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Accoppiamenti magnetici

I ganci modellistici Europei sono tutti brutti, ma in particolare i miniclub della Z sono la cosa che rovina questa scala. Sono stati il motivo per cui la Z non mi aveva mai convinto. Ho sempre pensato che si potesse fare qualcosa di meglio. Allora ho provato a farlo io. Nei miei ganci cerco di usare magneti al neodimio. Non sono l'unico che ci ha pensato: sono stati pubblicati diversi schemi che usano magneti.

In genere i magneti vengono usati per generare la forza che resiste agli sforzi di trazione/spinta e quindi devono essere dimensionati per questi sforzi. Questo porta ad avere magneti relativamente grandi, che non consentono di minimizzare la dimensone del gancio.

La differenza dei miei ganci in Z con gli altri che ho visto, è che io uso i magneti per iniziare e stabilizzare l'accoppiamento , ma non sono i magneti che supportano gli sforzi di trazione/spinta, ma degli incastri meccanici opportunamente progettati.

Ho creato diverse versioni di ganci che considero promettenti. Le documento in questa pagina.

Le versioni precedenti alla versione 2.0 erano esperimenti fatti per la scala N e verranno aggiunti in futuro.

Magnetic Couplers

Car couplers for European model railways are in general ugly, in particular i find Märklin couplers for Z scale extremely ugly. I am sure there is wide consensus about this statement. The couplers have been the principle reason why I have not adopted the Z scale for many years.

I always thought that one could have devised something better.

The recent availability of small Neodymium magnets makes possible to realise really small couplers. Many have seized this opportunity and several designs of magnetic couplers exist. However they mostly use the magnetic force to hold together the couplers against the pulling/pushing traction force.

This design approach requires magnets to be sized to hold stresses of several tens of grams of weight. Hence the magnets need to be fairly big and the derived couplers are not as small as I wish.

My approach for Z couplers is different, I use magnets only to initiate coupling and to stabilise it. Holding against pulling/pushing stresses is achieved by mechanical interlocking. This principle allows to achieve extremely small couplers.

This page shows all my experiments, which began with N scale and continue in the Z scale. All versions preceding V2.0 were made only for the N scale.

Versione 0.1, 0.2, 0.3 (scala N)

Realizzate per la scala N. Ancora da documentare

Version 0.1, 0.2, 0.3 (N gauge)

N scale stuff.To be documented.

Versione 1.0 (scala Nm)

Nei miei modelli Nm, considerato gli scarsi carichi di tiro dei treni Nm (le ferrovie a scartamento ridotto hanno sempre treni con basso numero di carri) ho usato una versione molto semplificata dell versione 0.2.

Questa versione funziona bene per carri corti (~5-7 cm) a sale singole in scala Nm. Per carri lunghi a carrelli, va usato un sistema simile ma più complesso.

È la versione semplificata che descriverò in questo documento.

L'accoppiamento magnetico si basa sul principio di attrazione di due magneti. L'idea è banale: avendo un magnete all'estremità di un carro ed un magnete orientato nello stesso senso in un altro carro, quando i poli opposti dei magneti sui due carri si trovano in vicinanza si sviluppa una forte forza di attrazione che vincola i due carri.

La prima realizzazione di questo sistema che ho visto era nei trenini LEGO degli anni 70.

Ci sono dei produttori che vendono carri basati sullo stesso principio.

Il problema di questi sistemi è che se pure i ganci magnetici sono piccoli, sono sempre qualcosa di artificiale che esiste solo nel modello e non nella realtà.

Il sistema che io documento nel seguito, utilizza qualcosa che esiste nella realtà ed è presente i tutti i modelli Nm: il respingente.

Se il respingente diventa il magnete del principio, non solo crea l'accoppiamento voluto, ma anche non introduce niente che non ci dovrebbe essere.

Nella guida passo-passo in seguito descrivo come sostituire in uno dei carri merci Nm da me fatti un respingente con uno magnetico.

Version 1.0 (Nm gauge)

For my Nm models I have made a simplified version of v0.1. This works thanks to the small length of small gauge trains.

My small gauge wagons are short (typically 5-7cm) and with axles. For longer models with bogeys he solution may work with some complication added.

