Elektrischen Grillspieß für Weber Kugelgrill selber bauen

 
1. Einleitung

Als meine Eltern meine Entscheidung Maschinenbau zu studieren mit einem Lächeln quittiert haben, haben Sie wahrscheinlich geahnt, dass ich eines Tages Raketen, Autos und elektrisch angetriebene Grillspieße konstruieren würde. Sie wussten, dass ich dadurch in der Lage sein würde, rotierend gelagertes (rohes) Grillgut in eine köstliche Speise verwandeln. Und dass Sie dann mitessen dürfen.

2. Anforderungsermittlung

Zunächst wird festlegt, was unser Grillspieß können muss.

Nr Name der Anforderung Wert Einheit Erläuterung
1. Maximal montiertes Fleischgewicht 15 Kg 15 aneinander gereihte Milchtüten. Mehr passt ohnehin nicht auf den Grill
2. Drehzahl 1-10 U/min
3. Drehzahl stufenlos regelbar
4. Aufsatz für Kugelgrill Grill muss auch während der Spieß im Einsatz ist, schließbar sein.
5. Antrieb des Spießes mit Strom 220 V Netzstrom, AC
6. Maximale Temperatur, Spieß 300 °C Muss der Drehspieß aushalten. Temperaturfluss zum Antrieb ist zu berücksichtigen
7. Maximale Temperatur, Motor 50 °C Eventuell Gegenmaßnahmen notwendig.
8. Unterstützung gängiger Rostdurchmesser (Weber) 57 cm
9. Kostenrahmen 150
10. Maximaler Abstand des Grillgutschwerpunktes zur Spießachse 30 mm Maßgeblich für notwendiges Motormoment
11. Griffe 2 Grille müssen isoliert werden.
12. Abnehmbare Antriebseinheit Antriebseinheit soll leicht demontierbar sein, um den Antriebsstrang auch für andere Grillspieße verwenden zu können
13. Material Rostfreies Blech, Alu

3. Einkaufsliste

  • Rostfreies V2A Stahl, ich hatte ein Blech der Größe 2500x1500mm
  • Motor (s.u.)
  • Netzteil
  • DC-DC-Wandler
  • Holz (für die Griffe)
  • Einen Spieß

4. Auslegung des Antriebsstranges

Der Antrieb erfolgt über einen Gleichstrom-Motor. Für die Auslegung des Motors gehen wir von ungünstig aufgespießtem Grillgut aus. Der fiktive Grillmeister (der für die Auslegungsrechnung herangezogen wird) ist in der Lage die Schwerpunktsachse des 15kg schweren und zu grillenden Grillguts um nicht mehr als a = 30mm zu verfehlen. Damit ergibt sich das benötigte Drehmoment des Motors zu:

M_Motor = G_Grillgut * g * a = 15kg * 9,81m/s² * 30mm / 1000 = 4,41 Nm         (1)

Eine weitere Anforderung an den Motor ist eine variable Drehzahl von 1-10 U/min. Auf eBay wurde der SWF Valeo Motortyp 403 855 gekauft, der eine Leerlaufdrehzahl von n_Nenn = 30U/min besitzt und ein Drehmoment von 5Nm hat. Falls ihr euch auf Motorsuche begebt: Je näher ihr an die 10U/min rankommt, desto besser. Ein Schneckengetriebe hat zudem den Vorteil, dass es selbsthemmend ist – das Grillgut also nicht den Motor weiter dreht, sollte dieser abgeschaltet werden.

Der Motor läuft laut Datenblatt mit U_Motor = 24V und max. I_Motor,max = 8A. Während das Drehmoment bereits passt (dank dem bereits auf dem Motor montierten Schneckengetriebe), ist die Drehzahl noch zu hoch.

Die Drehzahl wird mit Pulsweitenmodulation (PWM) geregelt. Als PWM-Leistungsregler wird der Kemo M171 eingesetzt (Bis zu 28V und 10A).

