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Bernhard Hoch
DAMPFLOK TECHNIK
KONSTRUKTION I BAUTEILE UND FUNKTIONSWEISE I BETRIEB
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Aufbau und prinzipielle Funktion Von der Dampfmaschine zur Dampflok
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Das Fahrwerk
Inhalt
Abfederung
Die Rad-Schiene-Kombination Kleine und große Dimensionen
Die Steuerung
Wasser und Dampf
Druckausgleich im Zylinder
Abdampfkondensation
Aus der Fahrt zum Stillstand
Bremssysteme
Eigenheiten der Druckluftbremse
Hilfsbetriebe Betriebsstoffe
Verbindungstechnik
Besondere Dampflokomotiven
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Baugruppen, Einzelteile und Funktion
Das Eisenbahnrad
Treib- und Kuppelstangen
Der Kreuzkopf
Rad- und Stangenlager Einzelteile der Steuerung Steuerungs-Varianten
Der Lokrahmen
Seitenbewegliche Radsätze
Die Feuerbüchse
Stehbolzen
Anker und Waschluken Heiz- und Rauchrohre
Der Überhitzer Der Dampfregler Die Rauchkammer
Der Schornstein und sein Umfeld
Der Vorwärmer
Die Dampfstrahlpumpe (Injektor)
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Der Speisedom Die Speisepumpe Dampfleitungen Flachschieber Kolbenschieber
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Inhalt
114 116 118 119 121 123 125 126 129 132 135 137 139 141 142 142 144 146 148 150 152 154 156 158 161 164 164 166 168 170 171 174 176 179 180 182 184 187 189 191 192
Der Antriebszylinder Ventile am Zylinder Die Druckluftbremse
Die Luftpumpe
Der Bremszylinder Das Bremsgestänge
Das Steuerventil
Das Führerbremsventil Die Schmierpumpe
Schmiergefäße
Ölsperren
Das Sicherheitsventil
Die Wasserstandsanzeiger
Indusi
Berechnung
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Fahrwiderstände Das Zv-Diagramm
Ohne Reibung keine Bewegung Von der Zug- zur Dampfkraft
Die Suche nach der optimalen Geometrie
Zylinder nach Maß Entspannter Dampf Feuer und Dampf
Schlepplasten
Brennstoffe
Betrieb
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Das Speisewasser
Anheizen
Fahren mit dem Zug
Leistungsanpassung an die Strecke
Alltag auf dem Führerstand
Nach der Fahrt
Was nicht passieren darf Arbeiten auf der Dampflok Beruf Dampflokführer Dienstplan und Fahrplan
Fristarbeiten und Ausbesserung Ein Lebenslauf der Dampflok
Sachwortverzeichnis
Quellen und weiterführende Literatur
Impressum
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Aufbau und prinzipielle Funktion Von der Dampfmaschine zur Dampflok
gehören die Steuer- und Regelelemente für die Fahrtrichtung und die Geschwindigkeit der Züge. Auch die für die spezifischen Streckenabschnitte notwendige Zugkraft wird über die Antriebseinrich- tung eingestellt. Die Dampflok ist also – als vereinfachtes Modell betrachtet – die Kombination aus einem Ofen, ei- nem Druckbehälter mit Wasser und Dampf und ei- ner Dampfmaschine. Schließt man Waldbrände, Lagerfeuer und Stroh- feuer für eine Dampflok aus, ist der klassische Fall die Verbrennung von Festbrennstoffen auf ei- nem Feuerrost. Dem Feuer müssen kontinuierlich der Brennstoff und die Verbrennungsluft zugeführt werden. Nicht verbrannte Brennstoffreste und die Abgase dürfen nicht im Brennraum verbleiben. Die Wärme des Feuers bringt das Wasser zur Verdampfung. Dazu dient ein Behälter aus feuer- festem Material, welches eine gute Wärmeleitfä- higkeit besitzt. Die Behälterwände sind entweder direkt den Flammen ausgesetzt oder werden über die heiße Verbrennungsluft und die Abgase er- wärmt. Der Dampf ist leichter als Wasser und sammelt sich im oberen Bereich des geschlosse- nen Behälters. So baut sich der für die Dampfma- schine notwendige Druck auf. Dampferzeugung mit Feuer und Wasser Dampflokingenieure – Künstler oder Pechvögel Das ist jetzt so leicht dahin geschrieben, in Wirk- lichkeit verlief die Entwicklung einer brauchbaren Dampflokomotive über mehrere Jahrzehnte und zahlreiche namhafte Ingenieure waren daran be- teiligt. Bei den ersten Dampfmaschinen wurde die Kolbenbewegung durch Kondensation des Damp- fes im Zylinder ausgelöst. Dabei entsteht ein Un- terdruck, so dass der Kolben durch den äußeren Atmosphärendruck durch den Zylinder gedrückt wird. Mit dem Patent von James Watt war 1769 die Dampfmaschine soweit verbessert, dass der Einsatz auf einer Lokomotive möglich war. Bei sei- ner Niederdruckdampfmaschine herrscht ein leich- ter Überdruck von einigen 100 mbar. Watt verlegte
Die Dampflok auf ihre ein- fachsten Bauteile reduziert.
