionierung der Teile verhindern.
• Beim Riemengetriebe erfolgt die Übertragung der Bewegung durch die Reibung zwischen Riemen und Rädern. Wenn der Riemen sich ein wenig lockert (etwa durch Alterung), nimmt die Reibungskraft ab – einen Zwang der Kraftübertragung gibt es nicht.

(Auf einer physikalischen Ebene sind Formschluss und Kraftschluss nicht unterscheidbar – auch die Teile eines Körpers werden durch Kräfte zusammengehalten. Aber im praktischen Maschinenbau bleibt die Unterscheidung wesentlich).

Ich zeige hier kurz die Entwicklung der Zwangsführung eines Schiebers durch einen Schlüssel – nicht nur meine Modellkonstruktion, sondern auch echte Schlüsselwerke verwenden eine solche Führung.

Wir beginnen mit einer „Abstraktion“: Wir stellen uns vor, unser Schlüssel hätte Dicke null. Der Querschnitt des Schlüssels ist also ein ganz dünner Schaft, an dem ein ganz dünnes Blättchen als Bart befestigt ist. Hier sieht man diesen Schlüssel von vorne, also entlang des Schaftes (der dadurch nur als „dicker Punkt“ sichtbar ist):

In den Schieber schneiden wir zuerst einen rechteckigen Ausschnitt, und wir wollen, dass der Schlüssel am Beginn des Umsperrens zuerst im Schieber „nach unten“ steht, am Schluss der Bewegung „nach oben“:

Wir beginnen nun mit der Konstruktion der Bewegung.

Wie in einem Schloss üblich, soll sich der Schlüssel zuerst „leer“ bewegen, d.h., er soll den Schieber nicht mitnehmen.

• Der erste Grund dafür ist, dass in einem richtigen Schloss hier zuerst die „Zuhaltung“ entriegelt werden muss, die den Schieber (oder Riegel) festhält.
• Der zweite Grund dafür ist, dass Ungenauigkeiten in der Anfangsstellung des Schlüssels möglich sein müssen: In einem kleineren Bereich um die Ausgangsstellung müssen alle Schlüsselpositionen auf dieselbe Schieberposition stoßen.
• Der dritte und eigentlich allein ausschlaggebende Grund ist aber die Distanz der Bewegung: Wie man am vorherigen Bild sieht, bewegt sich die Spitze des Schlüsselbarts von unten nach oben um zwei Bartlängen (von unterhalb des Schafts nach oberhalb des Schafts), der Schieber aber nur um eine Bartlänge. Wenn also die Bartspitze den Schieber bewegt, muss sie irgendwo unterwegs einen Leerlauf von der Differenz zwischen diesen beiden Distanzen, also einer ganzen Bartlänge haben.

Wir beginnen also die Bewegung mit einem Kreis um den Schaft. Wegen der Forderung der Zwangsführung muss auch der Ausschnitt im Schieber diesem Kreis folgen – sonst würde sich ja der Bart des Schlüssels vom Schieber entfernen, und der Schieber könnte ein Stück „auf- und abwackeln“:

Ich hoffe, es ist offensichtlich, dass hier der Schieber zwangsgeführt (oder eher „zwangsfestgelegt“) ist: Nach oben kann er sich nicht bewegen, weil die untere, kreisförmige Kante des Ausschnitts in jeder Schlüsselstellung an den Schlüsselbart anläuft. Nach unten geht es nicht weiter, weil die obere Kante des Ausschnitts am Schlüsselschaft ansteht.

Weil dieselbe Bewegung auch symmetrisch erfolgen soll, wenn wir den Schlüssel wieder zurücksperren, erweitern wir den Ausschnitt auch oben kreisförmig:

Wie weit verlängern wir diesen kreisförmigen Ausschnitt? „Auf Verdacht“ gehen wir einmal bis zum Schnittpunkt der zwei Kreise (es wird sich später herausstellen, dass das die einzig mögliche Wahl ist – aber das wissen wir noch nicht). Unser Schlüssel kann sich dann bis in die gezeigte Position begeben – aber dann „steht er an“, „klemmt“, kann nicht weiter:

Was tun wir? Wir geben ihm ein wenig Raum, in den Schieber „hineinzustechen“. Dann kann er – was ja Sinn der ganzen Sache ist! – den Schieber mitnehmen und nach oben schieben:

Die minimale Form dieses Zusatzausschnitts, sodass die Bartspitze exakt dessen Rand folgt, führt zu interessanten mathematischen Problemen, die uns hier aber wirklich nicht interessieren. Die nötige Tiefe des Zusatzausschnitts kann man sich aber leicht überlegen: Wir haben ja nach der üblichen Konstruktion ein gleichseitiges Dreieck konstruiert. Dessen Höhe ist die Wurzel aus 3/4 mal der Seitenlänge (Pythagoras!), also ca. 0,866 mal der Seitenlänge. Die Tiefe des Zusatzausschnitts muss also 13,4% oder etwa ein Siebtel der Bartlänge betragen. Wegen der Zwangsführung muss der „Eingangsschlitz“ des Zusatzausschnitts so schmal wie möglich sein, sodass der Bart gerade noch durchgeht – dann nimmt er bei seiner Drehung den Schieber präzise, also zwangsgeführt mit.