Mit dem PWM-Regler lässt sich eine Drehzahl im Bereich von 5%-95% mit einem Potentiometer stufenlos einstellen. Der mögliche Drehzahlbereich ergibt sich damit zu

0,05 * n_Nenn = 1,5 U/Min < delta,n_möglich < 0,95 * n_Nenn = 28,5 U/min   (2)

Somit ist ein weiteres Getriebe nicht notwendig. Vorteile hierbei sind, dass der Grillaufsatz dadurch insgesamt kleiner baut, billiger wird und ein Teil weniger kaputt gehen kann.

Da der PWM-Regler 24V Gleichstrom benötigt, wird ein Netzteil vorgeschaltet. Diese braucht mindestens die Leistung

P_Netzteil = U_PWM * I_PWM = U_Motor * I_Motor,max = 192W

Als AC-DC-Netzteil wurde ein Mean Well SP-320-24 mit 240W ausgesucht.

Solltet ihr einen PWM-Regler verwenden, der nicht für den Betrieb induktiver Lasten ausgelegt ist (Der Kemo M171 ist es anscheinand), benötigt ihr unbedingt eine Freilaufdiode. Diese sollte als „Peak forward surge current“ den Nennstrom des Motors (~10A) aushalten. Dieser Strom liegt nur sehr kurz an, nämlich kurz nach dem Ausschalten, die Diode muss den Strom also nicht dauerhaft verkraften. Die Durchbruchspannung muss auf alle Fälle über der Betriebsspannung (24V) liegen. Je höher sie allerdings über den 24V liegt, desto höher steigt die Spannung im System an, bevor die Diode durchschaltet (und desto länger steht ggf. der Blitz).

Der Schaltplan sieht dann wie folgt aus:

Um den Grillspieß abstecken zu können, wird ein XLR-Stecker benutzt:

An Pol 1 des Steckers liegt +24V an, Pol 2 entspricht GND. Die 24V gehen über einen Schalter zum KEMO M171 PWM Regler. Wie die einzelnen Komponenten an den PWM Regler angeschlossen werden, könnt ihr dem Datenblatt bzw. dem Bild auf dem Regler entnehmen. Wichtig ist die bereits oben angesprochene Freilaufdiode D1 (wenn euer PWM-Regler nicht explizit für induktive Lasten geeignet ist).

5. Blechkonstruktion

Grundsätzlich sind zwar mehrere Konzepte denkbar, die Auswahl des Konzeptes soll jedoch an dieser Stelle außen vor gelassen werden. Das Rennen machte einen zylinderartige Blechkonstruktion, die u.a. folgende Vorteile bot:

  • Wenige Bauteile
  • Wenig Material notwendig
  • Grill kann geschlossen werden (!)

Wichtige Gedanken bei der Konstruktion waren

  • Griffe müssen angemessenen Abstand zu Hauptzylinder haben, um auch nach Einfügen des Holzgriffes einen ausreichend großen Spalt zum Greifen zur Verfügung zu stellen
  • Um den vorhandenen Grill-Deckel verwenden zu können wird der Hauptzylinder außen am Grill-Unterteil bündig anliegen ausgeführt. Die vertikale Abstützung erfolgt durch 3 gleichmäßig über dem Umfang verteilte, Blechscheiben.

Hier die Renderings aus Autocad Inventor:

Grundsätzlich besteht die Blechkonstruktion aus 4 verschiedene Teilen:

Anzahl Maße Bauteil
1x 300mm x 1841mm Hauptzylinder
1x 394mm x 126mm Motorabdeckung
1x 334mm x 220mm Motorhalterung
2x 30mm x 317mm Griff

Die Baupläne gibt es hier: Zeichnung_Grillspieß_Rev3_19_09_2013

Die Baupläne habe ich mit Autodesk Inventor 2014 Professional erstellt, da dieses Programm für Studenten kostenlos ist und ich mir neben Catia ein anderes CAD-System lernen wollte.