Komponenten für eine Dampflok Die Lokomotive ist eine bewegliche, aber spur- bzw. schienengebundene Arbeitsmaschine. Ihre Antriebseinrichtung muss in der Lage sein, sich selbst und angehängte Wagen in Bewegung zu bringen. Als Antriebsmedium benutzt die Dampf- lok Wasserdampf, andere Lokomotiven werden von Verbrennungsmotoren angetrieben oder be- sitzen Einrichtungen zur Nutzung des elektrischen Stroms. Auf der Dampflok wird zunächst einmal Wasser benötigt, das zum Kochen gebracht werden muss. Die dazu notwendige Hitze wird aus einem Feuer gewonnen. Da der Dampf aus einem offenen Ge- fäß einfach in die Umgebungsluft entweicht und keine Energie an eine Antriebsmaschine abgeben kann, muss das Gefäß geschlossen werden. Das hat zur Folge, dass sich ein Überdruck aufbaut und die Temperatur des Dampfes deutlich über den Siedepunkt des Wassers hinaus steigt. Je hö- her Druck und Temperatur sind, desto mehr Ener- gie kann der Dampf im Rahmen der gegebenen physikalischen Grenzen aufnehmen. Die Antriebseinheit der Dampflok setzt die Ener- gie des Dampfes in die Drehbewegung der Räder um. Dabei werden Druck und Temperatur des Dampfes wieder abgebaut und der Restdampf in die Umgebung abgelassen. Zur Antriebseinheit
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Aufbau und prinzipielle Funktion
die Kondensation des Dampfs aus dem Arbeitszy- linder in einen nachgeschalteten wassergekühlten Behälter, den Kondensator. Er entwickelte die ein- fachwirkende Dampfmaschine zur doppeltwirken- den weiter, bei welcher der Kolben abwechselnd von beiden Seiten beaufschlagt wird. Mit Einführung der druckdichten Kesselanlagen sind Dampftemperaturen weit über 100°C und für die Arbeitszylinder höhere Dampfdrücke möglich. Auf eine Abkühlung des aus dem Zylinder austre- tenden Wasserdampfes kann verzichtet werden (Auspuffbetrieb). Der Kondensator kann damit ent- fallen, was diesen Maschinentyp in Verbindung mit der höheren Energiedichte des unter Druck ste- henden Dampfes erheblich leichter macht. Das Prinzip der Expansion, bei der nicht während des gesamten Kolbenhubes Dampf in den Zylinder einströmt, sondern nur zu Beginn jedes Kolbenhu- bes, bewirkt eine deutlich bessere Ausnutzung der im Dampf gespeicherten Energie. Bis zur Beherrschung des Feuers und des Dampfdruckes gingen jedoch einige Träume buch- stäblich in Rauch und zerborstenem Eisen auf oder blieben einfach auf dem Gleis stehen. Den Durchbruch erzielten George Stephenson und sein Sohn Robert mit ihrer Rocket, die bereits 1829 die technischen Merkmale für den erfolgrei- chen Einsatz von Dampflokomotiven bis in die heutige Zeit vereinte. Der Stephensonsche Lokomotivkessel Wie bei einem klassischen Ofen enthält der Brenn- raum einen Feuerrost und eine Tür zur Brennstoff- zufuhr. Die Seitenwände haben eine Doppelwand. In dem Zwischenraum umspült Wasser den Brenn- raum. Dafür bürgert sich im Laufe der Zeit die Be- zeichnung Feuerbüchse ein. An den Brennraum schließt sich der Druckbehälter (Kessel) an. Den Gesetzen der Schwerkraft folgend ist er im unteren Bereich mit Wasser und im oberen mit Dampf ge- füllt. Durch den Wasserraum laufen die so genann- ten Flammrohre. War das anfangs nur eines, so hatte der französische Bahndirektor Séguin schon vor der Rocket das große Rohr in mehrere kleine aufgeteilt. Durch diese Rohre ziehen die Rauchga- se zum Schornstein. Der Kessel mit den Rohren liegt waagerecht auf dem Lokomotivrahmen und wird als Langkessel bezeichnet. Weil die Rauchgase nicht einfach in die Umge- bung abgelassen werden können, ist am Ende des Langkessels ein Sammel- und Umlenkraum angebaut, der auch als Tragkonstruktion für den Schornstein dient. Der Schornstein erzeugt die Saugwirkung, um das Feuer anzufachen. Die
Ein Nachbau der Rocket auf der Eisenbahnschau in Nürnberg Ost am 19. Juli 1985.
Der Kessel der Rocket – blau dargestellt die Bereiche mit Wasser und Dampf.