Nimmt er ihn aber weit genug mit? – oder womöglich zu wenig weit? Tatsächlich ist die Antwort weder–noch: Die Distanz passt genau!

Das kann man sich so überlegen: Der Drehwinkel des Bartes, bis er in den Schieber „einkuppelt“, ist 60°, wegen des oben erwähnten gleichseitigen Dreiecks. Auch der Winkel vom Verlassen des Schiebers bis zur Endposition ist symmetrisch dazu 60°. Daher bleibt dazwischen ebenfalls ein Winkel von 60°, und die zwei am folgenden Bild gezeichneten Positionen des Bartes bilden wieder ein gleichseitiges Dreieck, sodass die Bartspitzen bei Eintreten und Verlassen des Zusatzausschnitts genau um eine Bartlänge auseinanderliegen. So weit wird also der Schieber gehoben – aber das ist genau die Höhe des großen Ausschnitts, wie man am ersten Schieberbild sieht!

Theoretisch ist das Problem der Zwangsführung des Schiebers durch einen Schlüssel damit gelöst! Allerdings: Der Bart lässt in Wirklichkeit nicht papierdünn herstellen, sondern von einer gewissen Stärke, und dasselbe gilt für den Schaft. Also muss die Konstruktion noch „realistischer“ werden.

Unser nächstes Modell eines Schlüssels hat daher einen Schaft mit einer größeren Dicke, und auch das vordere Ende des Bartes stellen wir uns als Kreis (oder eigentlich als Zylinder) vor. Der Rest des Barts bleibt noch papierdünn:

Damit der Schlüsselschaft in den Ausschnitt des Schiebers passt, müssen wir dessen oberen und unteren Rand verschieben, und zwar jeweils um den Radius des Schaftes. Beim oberen Rand ist das offensichtlich, der untere Rand wird sich bei der umgesperrten Stellung von unten an den Schaft anlegen und muss daher auch um dessen Radius vom Drehpunkt entfernt sein. Die Bartlänge, gemessen vom Schaft weg, bleibt aber gleich wie vorher:

Den Zusatzausschnitt für das „Einkuppeln“ können wir einfach als Rechteck ausschneiden, in dem sich der „Bartspitzenkreis“ beim Umsperren etwas hin- und herbewegt. Wie tief das Rechteck sein muss, kann man leicht herausfinden, indem man den Kreisbogen der Bartspitze aufzeichnet und daran eine senkrechte Tangente zieht. Theoretisch erreicht diese Konstruktion allerdings keine vollständige Zwangsführung mehr (das merkt man aber nur bei einer sehr detaillierten Untersuchung). In der Praxis ist das zusätzliche Spiel des Schiebers aber kleiner als das sowieso nötige Spiel, damit die ganze Konstruktion leichtgängig arbeitet:

Damit sind wir fast fertig – wir müssen uns nur noch überlegen, was die Verdickung des ganzes Bartes für Konsequenzen hat:

Im vorherigen Diagramm sieht man, dass jene Stelle der Bartspitze, wo der „dicke Bart“ beginnt, gar nicht (oder vielleicht in der Mitte der Drehung ein ganz wenig) mit dem Rechteckausschnitt in Berührung kommt. Daher ist für die Kinematik des Ablaufs egal, ob der Bart dick oder dünn ist. Und damit können wir unsere Konstruktion endgültig so belassen! Als Zusammenfassung noch einmal die Bewegungsabläufe beim Umsperren von unten nach oben:

• Im ersten Drittel der Bewegung des Schlüssels steht der Ausschnitt im Schieber oben am Schlüsselschaft an, unten bewegt sich der Bart genau entlang der Ausschnittkante. Daher kann sich der Schieber weder nach oben noch nach unten verschieben.
• Im zweiten Drittel der Bewegung kuppelt die Bartspitze in den Rechteckausschnitt ein und nimmt den Schieber mit. Da die Bartspitze fast exakt in den Rechteckausschnitt passt, wird auch hier der Schieber zwangsläufig mitbewegt.
• Das letzte Drittel spielt sich genau umgekehrt wie das erste Drittel ab – der Schieber bleibt daher auch hier in seiner Stellung festgelegt.

Und beim Umsperren von oben nach unten passiert das alles einfach in der umgekehrten Reihenfolge.
Eine Animation dieser Konstruktion ist im vorherigen Posting zu sehen.