Many magnetic couplers just work on the base of magnetic attraction. It is a very simple principle that I saw working for the first time in the LEGO trains of the 70s.

You can buy couplers made this way for the N and H0 scale.

What I do not like in these offerings is that couplers are bulky and often a lot more conspicuous that the buffers.

I have designed the system I document in the following to use the buffer as coupler.

I will show how I have built a coupler in box car of my production.

Guida passo-passo per la realizzazione

Per prima cosa i materiali e utensili necessari :

  • 1 chiodo di ferro/acciaio dolce con una testa piatta di almeno 3 mm di dametro uno stelo di almeno 1.2 mm di diametro ed una lunghezza di almeno 20mm

  • magnetino al neodimio da 2mm di diametro e 1 mm di spessore

  • un trapanino con madrino per diametri diversi

  • una mola da taglio

  • una limetta piatta da ferro

  • un calibro

  • un girapunte a mano

  • punta da 1.2mm

  • fresetta cilindrica da 2mm

  • occhiali protettivi

Step-by-step DIY guide

Materials and tools bill:

  • 1 iron/soft-steel nail with flat head (> 3mm Ø) and stem of > 1.2 mm Ø and > 20mm length.

  • neodymium magnet 2 mm Ø 1mm thickness

  • small metal file

  • electric drill

  • sawing disk

  • grinding disk

  • caliper

  • hand drill

  • 1.2mm Ø drill bit

  • 2mm Ø cylindrical burr

  • safety goggles

Il respingente:

  1. METTERE GLI OCCHIALI PROTETTIVI: se le parti rotanti si spezzano rischiate di rovinarvi gli occhi

  2. Fissare il chiodo nel trapanino lasciandolo uscire per 1 cm circa dal mandrino

  3. Usando la lima, tornire il chiodo fino a raggiungere la forma di un respingente di 1.2 mm di diametro. Controllare con il calibro il diametro

  4. Tagliare la base del respingente con il taglio della lima. Non è necessario arrivare fino in fondo. Una volta che il diametro del tagli è 0.3 è facile e più sicuro spezzare il respingente a mano

  5. Mettere il respingente così formato nel girapunte.

  6. Usando la mola da taglio, squadrare la testa del respingente

  7. Il respingente è pronto. Ora passare al carro

Make the buffer:

  1. wear the safety goggles

  2. mount the nail in the drill leaving 1 cm out

  3. grind away the sides of the nail with the file while turning the nail. Final diameter of the duffer stem should be 1.2 mm Ø

  4. cut the buffer from the rest of the nail, still with the file

  5. set the buffer in the hand drill

  6. shape the head of the buffer as needed with the drill equipped with cutting disk

  7. the buffer is ready. Now the car


Il carro:

  1. Tagliare con un coltello exacto, il respingente che va sostituito.

  2. Con una punta da 1.2 forare nel centro dello spazio lasciato libero dal respingente. (Tutti i miei carri hanno un parallelepipedo di plastica dietro i respingenti.)

  3. Inserire il respingente nel foro. Se le misure sono state fatte bene il respingente entrerà con una certa difficoltà e non si muoverà una volta in sede.

  4. Il respingente può essere brunito con un brunitore da fucile.

  5. Con la fresa cilindrica, preparare un foro cilindrico nel centro del parallelepipedo in maniera ortogonale al respingente. Appena la fresa incontra l'asta del respingente fermare il trapano.

  6. A questo punto si può inserire il magnetino che si attaccherà subito al respingente

Set it in the car

  1. remove the existing buffer with a sharp knife

  2. drill a 1.2 mm Ø hole where the old buffer was

  3. put the new buffer in the hole

  4. you may die the buffer with a metal blackener

  5. use the bur to grind a cylindrical hole in the botto of the car over the stem of the buffer, stop when you feel the bur is attaching the metal of the stem

  6. insert the magnet in the hole

That's it!

Il sistema che è stato qui presentato è molto semplice e rapido (10 min a respingente) da realizzare e fornisce un buon, ma soprattutto invisibile metodo per accoppiare piccoli carri in Nm.