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Höhe ist jedoch begrenzt. Wieder war es Bahndi- rektor Séguin, der zur Unterstützung der Saugwir- kung den Abdampf aus den Zylindern gezielt in den Schornstein einleitete und damit die Lösung für größere Kessel aufzeigte. Für diesen Bereich steht die Bezeichnung als Rauchkammer. Gleiches Prinzip, aber mehr Leistung 100 Jahre nach der Rocket hatte sich die Dampf- lok in den wesentlichen Elementen nicht verän- dert. Sie war lediglich größer, leistungsfähiger und schneller geworden und ihre Bauteile waren ro- buster und zuverlässiger als im Jahr 1829. Die be- triebliche Eignung und Wirtschaftlichkeit von Dampflokomotiven konnte durch die Kombination von mehreren Funktionen in einem Bauteil oder die Nutzung von mehreren Eigenschaften eines Rohstoffes stetig verbessert werden. Das Wasser, welches den Brennraum der Ro- cket umschloss, sorgte dafür, dass die dem Feuer ausgesetzten Metallwände nicht schmolzen, trug aber nur in geringem Maß zur Dampferzeugung bei. Das änderte sich, als der Langkessel mit seinem Dampfraum im oberen Bereich über die Feuerbüchse hinweg verlängert wurde. Die Strah- lungswärme des Feuers konnte nun auf den Sei- tenwänden und der Decke der Feuerbüchse direkt zur Wasserverdampfung beitragen. Die Stehbol- zen zur Abstandshaltung zwischen Feuerbüchse und Kesselwänden wurden den veränderten Druck- und Wärmespannungen angepasst. Der lange Weg der Rauchgase Auch bei der Ausnutzung der Wärme der Rauchga- se als Quelle zur Verdampfung des Kesselwassers
wurden technische Verbesserungen vorgenommen, damit das Gesamtvolumen der Rauchgase in der Zeit zwischen dem Passieren der Feuerbüchsrohr- wand und dem Eintritt in die Rauchkammer die gesamte nutzbare Wärme abgeben konnte. Als erster Schritt – und ansatzweise bei der Rocket schon durchgeführt – wurde die Anzahl der Heiz- rohre erhöht, um die Kontaktfläche zu vergrößern. Als zweiter Schritt wurde die Länge der Heizrohre im Langkessel vergrößert, um die Durchströ- mungszeit zu verlängern. Beide Maßnahmen er- höhten auch die Dampfmenge. Längere Rohre bedingen eine Vergrößerung des Abstandes zwischen der Feuerbüchsrohrwand und der Rauchkammerrohrwand und damit länge- re Lokomotiven insgesamt. Die Bezeichnung Langkessel lässt sich also auch durch die größere Bauteil-Länge erklären. Eine natürliche Grenze für die Verlängerung der Rauchrohre bildet der Ab- kühlungsvorgang der Rauchgase, welcher nach physikalischen Gesetzen die Zeit und den Weg zur Abgabe der nutzbaren Energie bestimmt. Das Temperaturgefälle zwischen Feuer und Außenluft am Schornstein kann also nicht im vollen Umfang ausgenutzt werden. Die geometrische Grenze für die Verlängerung liegt in der Begrenzung der Au- ßenabmessungen (Lichtraumprofil), welche den Kurvenüberhang der Lok einschränkt. Der Langkessel Die einzelnen Teile des Langkessels wurden aus gewalzten Blechen gebogen. Die Segmentlänge war durch die Fähigkeiten der Biegemaschinen begrenzt. Die Verbindung der auch als Kessel- schuss bezeichneten Segmente erfolgte anfangs
So ziemlich das Größte, was jemals als Dampflok gebaut wurde: Der Big Boy der Union-Pacific-Eisenbahn in den USA. Die Rocket hätte auf dem Feuerrost Platz und könnte ohne Schornstein vermutlich durch den Kessel fahren.
UP 4004 in Cheyenne am 18. August 1997.
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Aufbau und prinzipielle Funktion
gen mit höheren mechanischen Streckgrenzen und Schmelzpunkten. Um die Jahrhundertwende 1899/1900 war mit dem Überhitzer eine signifikan- te Erhöhung der Dampftemperatur möglich. Die Bauteile des Überhitzers sammeln den im Kessel gebildeten Nassdampf in der Nassdampf- kammer und leiten ihn in den mehrfach umgelenk- ten Überhitzerrohren durch den Langkessel. Die Überhitzerrohre sind in separaten größeren Rauch- rohren geführt. Der Wärmeübergang erfolgt wie bei der Wasserverdampfung direkt von den Rauchga- sen aus. Als Heißdampf wird der Dampf dann über die Heißdampfkammer der Antriebseinheit zugeführt. Verbunddampfmaschinen Einen wesentlichen Fortschritt stellt die Einführung des Verbundprinzips dar, indem der Dampf nach seiner Expansion im Hochdruckzylinder in einen weiteren Zylinder mit größerem Durchmesser ge- leitet wird. Verteilt man die Expansion bei der so geschaffenen Verbundlokomotive auf zwei Stufen, werden Abkühlungs- und Dampfverluste durch die Expansion geringer. Die ersten Verbundlokomoti- ven, noch in Zweizylinder-Bauart, wurden 1876 in Frankreich und 1880 in Deutschland gebaut. Die Entwicklung von Drei- und Vierzylinderlokomotiven führte zu verschiedenen Variationen in Bezug auf die Zylinderlage (nebeneinander, übereinander, versetzt, Tandembauart, innerhalb und außerhalb des Rahmens) und angetriebenen Achsen (Ein- oder Zweiachsantrieb mit Wirkung aller Zylinder auf eine Achse oder zwei). Die Dreizylinder-Ver- bundlok wurde nicht zum durchschlagenden Er- folgsmodell, aber bei den Lokomotiven mit vier Zylindern brachte die zweifache Dampfdehnung erhebliche wärmewirtschaftliche Vorteile. Einige Bahnverwaltungen, darunter auch die Deutsche Reichsbahngesellschaft, scheuten jedoch den komplizierten Gesamtaufbau. Aus dem belächelten Schnauferl hat sich inner- halb von 100 Jahren die Hochleistungslokomotive entwickelt.