In meiner Konstruktion habe ich den Rechteckausschnitt allerdings durch einen ungefähren Halbkreis ersetzt (die Hälfte eines gebohrten Loches), was sich leichter fertigen lässt und noch immer genau genug ist, um den Schieber zu bewegen.

Kreuzende Schieber

Die Weichen- und die Fahrstraßenschieber müssen sich natürlich in verschiedenen Ebenen kreuzen. In meiner Konstruktion liegen die Fahrstraßenschieber oben (der Grund dafür ist, dass im Weichenschloss nur Weichenschieber vorkommen und ich dort keine zusätzliche Komplexität einführen wollte). Man könnte dafür entweder die Fahrstraßenschieber samt ihren Schlössern in einer anderen Ebene aufbauen; oder diese Schieber müssen „gekröpft“, also in einer Art S-Kurve gebogen werden.

Damit die Schlösser alle gleich aufgebaut werden, folge ich dem Prinzip der Kröpfung. Allerdings sehe ich einfach vor, dass die Fahrstraßenschieber durchgeschnitten und der oben liegende eigentliche Schieber mit einer Zwischenlage auf den unteren, der vom Schlüssel bewegt wird, aufgeschraubt wird.

Einreihenschlüsselwerk, besondere Fahrstraßenausschlüsse

Vielleicht gefällt dem einen oder anderen die österreichische Anordnung mit der senkrechten Reihe von Fahrstraßenschlössern nicht. Dann soll es möglich sein, diese Schlösser ebenfalls unten neben den Weichenschlössern anzubringen und über eine Umlenkung einen waagrechten Fahrstraßenschieber zu bewegen. Dazu wird ein schräger Schlitz in den Fahrstraßenschieber geschnitten; der Weichenschieber erhält eine Schraube an einer besonderen Position, und ein Aluröhrchen dient der Verringerung der Reibung. Hier ist eine entsprechende Konstruktionszeichnung:

• Zentralschloss--Umlenkung.pdf

Eine gleichartige Konstruktion wird bei Blockschiebern im Einheitsstellwerk und im Rankapparat verwendet. Als Alternative könnte man wie im deutschen Einreihenschlüsselwerk auch einen Winkelhebel einbauen – das sollte mit einem kleinen Acrylplättchen auch nicht viel schwieriger sein...

Das Rastermaß von 36mm habe ich so bemessen, dass man den österreichischen „Schlosszickzack“ auch durch eine „deutsche“ waagrechte Reihe von Schlüssellöchern ersetzen kann. Es wird dann ein wenig eng mit den Schlüsseln, aber da sie ja senkrecht stehen und zu einem Zeitpunkt immer nur einer umgesperrt wird, sollte sich das auch ausgehen.

Das Patent mit der Umlenkung kann man auch verwenden, wenn es nötig ist, sogenannte besondere Fahrstraßenausschlüsse herzustellen, die sich nicht aus der Position der Weichen ergeben. In Österreich werden solche Ausschlüsse in der Regel erst am Signalstellwerk hergestellt, d.h. man kann die zwei feindlichen Fahrstraßenschlüssel entnehmen, aber nicht beide entsprechenden Signale freistellen. Da sind die Ansichten (und Vorschriften) aber verschieden ...


Hier mache ich einmal Pause mit den Konstruktionselementen. Im nächsten Posting werde ich auf die Anbindung von Weichen (und, in einer Zeile, Signalen) sowie auf das allgemeine Baukonzept eingehen. Und außerdem sieht man dort Fotos des Prototyps und einiger Lehren für den Bau.

Ein halbwegs einfaches Zentralschloss für Modellbahnen: Schlüssel und Schloss

Im letzten Posting habe ich einen Überblick über die Funktion von Zentralschlössern (oder Schlüsselwerken) gegeben und überlegt, ob man mit käuflichen Schlössern so etwas nachbauen kann. Kann man nicht, war meine Entscheidung, und deshalb folgt hier ein Konstruktionsvorschlag von Grund auf.

Ein einfacher Schlosstyp

Ich schlage ein Schloss vor, das Schlüssel von tosischer Form verwendet, allerdings damit nicht mehrere Zuhaltungen bewegt, sondern die Form nur zur Prüfung an einem Prüfprofil verwendet. Hier ist eine Zeichnung eines solchen Schlüssels und seines Prüfprofils:

Der Schlüssel kann sich nur drehen, wenn alle Zacken durch das Prüfprofil „schlüpfen“.

Die Anzahl der sich gegenseitig ausschließenden Schlüsselformen reduziert sich durch diese einfache Prüfung des korrekten Schlüssels gegenüber einem echten tosischen Schloss allerdings drastisch: Denn alle Schlüssel, die keine längere Zacke haben, passen nun ebenfalls in dieses Schloss – im folgenden Bild sind die zwei roten Zacken gekürzt, das Prüfprofil ist das gleiche:

Ich habe eine Zeitlang herumgerechnet und denke, dass für modellbahnerische Zwecke eine Bauart mit 30 verschiedenen Schlüsselformen ausreicht – das lässt sich mit 5 Zacken und 3 Zackenlängen erreichen. Die Liste der 30 Schlüsselformen gebe ich später an.