6. Fertigung der Bleche

Ohne Abkantbank, Blechschere und eine Säulenbohrmaschine seid ihr bei diesem Projekt auf verlorenem Posten. Fragt also am besten einen Metaller bei euch vor Ort, ob ihr 2 Tage seine Gerätschaften benutzen dürft. Bei mir ließ es sich durch Kombination von

  • Freiwilligem Praktikum sowie
  • Kuchen
  • Extrem nette Leute in der Werkstatt

darstellen. Die beiden letzen Punkte sind essentiell.

Für sämtliche Teile bin ich (fast) gleich vorgegangen:

  • Zuschneiden mit Blechscheere
  • Anreißen
  • Körnen
  • Bohren
  • Flexen (bei Motorabdeckung)
  • Biegen (bei Hauptzylinder)
  • Abkanten (beim Rest)

Alles kein Hexenwerk! Langsam und sorgfältig arbeiten und lieber 2 mal mehr Nachdenken als ein falsches Loch setzen. Aus jedem Loch kann leckerer „Bratendampf“ austreten!

Vergesst auf keinen Fall die Aussparungen für eure Armaturen zur Regelung des Motors. In meinem Fall war das ein Schalter (An/Aus) sowie der Poti, der mit dem Spannungswandler mitgeliefert wurde. Hier müsst ihr eventuell Anpassungen vornehmen.

7. Griffe

Nach dem Kanten und Bohren der Griffbleche habe mir aus einer Holzlatte pro Seite je 2 Stücke mit Länge des eigentlichen Griffes zugeschnitten (innen und außen). Mit einer Schraubklemme habe ich sie anschließend an Metall geklemmt.

Das innere Stück habe ich anschließend vorgebohrt (durchgebohrt), und das äußere angebohrt – also so, dass der Bohrer gerade nicht auf der anderen Seite rausschaut. Anschließend habe ich das ganze noch verschraubt. Das Ergebnis sieht dann so aus:

8. Elektrik

Die Elektronischen Komponenten könnt ihr soweit vorbereiten. Wichtig: Bevor ihr XLR female Stecker am Gehäuse und Schalter lötet, müsst ihr die Kabel von innen nach außen durchführen. Sonst wird die Montage unmöglich. Ich habe wann immer es ging wieder lösbare gecrimpte Stecker eingesetzt.

Ansonsten sei nochmals auf den Schaltplan von oben hingewiesen.

9. Befestigung des Grillspießes am Motor

Um den Grillspieß am Motor zu befestigen, habe ich mir ein Aluminium-4-Kant-Hohlprofil im Baumarkt besorgt, und dieses vorne zwei mal (jeweils mittig) eingesägt. Die eingesägten Teile kann man anschließend aufbiegen. Über die Abtriebsachse des Motors habe ich dann einen Gummischlauch gestülpt (Länge ca. 1cm) um den Reibkoeffizient zu erhöhen. Darüber wiederrum wurde das vorbereitete 4-Kante Profil gestülpt. Um das Ganze endgültig zu fixieren, wurde die Konstruktion mit einer Rohrzwinge zusammengedrückt sowie eine Schraube durchgesteckt, die formschlüssig in der Nut der Abtriebswelle liegt.

Aufnahme Grillspieß am Motor

10. Rezept

Falls ihr nicht wisst – wovon ich nicht ausgehe – was ihr mit dem Spieß anfangen sollt hier das Rezept, dass mich dazu bewegt hat das Ding zu bauen. Ist von Jamie Oliver, live und in Farbe hier: http://www.youtube.com/watch?v=C-ks58icK5k .