auf einem überlappenden Bereich mit mehreren Nietenreihen – sehr korrosionsanfällig aufgrund der Dopplung des Blechmaterials. Die Fortschritte der Schweißtechnik in den 1930er-Jahren fanden sich unmittelbar im Dampf- lokbau wieder. Die Nietenreihen wurden durch Schweißnähte ersetzt. Die waren einfacher anzu- bringen und gut durch Sicht- und Oberflächenkon- trolle nachzuprüfen. Bei langen Kesseln darf jedoch die temperatur- abhängige Materialausdehnung der Metallwerk- stoffe nicht außer Acht gelassen werden. Ein Kessel mit 6 m Rohrlänge kann beim Anheizen aus dem kalten Zustand über 2 cm länger werden. Da muss für jedes betroffene Einzelteil genau vor- herbestimmt sein, wohin es sich ausdehnen darf. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, den Rauch- kammerbereich als festen Punkt zu betrachten und die Ausdehnung in Richtung Feuerbüchse und Kesselende wirken zu lassen. Der Kessel ist also unterhalb der Rauchkammer fest mit dem Lokrahmen verbunden. Die einzelnen Schüsse des Langkessels sind längsbeweglich über Pendelstützen oder Pendelbleche am Rah- men befestigt. Der hintere Kesselschuss stützt sich über einen Klotz auf einer gleitenden Fläche (Gleit- lager) auf dem Rahmen ab. Mit den auf beiden Seiten montierten Anschlägen (Schlingerstücke) besteht ein Schutz gegen seitliches Verschieben. Beim Anheizen einer kalten Lok ist immer ein lau- tes Knacken zu hören, wenn die Haftreibung auf den Gleitflächen der Pendelstützen oder am Gleit- lager überwunden ist und der Kessel seine nächs- te Ausdehnungsbewegung vornimmt. Druck und Temperatur Die für die Rocket im Jahr 1829 gewählten Betriebswerte für Kesseldruck und Dampftempera- turen wurden in erheblichem Maß erhöht, damit der Dampf mehr nutzbare Energie aufnehmen konnte. Die Fortschritte in der Werkstofftechnik er- laubten Kesselwerkstoffe und Materialverbindun-
Der Kessel der Einheitslok Baureihe 50 der Deutschen Reichsbahn: Blau = Wasser und Nassdampf, Rosa = Heißdampf, Grün = Pendelstützen und Gleitlager.
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in Bewegung ist, sorgt die Massenträgheit (oder einfach formuliert der Schwung) dafür, dass die Totpunkte überwunden werden. Wenn der Kolben im Totpunkt stehengeblieben ist, wird das Wieder- Anfahren schwierig. Schwungmassen und zwei Zylinder Der britische Ingenieur Richard Trevithick setzte 1804 eine einzylindrige Wattsche Dampfmaschine auf ein Schienenfahrwerk. Seine Lokomotive hatte ein riesiges Schwungrad und ein Zahnradtrieb- werk zum Antrieb der Räder. Der Durchbruch war ihr leider versagt, sie war zu schwer für die örtlich vorhandenen Gleise. Die weiteren Lokomotiven folgten fast aus- nahmslos dem Prinzip eines Antriebs der beiden Räder einer Achse mit zwei Zylindern. Die beiden Kolbenstangen werden so angeordnet, dass die eine im Punkt des maximalen Drehmomentes (Zy- lindermittenstellung) steht, während sich die ande- re im Nullpunkt (Totpunkt, Zylinderendstellung) befindet. Damit ist auch das Anfahrproblem gelöst. Triebwerk und Laufwerk In den Gründerjahren der Eisenbahn hatten die Dampflokomotiven überwiegend zwei Zylinder und eine Antriebsachse. Die Masse der Ausrüs- tungsteile musste dann auf die Treibachse und ei- ne oder zwei Laufachsen verteilt werden. Doch schon bald reichten zwei angetriebene Räder nicht mehr aus, um die notwendigen Zugkräfte für die schwerer werdenden Züge zu übertragen. Man ordnete weitere Achsen mit Rädern gleichen Durchmessers vor oder hinter der von den Zylin- dern angetriebenen Achse an. Aus der Vielfalt der betrieblichen Anforderungen entwickelten sich im- mer mehr Varianten von Dampflokfahrwerken. Der grundsätzliche Aufbau und die wesentlichen Bauteile sind in den meisten Fällen gleich.