Eine Zuhaltung wie bei richtigen Schlössern sehe ich nicht vor: Der vom Schlüssel bewegte Schieber ist das einzige bewegte Element. Wie wird er aber ohne Zuhaltung in seinen Endpositionen festgehalten?

• In der „unteren“ Position, in der der Schlüssel frei entnommen werden kann, hält ihn nur eine Feder fest. Er soll aber beim Entsperren durch den Schlüssel zwangsläufig in diese Position bewegt werden, sodass die Feder nur als zusätzliches Sicherungselement dient. Das ist eine sicherungstechnisch zulässige Konstruktion, die z.B. auch beim Gruppenverschluss des deutschen Einheitsstellwerks oder beim Neutralschieber der österreichischen Bauart 5007 eingesetzt wird.
• In der „oberen“ Position, wo der Schlüssel im Schloss eingesperrt ist, soll dieser den Schieber mit seinem Bart in der korrekten Position halten. Die Feder belastet dabei den Schlüssel zusätzlich, sodass er durch die erhöhte Reibung nicht „einfach so“ sich verdreht (was sicherheitstechnisch kein Problem wäre, aber unschön).

Es ist vermutlich einfacher, an einer Animation zu zeigen, wie der Vorschlag für das Schloss funktioniert:

Das hellblaue Rechteck ist das (von oben gesehene) Prüfprofil, das den Schlüsselbart prüft. Die Befestigung dieses Prüfprofils und auch des unteren Federendes erfolgt an einem kleinen Holzblock, der auch ein Teil der Schieberführung ist.

Schlüsselformen und Prüfprofile

Die dreißig Schlüsselformen haben jeweils fünf Zacken mit drei möglichen Längen:

• 0 = kurz
• 1 = mittel
• 2 = lang

Der Bart eines Schlüssels lässt sich daher in einer fünfstelligen Zahl zusammenfassen. Z.B. hat der oben gezeigte Schlüssel den Bart 12100, nämlich die Zackenlängen mittel-lang-mittel-kurz-kurz.

Wir müssen nun eine Liste von Kombinationen finden, wo jede Kombination an irgendeiner Stelle „länger“ ist als alle anderen Kombinationen: Denn dann wird jeder Schlüssel in jedem „fremden“ Schloss am Prüfprofil an dieser Stelle anstoßen und daher nicht umgesperrt werden können. Hier sind dreißig Kombinationen, die diese Eigenschaft haben (ich habe sie mit etwas Nachdenken und einem kleinen Programm zur Überprüfung mehr oder weniger erraten). Als Abkürzung habe ich jeder Form einen einzelnen Buchstaben gegeben – zusammen mit ä, ö, ü und ß haben wir im Deutschen ja genau 30 Buchstaben:

Kürzel	Bartform	Kürzel	Bartform	Kürzel	Bartform
a	00112	k	02101	u	11200
b	00121	l	02110	v	12001
c	00211	m	10012	w	12010
d	01012	n	10021	x	12100
e	01021	o	10102	y	20011
f	01102	p	10120	z	20101
g	01120	q	10201	ä	20110
h	01201	r	10210	ö	21001
i	01210	s	11002	ü	21010
j	02011	t	11020	ß	21100

Unser 12100-Schlüssel oben ist also ein x-Schlüssel.

Das Prüfprofil, als Gegenstück zum Schlüssel, hat einen Bart, bei dem gegenüber dem Schlüssel jeweils kurz mit lang vertauscht ist. So ist das Prüfprofil für einen x-Schlüssel (12100) von der Form 10122.

Die Summe von zueinanderpassendem Schlüsselbart und Prüfprofil ergibt immer 22222, daher kann man das Prüfprofil zu einem Schlüssel als 22222 – Bartprofil berechnen.

Gruppenschlösser

Durch „schwächere“ Prüfprofile kann man Schlösser herstellen, die von mehreren Schlüsseln gesperrt werden können. Eine mögliche Anwendung solcher „Gruppenschlösser“ erkläre ich später. Das Prüfprofil 00000 z.B. würde alle 30 Schlüssel zulassen – was in der Praxis aber natürlich unsinnig wäre. Hier sind einige mögliche Prüfprofile, die genau 2, 3 oder 6 Schlüsselformen zulassen:

Passende Schlüssel	Prüfprofil	Passende Schlüssel	Prüfprofil	Passende Schlüssel	Prüfprofil
ac	22010	amo	12110	amoyzä	02110
dj	20210	bnp	12101	ejntvw	10201
fk	20120	cqr	12011
gl	20102	jvw	10211
my	02210	yöü	01211
oz	02120
pä	02102
sö	01220
tü	01202
uß	01022