Los geht’s:

Zutaten:

Lammkeule (alles andere könnt ihr Notfalls weglassen)

Zutaten BBQ Soße:

  • 4-5 Nelken
  • 1 TL Kreuzkümmel
  • 2 TL Fenchelsamen
  • 1 TL Schwarzer Pfeffer
  • 3 TL Salz
  • Handvoll frischen Rosmarin
  • 10 Lorbeerblätter
  • Etwas Thymian
  • 1 ganzer, geschälter Knoblauch (10+ Zehen)
  • 1 Schale einer Orange
  • 4 TL geräucherte Paprika
  • Halbe Flasche Balsamico (dunkel)
  • Den Saft 1 Orange
  • Eine ganze Flasche Bio Ketchup
  • 10 TL Oliven Öl

Rezept:

Den Ofen auf 190°C vorheizen.

Nelken, Kreuzkümmel, Fenchelsamen, schwarzer Pfeffer und Salz in einen Mörser geben und zerstoßen. Anschließend Rosmarin, Lorbeerblätter, Thymian, Knoblauch und Orangeschale grob kleinhacken. Die flüssigen Zutaten zumischen und noch die geräucherte Paprika darüber geben.

Das Lamm etwa einen cm tief einschneiden und die BBQ-Sauce einmassieren. Den Rest der BBQ Sauce beiseite nehmen. Fleisch nochmal massieren. Das Lamm eine Hitzefeste schale legen, mit Alufolie abdecken und 1:15 im Ofen backen. Den entstehenden Bratensaft mit der übrigen BBQ Sauce vermengen. Das Lamm anschließend auf dem Grillspieß 45 min bei mittlerer Hitze grillen und immer wieder mit BBQ Saucen bestreichen.

ENJOY!

ACHTUNG: Ihr arbeitet hier mit Netzstrom. Lebensgefahr. Ich übernehme keine Verantwortung für das o.g. Vorgehen!!!

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4 Antworten auf Elektrischen Grillspieß für Weber Kugelgrill selber bauen

  1. Ralph Donhauser sagt:

    Hallo Herr Schlegel,
    ich habe im WWW ihre Seite gefunden. Sie haben da einen super Bauplan für den Drehspieß. Ich hätte da noch ein paar Fragen. Haben sie den eigentlichen Spieß gekauft oder selbst gebaut? Wie ist die Verbindung zum Motor und wie wird das Verschieben in Axialrichtung verhindert. Ist der Spieß auf der dem Motor gegenüberliegenden Seite abgestützt?
    Mit freundlichen Grüßen
    Ralph Donhauser

    • Bernhard Schlegel sagt:

      Hallo Herr Donhauser,

      der eigentliche Spieß wurde auf eBay gekauft – aber primär wegen den Fleischklammern. Ich würde Ihnen ein Vierkantprofil vom lokalen Metallhändler empfehlen! Der gekaufte hat das Manko, dass er aus zwei Stücken besteht, die geschraubt werden müssen. Und die Schraubachse ist gleichzeitig die Rotationsachse – unpraktisch (schraubt sich mit der Zeit selber auf).

      Der Spieß selbst, mit dem Motor verbunden (ein Bild von der Konstruktion reiche ich am Sonntag nach). Auf der anderen Seite liegt er auf (wie auf DIESEM Bild zu erkennen). Ein Verschieben in die axiale Richtung wird durch den lokal runden Spieß verhindert – außerdem wirken keine Kräfte in diese Richtung. Sollten Sie sich für ein Vierkant-Profil entscheiden, würde ich das zum Abschleifen in eine Bohrmaschine einspannen und mit einem Schleifpapier an der Aufliegestelle rund schleifen.

      Viele Grüße
      Bernhard

  2. Hans-Georg Prehl sagt:

    Hallo Herr Schlegel,

    “ Klasse Anleitung „. Respekt.

    Besteht die moeglichkeit die Zeichnungen zu bekommen. Ich habe keine moeglichkeiten es selber zu machen, wuerde es dann aber an eine Schlosserei weitergeben.
    Vielen Dank im Voraus.
    Gruss Hans

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