Der Zylinderblock einer Ein- heitslok Baureihe 50 der Deutschen Reichsbahn. Lok 050 112-2 vom Betriebswerk Ulm legt am 12.Januar 1971 in Ehingen (Donau) eine Rangierpause ein.
Das Fahrwerk
Fahren aus der Drehbewegung Die Erfindungen von James Watt und den Mitar- beitern seiner 1775 gegründeten Firma Boulton & Watt schufen die Grundlage für den Einsatz der Dampfmaschine bei der Eisenbahn. Die wesentli- chen Elemente waren die beidseitige Nutzung des Kolbenhubes und die Umsetzung der Kolbenkraft in eine Drehbewegung. Beim Antrieb eines Rades mittels eines Zylin- ders und einer Kolbenstange pendelt das Drehmoment am Antriebspunkt bei einer Radum- drehung zweimal zwischen einem Maximalwert und dem Wert Null in den so genannten Totpunk- ten. Drehmoment ist Kraft mal Weg, also schwankt auch die übertragbare Zugkraft am Rad. Bei Antrieben mit einem Zylinder besteht zu- dem die latente Gefahr, dass sie in einem der Totpunkte hängenbleiben. Solange die Maschine
Bewegung der Kolben- stange am Zylinder und am Rad von der Mittenstellung bis zum Totpunkt.
Rot = Kolbenstange, Grün = Antriebspunkt, Schwarz = Radreifen, Blau = Kolbenhub.
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Aufbau und prinzipielle Funktion
nen Kuppelachsen werden über die Kuppelstan- gen verbunden. Der Kurbelzapfen des Treibrades weist in diesem Fall zwei Gelenke auf, direkt am Rad für die Kuppelstange und dann für die Treib- stange. Zum Ausgleich der Unwucht durch die ge- kröpften Achsbereiche, Kurbelzapfen und Stangen, werden die Räder mit entsprechenden Gegengewichten versehen. Die Unterscheidung der Varianten wird über die Begriffe Innentrieb- werk oder Außentriebwerk ersichtlich. Mehrzylindrige Lokomotiven Eine Steigerung von Laufgüte und Leistung ist auch möglich, wenn mehr als zwei Zylinder auf ei- nen Treibradsatz wirken, oder die Lokomotive mit mehreren Treibradsätzen ausgestattet ist. Bei Dreizylinderlokomotiven sind zwei Zylinder als Au- ßenzylinder mit Außentriebwerk angeordnet. Der dritte Zylinder arbeitet mit dem Innentriebwerk auf die erste Kuppelachse. Anhand der Gegengewich- te sieht man deutlich den Versatz bei den Kurbel- zapfen der Treibachse. Die Totpunkte des dritten Zylinderantriebes sind so gewählt, dass sie nicht mit einem der Totpunkte der Außenzylinder zu- sammenfallen.
Der Treibradsatz der Lok 011 053 in Bad Harzburg.
Zylinder und Kolbenstangen Die Kolbenstange bewegt sich mit dem Kolben in Längsrichtung des Zylinders. Sie ragt ein- oder beidseitig aus dem Zylinder heraus, wird außer- halb des Zylinders fixiert und mittels Stopfbuchsen abgedichtet. An der Seite zu den Rädern hin en- det sie im so genannten Kreuzkopf. Der Kreuzkopf nimmt das Drehgelenk zur Um- lenkung der Hubbewegung des Kolbens in die Drehbewegung der Räder auf. Er bewegt sich auf einer Gleitbahn, die innenliegend oder außenlie- gend über und unter dem Kreuzkopf angeordnet ist. Treib- und Kuppelstangen Die Treibstange überträgt die Kräfte vom Kreuz- kopf zur Treibachse. Wenn die Zylinder im Bereich zwischen den Rädern angeordnet sind, wird die Achse gekröpft und die Treibstangen enden an den exzentrisch ausgebildeten Wellenteilen. Bei Normalspur von 1435 mm reicht der Raum für zwei innere Zylinder. Sind die Zylinder zu den Außenseiten der Lok angeordnet, enden die Treibstangen auf den Kur- belzapfen der Treibräder. Die weiteren angetriebe-