Eine Anmerkung: Auch die real eingesetzten Schlüssel lassen prinzipiell solche „Gruppenschlösser“ zu: Bei den tosischen Schlössern muss eine Zuhaltung den Riegel in mehreren Stellungen passieren lassen (oder ganz entfallen). Bei den Bartschlössern kann durch das Entfallen von Reifblechen eine Gruppe von 6 Schlüsseln dasselbe Schloss sperren. Ich weiß allerdings nicht, ob solche Schlösser in der Realität eingesetzt werden (und ich bezweifle es, ehrlich gesagt).

Noch eine Anmerkung: Gruppenschlösser realisieren ein „mechanisches logisches Oder“ – ein solches Schloss kann aufgesperrt werden, wenn eine Bedingung A oder eine Bedingung B gilt. Dasselbe Problem tritt auch in mechanischen Stellwerken auf, und man stellt dabei fest, dass sicherungstechnisch akzeptable Lösungen nicht leicht zu konstruieren sind. Realisierte Lösungen dafür sind u.a. der „Neutralschieber“ der österreichischen Regelbauart 5007 und der „Gruppenverschluss“ des deutschen Einheitsstellwerks.

Im nächsten Posting werde ich mich der Gesamtkonstruktion, den Baumaterialien sowie einigen speziellen Konstruktionsteilen widmen.

Ein halbwegs einfaches Schlüsselwerk oder Zentralschloss für Modellbahnen

Eine Diskussion im Modellbahn-Anlagen-Design-Forum hat mich etwas auf Abwege gebracht, indem sie mich angeregt hat, über die Konstruktion eines mechanischen Schlüsselwerks (in Österreich Zentralschloss genannt) nachzudenken – nicht für die große Eisenbahn, sondern für Modellbahnen, aber mit möglichst vorbildnaher Funktion und auch Sicherheit. Hier sieht man zwei echte Zentralschlösser aus früheren Postings von mir – zuerst ein ganz großes, dann ein kleines:

Zentralschloss, Ober Grafendorf, 21.9.1986

Zentralschloss für Zwischenweichen in Gleis M2, Weichenposten, Leopoldau, 31.8.1981

Eine ganze Reihe weiterer Bilder von Zentralschlössern kann man in diesem Blog finden, wenn man rechts im Suchfeld nach "Zentralschloss" sucht.

In ein paar Postings stelle ich meine bisherigen Überlegungen und Bauversuche zu einem „Hobby-Zentralschloss“ vor. Da ich selber keine Modellbahn besitze, hat das teilweise den Charme von „Trockenschwimmen“, aber vielleicht fühlt sich ja jemand ermutigt (oder herausgefordert), sowas (ähnliches) für seine Modellbahn zu bauen! Aber auch unabhängig davon sind vielleicht für den einen oder anderen die Grundlagen interessant, wie man sicherungstechnische Anlagen konstruiert und projektiert. Hier ist ein Bild des Prototyps, den ich zusammengebaut habe, sowie ein Video mit der Bedienung (das Signalschloss bzw. der Signalhebel fehlt – da verschwindet der Signalschlüssel „irgendwohin“ und kommt dann wieder zurück):

Ich bleibe im Folgenden bei den in Österreich üblichen Ausdrücken; und verwende meistens auch die in Österreich üblichen Bezeichnungskonventionen für Gleise, Signale und Weichen. Kein Bezeichnungsverfahren ist ja landesweit einheitlich, auch nicht in Deutschland – so ist zwar im Westen Deutschlands die fortlaufende Nummerierung von Bahnhofsgleisen vom Empfangsgebäude aus üblich, im Osten aber die auch sonst verbreitete Nummerierung mit ungeraden Nummern auf der einen Seite, geraden auf der anderen. Analoges gilt für Weichen- und Signalbezeichnungen und vieles andere.

Die Bezeichnungen „Fahrstraßenschlüssel“ und „Signalschlüssel“ bedeuten bei mir dasselbe – ich verwende einmal die eine, dann die andere. Das ist nicht ganz sauber, reicht aber für mein Vorhaben.

Eine letzte Vorbemerkung: Eisenbahnsicherungsanlagen sind ein Hobby von mir, aber kein Beruf – Unstimmigkeiten zur Wirklichkeit kann's also geben (gerne nehme ich Korrekturen von Wissenden entgegen!). Andererseits habe ich mich doch schon etwas länger mit einigen Grundlagen des Themas beschäftigt, sodass meine Darstellung – glaube ich – die wesentlichen und wichtigen Aspekte erklärt.