La forza di tiro di magneti da 3 mm di diametro è di 250g ,e pure con le perdite dovute ai cospiqui traferri riesce a tenere 10 carri appesi.

Anche in zig-zag l'aggancio regge bene ed è anche più robusto ai dislivelli di binario. dei ganci Arnold.

Il difetto principale del sistema è che i carri possono essere solo accoppiati se i respingenti hanno le polarità magnetiche opposte. Con polarità uguali i carri tendono ad allontanarsi.

Il difetto a mio parere è ricompensato dall'enorme guadagno estetico che si ha con la rimozione dei ganci.

Ho sperimentato un modo per cambiare polarità ai respingenti che è alla base del sistema di sgancio/aggancio idella versione 0.3 e l'ho realizzato nella versione 1.1


Comunque questa versione da giá eccellenti risultati.

Vedi video sotto.

This is a simple yet effective system. I works well with the 2mm magnets but can also use th 3 mm magnets. These provide a 250g pull force.

The coupler holds well on curved track as well as on the tight S made by points .

The disadvantage is that the couplers have gender (the pole) and hence cars cannot be turned and re-attached to each other.

I have solved this issue in the next version of the couplers.

In any case this version allowed me to couple all rolling stock I made in Nm.

See movies below.

Versione 1.1 (scala Nm)

Realizzata per la scala Nm. Un miglioramento della V1.0 con l'aggiunta del cambiamento della polarità magnetica e dello sganciatore a bordo della loco.

Ancora da documentare.

Version 1.1 (Nm scale)

Nm scale stuff. To be documented.

Versione 2.0, 2.1 (scala Z)

Realizzata per la scala Z. Ancora da documentare

Version 2.0, 2.1 (Z gauge)

Z scale stuff. To be written.

Versione 3.1

Questa versione usa dei magneti cilindrici da 1.5 mm di diametro e 0.5 mm di altezza, con poli magnetici sulle facce piane.

Il magnete è incastonato al centro di una flangia di ottone da 0.3 mm opportunamente ripiegata.

La flangia ha due rebbi verticali ed uno stelo con occhiello che le permette di essere inserita in un chiodo a testa ad anello.

Il chiodo (ricavato da filo di ottone da 0.4 mm) va montato sulla traversa del carro che si vuole equipaggiare col gancio.

Version 3.1

This version uses cylindrical magnets of 1.5 mm of diameter and 0.5 mm of height, with N-S poles flat faces.

The magnets are framed into a 0.3 mm plate of brass cut and folded to present 2 prongs and a stem terminating with and eye.

The eye is used to secure the plate to an eye nail (made with a 0.4 mm brass wire) that is then inserted in the buffer plate of a car.

I ganci sono fatti per sovrapporsi ed incastrasi con i loro rebbi verticali. Coscché i magneti provvedono al centramento ed i rebbi a sostenere gli sforzi di trazione.

The couplers are made so that they can stack vertically one over the other.

le seguenti foto mostrano i ganci montati su un carro tipo F e carro P da me realizzati. Come si vede i ganci penzolano in verticale. I ganci sembrano grandi perché sono in metallo nudo e non dipinti di nero, in realtá sono molto piccoli per riferimento la lunghezza dei rebbi è di 1.5 mm

the following pictures show v3.1 mounted on FS rolling stock of my production. The idle couplers hang vertically from their support. The couplers may appear conspicuous due to their shiny metallic colour. In reality they are very small: for reference, the prongs are just 1.5mm long.

Quando i due vagoni si avvicinano i ganci dondolano in avanti per effetto dell'attrazione magnetica e si sovrappongono, ingaggiando i rebbi.

L'azione è mostrata nei due seguenti video.

When two cars face each other, the couplers swing up towards each other due to magnetic attraction. This allows the couplers to stack horizontally and interlock.

The action is shown in the following movies.

Vantaggi e ...

I ganci sono molto piccoli, non si vedono perché non protrudono quando non sono accoppiati e sono paralleli ai respingenti quando accoppiati. Nonostante ció hanno una enorme resistenza alla trazione. Sono ultra stabili: non si sganciano neanche in controcurve e su salti del binario.

svantaggi

Sono cosi' stabili che è abbastanza difficile disconnetterli anche quando si vuole.