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Bei der Dampflok sind die Möglichkeiten be- grenzt, in einen Radaufbau, in die Achswelle und die Achslager federnde Elemente einzubauen. Als erste sinnvolle Maßnahme kann dem Achslager am Rad ein Bewegungsspielraum eingeräumt wer- den, in welchem ein geeignetes Federelement die Stoßbelastungen aufnimmt. Es genügt dabei ein senkrechter Federweg, weil dadurch auch das Ab- heben eines Rades verhindert und damit die Ursa- che für Längsstöße beseitigt wird. Die Achslagerfederung erlaubt dem Rad, den Unebenheiten im Gleis zu folgen. Sie ist daher für mehrfach gekuppelte Lokomotiven unumgänglich. Unebenheiten im Gleis können sich auch quer zur Fahrtrichtung einstellen, im Falle der Kurvenüber- höhung ist das sogar gewollt. Die Achslager am rechten und linken Rad und eventuelle mittlere Lager an einer gekröpften Achse müssen einzeln abgefedert werden, damit die Achse eine Kippbe- wegung ausführen kann und gekuppelte Achsen in unterschiedlichen Kippwinkeln zum Lokrahmen stehen können. So ist gewährleistet, dass alle Rä- der stets Kontakt zur Schiene haben. Da starre Kuppelstangen einen unabhängigen Federweg eines einzelnen Rades ab der dritten Kuppelachse nicht gestatten, erhalten sie ein Ge- lenk nahe am Treib- oder Kuppelzapfen, dessen Drehradius dem nächsten Zapfen etwas Höhen- spielraum erlaubt. Tragfedern Bei der Dampflok haben sich Blattfedern wegen der Robustheit und der einfachen Montage eta- bliert. Im Vergleich zu Spiralfedern bieten sie auch eine höhere Dämpfungswirkung bei den Dauer- schwingungen, die durch die hin- und hergehen- den Massen des Triebwerks angeregt werden. Sie werden für statische Lasten auf zulässige Biege- beanspruchungen von 500 bis 600 N/mm 2 ausge- legt plus 30 % Zuschlag für dynamische Stöße. Die Form und Schichtung ergibt sich aus der Theorie der gleichmäßig belasteten einseitig ein- gespannten Dreiecksfeder. Werkstoff für die Tragfedern ist Federstahl mit einer Blechdicke von 7 bis 16 mm, der in einzelne Streifen geschnitten wird. Die Streifenbreite variiert von etwa 70 mm (Kleinbahnen) über 90 mm (Laufachsen) bis zu 120 mm (Treibachsen). Die größte Streifenlänge und damit die Länge des Fe- derpaketes beträgt 500 bis 1200 mm je nach Rad- durchmesser und größter Fahrgeschwindigkeit. Die einzelnen Streifen (Federblätter) weisen als Schutz gegen Verschieben auf der Oberseite eine Rille und auf der Unterseite eine Rippe auf. In der
Abfederung Komfort und Funktion
Die Achsfeder an der Treib- achse der Lok 18 612. Die Tragfeder ist unterhalb des Rahmens eingehängt, die gekröpfte Achse der Vier- zylinderlok kann sich um den Betrag des Federweges senkrecht im Rahmenaus- schnitt bewegen. Die Treib- stange vom Innenzylinder ist nicht eingebaut. Die vorzugsweise in einer Rich- tung fahrende Schnellzug- lok ist daran zu erkennen, dass das Sandstreurohr nur auf einer Seite des Rades vorhanden ist. Aufgenom- men im Deutschen Dampf- lokmuseum (DDM) am 2. Mai 2023.
Eine Federung wird gerne als Mittel zur Verbesse- rung des Fahrkomforts eines Fahrzeuges angese- hen. Auch bei der Dampflok erfüllt die Abfederung diesen Zweck. Umso mehr ist sie jedoch notwen- dig, um die Antriebsmechanik mit ihrer Vielzahl an Paarungen von Metallbauteilen dauerhaft funkti- onsfähig zu halten. Die Kombination von Metallrad und Metallschie- ne bei der Eisenbahn ist ein starres System. Ihr Zusammenspiel darf auch nicht unterbrochen wer- den, weil über die Kontaktstellen zwischen den Laufflächen der Räder und den Schienen die Zug- kräfte übertragen werden. Unregelmäßigkeiten auf beiden Seiten werden während der Fahrt gnaden- los als senkrechte Stöße durchgestellt. Waagerechte Stöße ergeben sich bei starr im Rahmen gelagerten Radpaaren, wenn ein einzel- nes Rad von der Schiene abhebt und keine Kraft mehr übertragen kann. Die Zugkraft schwankt ab- rupt, und das führt zu ruckartigen Längsbewegun- gen im Zug. Das belastet nicht nur den Fahrgast oder ein Transportgut, sondern auch die Werkstof- fe und die Verbindungen der Bauteile. Primärfederung Alle Bauteile, die fest mit den Laufflächen der Rä- der verbunden sind, werden der unabgefederten Masse zugerechnet. Es ist das Bestreben jedwe- der Eisenbahnkonstruktion, diese Masse möglichst gering zu halten. Die an der unabgefederten Mas- se ansetzenden Federelemente werden der Pri- märfederung zugeordnet.