1. Grundlegende Funktion eines Zentralschlosses
   
2. Wie viele Schlösser braucht man?
   
3. Was haben wir da eigentlich vor?
   
4. Echte Weichenschlösser ...
   
5. Kann man käuflich erwerbbare Schlösser verwenden?
   

Grundlegende Funktion eines Zentralschlosses

Hier ist ein Überblick, wie ein Zentralschloss üblicherweise eingesetzt wird (es gibt auch andere Verwendungsmöglichkeiten):

Über das Zentralschloss werden Signale von (i.d.R. ortsbedienten) Weichen abhängig gemacht – oder anders gesagt: Jedes Signal "verschließt", wenn es auf.Frei steht, die Weichen, die es deckt. "Verschließen" heißt dabei einfach, dass diese Weichen garantiert nicht umgestellt werden können.

Praktisch funktioniert das für eine Zugsfahrt so:

1. Der Stellwerker (oder Fahrdienstleiter) stellt vor Ort die Weichen in die richtige Stellung für die Zugsfahrt und sperrt dann an jeder Weiche ein Schloss um, wonach er den entsprechenden Schlüssel aus dem Schloss nimmt. Damit ist die Weiche in ihrer Stellung "verschlossen" und kann nicht mehr gestellt werden.
2. Mit den Schlüsseln marschiert er zum Zentralschloss (der linke Pfeil oben) und sperrt sie dort ein.
3. Jetzt (erst) kann er rechts im  Zentralschloss einen Signalschlüssel umdrehen und entnehmen (der mittlere Pfeil).
4. Mit diesem Signalschlüssel geht er (rechter Pfeil) schlussendlich zur Hebelbank oder einem elektrischen Schalterwerk und stellt dort nach oder durch Umsperren des Schlüssels das Signal auf Frei.
5. Nach der Zugfahrt spielt sich der ganze Vorgang in umgekehrter Richtung ab: Signal auf Halt, Signalschlüssel raus und ins Zentralschloss eingesperrt, daraufhin Weichenschlüssel rausgesperrt und damit zu den Weichen marschiert, dort die Schlösser wieder aufgesperrt – und die Weichen sind wieder frei stellbar, und der Verschub kann weitergehen ...

Damit dieses Zusammenspiel der Schlösser aber auch tatsächlich eine sichere Signalabhängigkeit erzeugt, müssen zumindest folgende Bedingungen eingehalten werden:

a) Aus einer Weiche darf ein Schlüssel nur entnommen werden können, wenn die Weiche dadurch in einer definierten Stellung festgehalten wird.

• Das ist anders als bei üblichen Tür-, Safe- usw. -Schlössern: Dort kann der Schlüssel in beiden Stellungen (offen oder geschlossen) entnommen werden und kann daher nicht als Nachweis dienen, dass die Tür in einer bestimmten Stellung steht! (Ich habe aber noch ein paar „Kindersicherungsschlösser“ von IKEA herumliegen, die genauso wie Schlösser an Sicherungsanlagen funktionieren: Der Schlüssel kann nur in einer der beiden Stellungen entnommen werden.)

b) Aus dem Zentralschloss darf ein Fahrstraßenschlüssel nur entnommen werden können, wenn alle Weichen in der passenden Stellung sind (und, je nach Zentralschloss-Typ, kein Schlüssel einer feindlichen Fahrstraße entnommen ist – darauf gehe ich später noch ein).

c) Umgekehrt darf ein Weichenschlüssel aus dem Zentralschloss nur entnommen werden können, wenn kein Fahrstraßenschlüssel entnommen ist, der diese Weiche in einer bestimmten Stellung benötigt.

d) Für alle Schlösser müssen verschiedene Schlüssel verwendet werden.

• ... was die IKEA-Schlösser disqualifiziert: Sie haben alle dieselbe Schlüsselform.

Die zwei Forderungen b) und c) werden in Zentralschlössern über eine einfache Mechanik erfüllt, die so aussieht:

Der Schieber W wird dabei vom Weichenschlüssel verschoben, F vom Signal- oder Fahrstraßenschlüssel.

• In der gezeigten Stellung ist der Weichenschlüssel nicht im Zentralschloss (er ist in der Weiche; oder auf dem Weg von ihr oder zu ihr). Der Bolzen auf dem Weichenschieber verhindert, dass der Fahrstraßenschieber F bewegt wird. Das zugehörige Schloss verhindert in dieser Stellung die Entnahme des Fahrstraßenschlüssels.
• Wenn der Weichenschlüssel „umgesperrt“ wird, bewegt sich der Schieber W nach vorne. Dadurch verlässt der Bolzen den Schlitz im Fahrstraßenschieber F, und dieser kann sich frei bewegen. Dadurch kann nun der Fahrstraßenschlüssel umgesperrt und entnommen werden, damit ein Signal freigestellt werden kann.
• Durch den nun verschobenen Schlitz in F kann der Bolzen auf W sich nicht mehr nach oben bewegen. Dadurch ist der Weichenschieber festgelegt, der Weichenschlüssel kann nicht mehr entnommen werden, und die Weiche muss in der gesperrten Stellung bleiben – das ist die berühmte Signalabhängigkeit.