Non sono riuscito ancora a realizzare uno sganciatore automatico funzionante. realizzato nella versione 3.2

Pros and...

These couplers are very small and unobtrusive. When not in use they hang (as real shackles do) and when they are coupled they lay flat between buffers, as it should be.

Nevertheless they provide high clutch force with outstanding stability, no sequence of curves or steps disengages them.

cons

The stability of the couplers is so high that it is difficult to detach them.

I have not yet been able to make a working automatic decoupling device. solved in version 3.2

Versione 3.2 (scala Z)

Questa è una variazione della precedente versione che usa una differente disposizione dei rebbi che consente lo sganciatore a bordo e sul binario.

Alla fine implementare lo sganciatore è stato molto più facile di quello che pensassi .

Questi ganci si accoppiano dodondolando in avanti. Per cui l'operazione di sgancio è fatta facendoli dondolare indietro.

Ho ottenuto questo con un filo di acrilico che fissato alo stelo del gancio permette di dondolare all'indietro.

Gli schemi sotto mostrano come lo sganciatore funzioni per un carro senza attuatore. Il primo disegno mostra la testata di un carro in sezione longitudinale. Il filo (1) viene attaccato allo stelo del gancio (2) e guidato da due mensole ad L (3) sotto il carro e finisce attaccato ad un pesetto di ferro (6). Una molla (4) mantiene il pesetto in alto tramite una rondella (5) incollata al filo.

Version 3.2 (Z gauge)

This version is a modification of v3.1 that uses a different configuration of the prongs, it also allows automatic decoupling. on board the car and from the track.

Eventually it was not so difficult to implement an automatic decoupler.

These couplers engage each other by swinging up, so decoupling can be achieved by swinging down.

I obtain this motion by attaching a thin acrylic wire to the stem of the coupler, so that the coupler can be pulled down.

The following schemes shows how the system works. In the drawings the longitudinal section of a car is shown.

The wire (1) is attached to the coupler at the stem (2) . The wire is routed on the belly of the car by two holed brackets (3). On the other side of the wire, a small iron weight (6) is attached. The weigh is prevented from moving down, by a spring (4) that is secured to the wire by means of a washer (5).

Il disegno seguente mostra cosa succede quando due ganci sono accoppiati. Il filo si tende assorbendo l'allentamento.

The following drawing shows what happens when two couplers are connected. The wire extends absorbing the slack.

Infine l'ultimo disegno mostra come il disingaggio avvenga. Il filo viene tirato da un forte campo magnetico che richiama il pesetto verso il basso, comprimendo la molla .

Finally the last drawing shows what happens during decoupling. A magnetic field is used to pull down the small iron weight. The sping is compressed and the wire is pulled, swinging down the coupler.

Il seguente filmato mostra alcuni accoppiamenti e disaccoppiamenti

See the system in action in the following movie.

uno sganciatore era proprio necessario: questi ganci sono difficili da disaccoppiare

A decouplimg system is really needed: these couplings really hold

Guida passo-passo per la realizzazione

Per prima cosa i materiali e utensili necessari :

  • lamina di ottone da 0.3 mm

  • flo di ottone da 0.4. mm Ø

  • magnetini da 1.5mm Ø e 0.5 mm altezza

  • trapano a mano con punta da 0.6 mm

  • trapano a mano con punta da 1.5 mm

  • pinza a becchi piatti

  • tronchesina

  • forbice

  • pinzette

  • lima sottile piatta diamantata

Fare la flangia porta magnete

  1. stampa il disegno su etichetta adesiva

  2. ritaglia e attacca il disegno sulla lamina di ottone

  3. segna i centri dei due fori (occhiello e sede del magnete

  4. fora i due fori

  5. taglia il contorno del disegno

  6. lima via l'ottone in eccesso

  7. check out periodicalliy

  8. piega i rebbi nella pinza a becchi piatti

Realizzare il chiodo ad anello

  1. avvolgi il filo di ottone sulla punta da 0.6 mm facendo un avvolgimento

  2. taglia il filo in eccesso da una parte dell'avvolgimento

  3. inserisci la flangia nell'anello

  4. chiudi l'anello

  5. assicurati che la flangia penzoli liberamente dall'anello

Assemblare il tutto

  1. con uno stecchino applica del cianoacrilato nel foro da 1.5mm

  2. pressa il magnete nel buco. È conveniente usare una pila di magnetini per fare questo, visto che i magneti singoli sono molto difficili da maneggiare. Attenzione a mantenere sempre la stesso orientamento dei magneti per tutti i ganci.