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Aufbau und prinzipielle Funktion
Mitte werden sie durch den Federbund zusam- mengehalten und an den Enden des obersten Streifens mit dem Federgehänge am Lokrahmen befestigt. Die Tragfedern sind entweder unterhalb oder oberhalb der Achslager angeordnet. Im ersten Fall werden die Seitenwangen des Achslagergehäuses nach unten verlängert und erhalten das Achslager- gehänge zur Aufnahme der Tragfeder. Im andern Fall wird das obere Deckelblech des Achslagers zu einer Druckplatte verstärkt und nimmt die run- de Federstütze auf, die durch die Rahmenwange zum Federbund geführt wird. Bei den Einheitsloks der Deutschen Reichsbahn ab 1925 wird die unte- re Anordnung bevorzugt. Die obere Aufhängung taucht bei einer Vorlaufachse mit Deichselgestell auf. Die langen Federstützen erlauben eine Pen- delbewegung und stellen so das Seitenspiel für die Laufräder ein. Ausgleichshebel Gleisunebenheiten treffen immer die erste Achse in Fahrtrichtung. Auch wenn die Tragfeder die Stoßbewegung abdämpft, so verhindert sie doch nicht, dass der Rahmen hier an der Stelle vor dem Massenschwerpunkt eine Bewegung in Stoß- richtung und hinter dem Massenschwerpunkt eine Bewegung gegen die Stoßrichtung ausführt. Durch die Kolbenbewegungen wird dieses Nicken der Lok verstärkt und aufgrund des Versatzes der Kol- bentotpunkte noch um längs wirkende Kraftstöße erweitert, die die Lok in ein leichtes Schlingern versetzen. Die Verbindung der Tragfedern benach-
barter Achsen durch längs angeordnete Aus- gleichshebel verteilt alle Laststöße gleich auf meh- rere Federn, verhindert Lastspitzen und dämpft die Neigung der Lok zum Nicken und Schlingern. Über die Hebelarme der Ausgleichshebel kön- nen auch die statischen Achslasten gezielt beein- flusst werden. Die Baureihen 41 und 45 der Deutschen Reichsbahn besitzen Ausgleichshebel
Verhalten von starr im Rah- men angeordneten Antriebs- rädern bei Unebenheiten im Gleis, dargestellt für drei angetriebene Radpaare:
Oben = Wanne, Mitte = Kuppe, Unten = Schienenstoß.
Die Abfederung der Vorlauf- achse an der Baureihe 52. Aufnahme von Lok 52 5804 im DDM am 2. Mai 2023.
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mit zwei wählbaren Drehpunkten. Durch Umste- cken der Bolzen in der Werkstatt wird die maxima- le Achslast von 20 t auf 18 t verringert und die Lok ist damit auf Strecken mit schwächerem Oberbau einsatzfähig. Feintuning ist über die Schrauben und Kontermuttern an den Federge- hängen möglich, die jede Blattfeder einzeln in be- grenztem Spielraum vorspannen oder entlasten können. Neben den asymmetrischen Zylinderkräften können sich auch aus dem Anlauf der Spurkränze in den Kurven quer zur Fahrtrichtung wirkende Kräfte ergeben. Diese Kräfte begünstigen das
Schlingern (eine waagerechte Drehbewegung der ganzen Lok um ihren Mittelpunkt) und das Wan- ken (eine Kippbewegung der Lok zu den beiden Seiten hin). Quer angeordnete Ausgleichshebel ohne Verbindung zum Lokrahmen verteilen Last- stöße zwischen der linken und rechten Lokseite und verringern so die Neigung der Lok zu Wank- und Schlingerbewegungen. Die Berechnung von Federn und Radlasten er- folgt über die Modellierung der so genannten Un- terstützungspunkte. Das können einzelne Lager, der Drehpunkt eines Längsausgleichshebels oder die Mitte eines Querausgleichshebels sein. Bei
Die preußische T3 weist obenliegende Tragfedern und Ausgleichshebel für die Treibachsen auf. Die Anord- nung ergibt sich aus dem als Wasserkasten dienen- den Rahmen, der zwischen den Rädern keinen Frei- raum lässt. Aufnahme an Lok 28 der Südwestdeut- schen Landesverkehrs- GmbH (SWEG) in Lahr am 4. November 2023.
Das System der Abfederung für die Treib- und Kuppelachsen und die Nachlaufachse der Baureihe 01: Blau = Tragfedern, Grün = Ausgleichhebel, Rot = Fixpunkte am Lokrahmen.
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Aufbau und prinzipielle Funktion
Loks ohne Querausgleich müssen die linke und rechte Lokhälfte separat berechnet werden. Sekundärfederung Wenn bereits abgefederte Baugruppen mittels weiterer Federelemente am Hauptrahmen befes- tigt werden, so erfüllt diese Anordnung die Aufga- ben einer Sekundärfederung. Der klassische Aufbau ist in nahezu allen Fällen gegeben, wo die mit Achslagerfedern ausgestatteten Radpaare in separaten Drehgestellen oder Laufwerken einge- baut sind. Die einzelnen Räder werden über die Primärfedern zum Drehgestell- oder Laufwerksrah- men abgefedert und dieser Rahmen über die Se- kundärfedern zum Hauptrahmen. Bei Schnellzuglokomotiven sind die beiden Vor- laufachsen oft in einem separaten Drehgestell un- tergebracht. Die dort angebauten Blattfedern zum Hauptrahmen hin leisten die Funktion der Primär- federung, weil keine Tragfedern an den Achsla- gern vorhanden sind. Tender und Wagen Anders sieht es bei Tendern und Wagen mit Drehgestellen aus. Sie sind nicht so empfindlich gegen Dauerschwingungen. So haben sich dort die Alternativen zur Blattfeder wie Spiralfedern, Gummielemente oder Luftbälge durchgesetzt, und Gasdruckfedern haben die wesentlichen Dämp-
Die moderne Dampfloktechnik am Tenderdrehgestell der Baureihe 10 zeigt sich mit einer zweigeteilten Primärfederung (Blattfeder direkt am Achslager und Gummiele- mente an den Aufstandspunkten der Federgehänge). Die Sekundärfederung zum Wa- genkasten besteht aus einer doppelten querliegenden Blattfeder. Aufnahme an Lok 10 001 im Deutschen Dampflokmuseum am 2. Mai 2023.
fungsaufgaben übernommen. Die Verringerung der unabgefederten Masse hat in der Zeit nach dem Ende der Stangenantriebe gewaltige Fortschritte erzielt. Gummielemente in den Radscheiben, Ein- zelradfahrwerke ohne Achswelle, Hohlwellen oder kardanische Antriebe haben die Primärfederung näher an die Schiene gebracht, als es je bei Dampfloks möglich war.