Die Bedingungen b) und c) sind mit dieser Mechanik also zur Hälfte erfüllt, und diese Konstruktion ist auch ziemlich einfach nachzubauen (z.B. zwei Flacheisen, als Bolzen eine Schraube).

Die andere Hälfte von b) und c), nämlich dass eine Schlüsselentnahme nur in einer Schieberstellung möglich ist, muss durch die Schlösser erreicht werden. Dort muss auch zusätzlich die Bedingung d) erfüllt werden, nämlich dass ein bestimmter Schlüssel nur passende Schlösser sperren darf. Das ergibt eine gewisse Mindestkomplexität der Schlösser.

Wie viele Schlösser braucht man?

Man braucht ziemlich viele Schlösser, wie man am folgenden Beispiel sieht: Hier ist ein kleiner Bahnhof mit drei Hauptgleisen und einem Ladegleis dargestellt (ähnliche Gleisanlagen, allerdings mit Ausfahrsignalen, hatten Gurten und Pram-Haag in Oberösterreich). Der Bahnhof hat nur Einfahrsignale, bei den Ausfahrten müssen die Weichen nur richtig gestellt sein (was da genau nötig ist, hängt von den Vorschriften dieser Eisenbahn ab):

Folgende Zugfahrstraßen sind auf diesem Bahnhof möglich:

1. a1 = Einfahrt auf Gleis 1 auf Signal A (einflügelig)
2. a2 = Einfahrt auf Gleis 2 auf Signal A (zweiflügelig)
3. a3 = Einfahrt auf Gleis 3 auf Signal A (2-fl.)
4. h1 = Ausfahrt aus Gleis 1 (ohne Signal)
5. h2 = Ausfahrt aus Gleis 2 (ohne Signal)
6. h3 = Ausfahrt aus Gleis 3 (ohne Signal)
7. r1 = Ausfahrt aus Gleis 1 (ohne Signal)
8. r2 = Ausfahrt aus Gleis 2 (ohne Signal)
9. r3 = Ausfahrt aus Gleis 3 (ohne Signal)
10. z1 = Einfahrt auf Gleis 1 auf Signal Z (1-fl.)
11. z2 = Einfahrt auf Gleis 2 auf Signal Z (2-fl.)
12. z3 = Einfahrt auf Gleis 3 auf Signal Z (2-fl.)

Wie viele Schlösser und Schlüssel braucht dieser kleine Bahnhof zur Sicherung der Zugfahrten? Hier ist ein Überblick:

Dabei habe ich für das Zentralschloss die (von mir so genannte) „Zweirichtungsprojektierung“ verwendet, die etwas weniger Schlösser als die üblichere „Einrichtungsprojektierung“ benötigt – mehr dazu später. In Summe sind für die Sicherungsanlage

• 9 Schlösser in der Außenanlage
• 15 Schlösser am Zentralschloss
• 4 Schlösser am Signalwerk

nötig, also insgesamt 28 Schlösser, davon ca. die Hälfte nicht am Zentralschloss!

An Schlüsseln braucht man für diese kleine Anlage 15 Stück – bitte selber durchzählen!

Mögliche Erweiterungen dieser Anlage sind u.a.:

• Ein Gleissperrschuh am Gleis 5 würde noch zwei weitere Schlösser und einen Schlüssel für die Folgeabhängigkeit erfordern – das würde man auf einer Modellbahn wohl nicht mehr realisieren.
• Eine Ergänzung um Gruppenausfahrsignale H2-3 und R2-3 auf den Hauptgleisen (wie z.B. in Gurten bis in die 1990er) erfordert vier weitere Schlösser (H 1-flügelig, H 2-flügelig sowie R 1- flügelig und R 2- flügelig, aber keine weiteren Schlüssel.
• Beim Aufstellen von einzelnen Ausfahrsignalen wird es aufwendig: Dann sind nämlich zumindest für die Ausfahrten auf den Gleisen 2 und 3 getrennte Schlüssel nötig, also brauchen wir nun 10 statt 6 Fahrstraßenschlösser am Zentralschloss. Zusammen mit den sechs Hebelschlössern sind also 10 zusätzliche Schlösser und 6 weitere Schlüssel notwendig. Bei einer so aufwendigen Signalisierung wird allerdings kaum noch ein Zentralschloss Verwendung finden, sondern ein vollwertiges mechanisches Stellwerk mit fernbedienten Weichen aufgestellt werden.

Was haben wir da eigentlich vor?