  3. fai un foro da 0.6 mm al fra i respingenti nel loro mezzo

  4. immergi la punta del chiodo nella colla

  5. inserisci il chiodo nel foro fino alla fine

  6. taglia il chiodo a misura nel lato interno della testata

  7. È fatto.

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Step-by-step DIY guide

Materials and tools bill [1]:

  • brass plate 0.3 mm thick

  • brass wire 0.4 mm Ø

  • magnets 1.5 mm Ø and 0.5 mm height

  • hand drill with 0.6 mm bit

  • hand drill with 1.5 mm bit

  • flat jaw pliers

  • wire cutter

  • scissor

  • pincettes

  • thin flat diamond file

How to make the magnet holding flange

  1. print the drawing on label paper

  2. cut and stick one of the silhouettes to the brass plate (2)

  3. mark the centre of the two holes; the eye and the magnet gap (3)

  4. drill the two holes

  5. cut with the scissor around the outer box around the silhouette

  6. file the excess metal using the plier as part holder (4,5)

  7. fold the metal by holding the part at the base of the two prongs (6)

How to make the eye-nail

  1. wrap the brass wire around the 0.f mm bit to form a closed loop (8)

  2. cut one side of the wire where the loop is closed (9)

  3. set the wire in the eye of the flange

  4. close the loop by pressing it flat with the plier

  5. make sure that the flange dangle freely from the loop

Assemble it all

  1. apply some superglue in the magnet hole

  2. stick the magnet into he hole. To do this is convenient to use one entire colum of magnets as the single magnets are impossible to handle alone. Make sure that you use the same polarity for all the couplers you will make (say North pole in the direction of the prongs.

  3. drill a 0.6.mm hole in the centre of the buffer plate (where the hook should be in real cars) (12)

  4. dip the tip of the nail in superglue

  5. stick the nail in the hole until the loop rests on the bufferplate

  6. cut the excess nail from the back of the buffer plate

  7. That's it (13)

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Versione 4.0 (scala Z)

Questa versione usa dei magneti cilindrici da 1 mm di diametro e 1 mm di altezza, con poli sulle superfici piatte.

Il magnete è incastonato al centro di una flangia di ottone da 0.3 mm opportunamente ripiegata.

La flangia forma un gancio orizzontale ed ha anche occhiello che le permette di essere inserita in un chiodo a testa ad anello.

Il chiodo (ricavato da filo di ottone da 0.4 mm) va montato sulla traversa del carro che si vuole equipaggiare col gancio.

In questo modo il gancio normalmente penzola (come V3).Quando i due vagoni si avvicinano i ganci dondolano in avanti per effetto dell'attrazione magnetica e si sovrappongono, ingaggiando i ganci.


Version 4.0 (Z gauge)

This version uses cylindrical magnets of 1. mm of diameter and 1 mm of height.

The magnets are framed into a 0.3 mm plate of brass cut and folded to present a hook and a stem terminating with and eye.

The eye is used to secure the plate to an eye nail (made with a 0.4 mm brass wire) that is then inserted in the buffer plate of a car.

Normally the couplers will hang down.

When two cars face, the couplers swing up towards each other due to magnetic attraction. This allows the couplers to interlock horizontally.

Il gancio è estremamente piccolo (figura a sinistra) e una volta attaccato ad un altro (destra) ha una buona forza di connessione.

Tuttavia l'aggancio non avviene automaticamente. Tramite il gioco degli occhielli, due ganci in avvicinamento non convergono nella posizione agganciata ma in posizioni non volute.

Questa soluzione richiede modifiche per poter funzionare bene. In futuro,

The coupler is amazingly small (see left) and when attached to another, it provides an excellent retention force.