Wenn wir beim Beispielbahnhof aus dem letzten Abschnitt bleiben, wollen wir im Zentralschloss ca. 15 Schlösser mit Schiebern verbinden, weitere 9 Schlösser für das Sperren von Weichen verwenden und schließlich 4 Schlösser mit unser Signalstellwerk einbauen. Das alles soll eine ganze Reihe von realitätsnahen Anforderungen erfüllen – einmal die vier Punkte a)...d) von oben, darüber hinaus aber auch so allgemeine Regeln wie die Zwangsführung der einzelnen Teile (siehe dazu ein paar Anmerkungen hier). Und natürlich soll es so einfach und billig wie möglich sein. Insbesondere stelle ich mir vor, dass wir hier nicht mit CNC-Drehmaschine und 3D-Drucker agieren müssen, sondern mit dem folgenden „Baumarkt“-Werkzeug auskommen:

• Einer üblichen Tischbohrmaschine
• Einer Stichsäge in einem Sägetisch; besser ist eine Bandsäge, für manche Arbeiten geht auch eine Dekupiersäge;
• ... und dem üblichen Handwerkzeug: Passende Schraubenzieher, Zangen, ein Satz billiger Schlüsselfeilen, ein schmaler Stechbeitel und ein Hammer müssten reichen.

Welche Möglichkeiten haben wir damit, etwas halbwegs Vernünftiges zu konstruieren?

Echte Weichenschlösser ...

... wird unsereins nicht bekommen. Sie sind aber zumindest eine wichtige Vorlage für unser Unternehmen. In den Unterlagen, die ich habe, findet man entweder Schlösser mit einfacher Zuhaltung, aber vielen Bartformen, oder tosische Schlösser.

• Die erste Bauart, die u.a. in Deutschland verwendet wird, ist ziemlich einfach gebaut. In der deutschen Variante werden 24 verschiedene Bartquerschnitte, kombiniert mit 6 „Reifblechen“ und „Bünden“, eingesetzt, was zu 144 möglichen Schlüsselformen führt. Mir ist allerdings kein Verfahren eingefallen, die vielen Bartquerschnitte mit den zugehörigen Schlüssellöchern einfach zu fertigen.
• Tosische Schlösser („Chubb-Schlösser“), die u.a. in Österreich Verwendung finden, haben einfache „stufige“ Schlüssel. Die Anzahl der Bartformen in Österreich kenne ich nicht – aber prinzipiell lassen sich sehr viele Kombinationen erreichen, z.B. bei 5 Zuhaltungen mit je 3 Bartlängen 3⁵ = 243 Formen. Allerdings sind diese relativ vielteiligen Schlösser nicht ganz einfach in der Herstellung (wer schon einmal ein tosisches Schloss zerlegt und wieder zusammengebaut hat, weiß, dass es schon nicht ganz leicht ist, die mehreren Federn auf einmal zu bändigen ...).

Es muss auch einfacher gehen!

Kann man käuflich erwerbbare Schlösser verwenden?

Eine Möglichkeit wäre natürlich, handelsübliche Schlösser umzubauen.

• Bei Kastenschlössern gibt es nur wenige verschiedene Schlüssel – höchstens sechs, soweit ich weiß. Wenn man aber die Bedingung aufgibt, dass kein Schlüssel ein falsches Schloss sperren darf, und sich (wie auch immer) überredet, dass sechs verschiedene Schlüsselformen reichen, dann ist das ein möglicher Ansatz für zwei Varianten:
• Auch das Kastenschloss wird verwendet. Allerdings erfordert dies zumindest zwei Konstruktionsänderungen: (a) Es muss eine Verbindung zum Schieber hergestellt werden; (b) der Schlüssel darf nur in einer Stellung entnehmbar sein. Insbesondere (a) ist nicht so einfach. Und der Preis ist, wenn man nicht einen Sonderposten bekommt, nicht so gering.
• Es wird ein eigenes Schloss konstruiert. Allerdings ist der Schlüssel einfacher als das Schloss herzustellen, sodass man dann gleich alles selber bauen kann ...
• Schließzylinder haben sicher genügend Kombinationen. Probleme: (a) Preis; (b) je Schlüssel sind ja zumindest zwei gleiche Schlösser nötig – solche gepaarten Schließzylinder sind aber noch teurer; (c) die Anbindung an Schieber ist nicht einfach, u.a. weil die Schließzylinder so lang sind.

Ich habe alles diese Konzepte nach etwas im-Kopf-Herumkonstruieren verworfen, vor allem aufgrund der Kosten.

Update: "Sebastian" hat in einem Kommentar zum nächsten Posting den Hinweis auf diese Konstruktion eines einfachen Schlüsselwerks mit Möbelschlössern gegeben, das auf FREMO-Anlagen eingesetzt wird. Auf jeden Fall für einfache Fälle bedenkenswert, weil einfach herzustellen!

Im nächsten Posting zeige ich die Konstruktion vor, die ich mir stattdessen ausgedacht habe.