However it does not go autonomously into the clutched configuration. The problem is that the coupler has the ability to move in pitch and yaw and this enables different settling of the couplers than the clutched configuration.

I will need to find a solution to this problem.

Ganci in N a sferetta magnetica

Non credo nella bontà degli agganci magnetici in cui è la forza del magnete che sostiene lo sforzo di traino. A parte il fatto che il magnete deve essere scelto di dimensioni adeguate per sostenere lo sforzo di trazione, c'è il problema che tutte le forze di flessione dell'accoppiamento che si incontrano in curve e controcurve, tendono ad aprire l'accoppiamento.

Ciò non di meno negli ultimi anni sono sono stati prodotti ganci che usano magneti. Per ottenere un accoppiamento androgino si orientano i magneti con i poli trasversali ai binari. In questa maniera il magnete di un gancio si troverà sempre attratto dal magnete di un gancio davanti ad esso.

Per la scala N sono stati proposti ganci con 2 magneti allineati per gancio, e con i poli contrapposti, per costruire una coppia N-S orientata trasversalmente al binario.

Questo espediente crea ganci relativamente grossi anche perchè i magneti vanno sovradimensionati visto che avere due magneti affiancati con polarità opposte riduce il campo magnetico risultante,

In risposta alla richiesta di un amico che mi chiedeva di realizzare invece un gancio a singolo magnete, mi sono inventato questo gancio.

Il gancio racchiude in una boccola sferica aperta all'esterno una sferetta magnetica.

La sferetta è libera di ruotare a quindi si gira per assecondare le linee di campo.

Se due carrozze equipaggiate con questi ganci vengono avvicinate, se i poli delle due sferette sono uguali allora le carrozze si respingono.

Se però le carrozze vengono avvicinate con una leggera forza, le due sferette ruotano per mettere in corrispondenza i due poli opposti e quindi si agganciano.

Una volta che le due sferette sono orientate nel verso dell'aggancio, vi rimangono.

L'assemblaggio è semplicissimo: la boccola presenta una apertura leggermente più piccola della sfera e quindi per farla entrare bisogna pressarla.

La resina, che è leggermente elastica si allarga e una volta che la sfera è nella boccola l'apertura ritorna al diametro originale, imprigionando la sfera.

Il fatto che i magneti siano sferici e liberi di ruotare dà anche un vantaggio rispetto ai magneti piatti: non ci sono sforzi di flessione che possono allontanare i magneti e ridurne l'efficacia (gapping).

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Couplers with sperical magnet

I don't believe in the goodness of magnetic couplings where it is the force of the magnet that supports the towing effort. Apart from the fact that the magnet must be chosen of adequate size to withstand the tensile stress, there is the problem that all the bending forces the coupling encounters in curves and counter-curves tend to open the coupling.

Nonetheless, couplers using magnets have been produced in recent years. To obtain an androgynous coupling, the magnets are oriented with the poles transversal to the rails. In this way the magnet of a coupler will always be attracted to the magnet of a coupler in front of it.

For the N scale, 2 magnets aligned per coupler, and with opposite poles, have been proposed to build a pair N-S oriented transversely to the track.

This expedient creates relatively large couplers, also because the magnets must be oversized since having two magnets side by side with opposite polarity reduces the resulting magnetic field,

In response to a request from a friend who asked me to make a single magnet coupler, I came up with this design.

The coupler encloses a magnetic ball in a spherical socket open to the outside.

The ball is free to rotate in the socket which in fact acts a a bushing and then turns to follow the lines of the field.

If two carriages equipped with these couplers are approached, if the poles of the two balls are the same then the carriages repel each other.

However, if the carriages are pushed together with a slight force, the two balls rotate to match the opposite poles and then engage.

Once the two balls are oriented in the direction of the coupling, they remain there.

The assembly of a coupler is very simple: the socket has a slightly smaller opening than the sphere and therefore to let it enter it must be pressed.

The resin, which is slightly elastic, expands and once the sphere is in the socket, the opening returns to its original diameter, imprisoning the sphere.

The fact that the magnets are spherical and free to rotate also gives an advantage over flat magnets: there are no bending forces that can push the magnets away and reduce their effectiveness (gapping).