Ein Ausflug in die Federtechnik für Drehgestelle: Schnellfahr-Versuchsdrehgestell GR63 der LHB mit Gummielementen als primärer und Spi- ralfedern als sekundärer Abfederung. Die Möglichkeit der Achsen, Gleisunebenheiten durch Pendeln auszugleichen, wird mit dem unterlegten Holzkeil am ersten Rad demonstriert. Aufnahme im LHB-Museum in Salzgitter-Watenstedt am 22. September 2014.
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Die Rad-Schiene-Kombination
den. Ein mittels einer Achswelle zum Radsatz kombiniertes Räderpaar bewegt sich ohne umzu- fallen. Mit dem Radlager wird aus einem Trans- portgefäß mit Rädern ein Wagen oder eine Kutsche. Zum Nachlaufen hinter dem Zugtier braucht das Gefährt eine fest angebaute Deichsel, wenn nur ein Radsatz vorhanden ist. Zwei gleichförmig an- gebaute Radsätze ermöglichen eine geradlinige Fahrt, für den Nachlauf sorgen eine bewegliche Deichsel am Kasten oder eine drehbare Achse mit einer fest angebauten Deichsel. Angetriebene Fahrzeuge brauchen eine aktive Lenkung. Spurführung Das System der Spurführung ist im Prinzip die ima- ginäre Deichsel. Beim spurgeführten Fahrzeug wird die Bewegungsrichtung von der Fahrbahn be- stimmt, der Bediener muss keine aktiven Handlun- gen dafür vornehmen. Das Gefährt bewegt sich in der Geraden gradlinig und in der Kurve in dem vom Kurvenradius vorgegebenen Bogen. Dabei müssen die Kräfte quer zur Laufrichtung ständig von der Spurführung kompensiert werden, damit das Ge- fährt nicht aus seiner Bahn geworfen wird. Schon die Römerstraßen wiesen Rinnen im Steinbelag auf, in denen sich Fahrzeuge bewegen konnten. Der nächste Fortschritt bestand in der Kombination von Fahrrinnen und ortsfesten Antrieben, welche die Wagen mittels Seilzuganlagen bewegten. Der Erfolg der Eisenbahn basiert darauf, dass das System der Fahrrinne zugunsten einer Metall- schiene verlassen wurde. Die Schiene bietet ne- ben der gleichmäßigeren Oberfläche eine größere Längsstabilität. Die Einhaltung der Spurweite ist deshalb mit wesentlich geringerem Aufwand mög- lich, indem die beiden Schienen mittels in regel- mäßigen Abständen angeordneten Schwellen zum Gleis verbunden werden. Der Spurkranz Bei der Eisenbahn sagt die Schiene dem Rad, wohin es rollen soll. Idealerweise erfolgt das in ei- ner Weise, die den Bewegungsfluss des Zuges nicht behindert. Ein starrer Radsatz hat auf der geraden Strecke keine Veranlassung, von seiner geraden Laufrich- tung abzuweichen, wenn die beiden Schienen eben zueinander liegen und die Raddurchmesser an der Stelle, wo das einzelne Rad auf der Schie- ne läuft, gleich sind. Der gleichzeitig mit den Me-
Die Replik der Lokomotive STOURBRIDGE LION im Museum der Wayne County Historical Society in Hones- dale (Pennsylvania) am 17. September 2005. Das Ori- ginal der Delaware and Hudson Canal Company fuhr am 8. August 1829 als erste Lokomotive auf US- amerikanischen Gleisen zwischen Honesdale und Seely‘s Mills.
Der geführte Radsatz Zur Eisenbahn gehören zwei typische Komponen- ten: Die eine besteht aus dem Eisenrad und die zweite ist mit der Spurführung gegeben. Das Ei- senrad in Kombination mit der eisernen Schiene weist bei den mit Rädern ausgerüsteten Fahrzeu- gen den geringsten Rollreibungswiderstand auf und die Spurführung erlaubt hohe Geschwindig- keiten ohne ständige Richtungskontrolle. Das Rad ist eine der ältesten Erfindungen der Menschheit. Was den Einsatz als Transportmittel angeht, muss es jedoch noch mit zwei weiteren nicht weniger wichtigen Bauteilen kombiniert wer-
Typische Radreifen- und Schienenprofile für die Ei- senbahn und ihr Zusam- menspiel bezüglich der Spurführung.
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Aufbau und prinzipielle Funktion
tallschienen eingeführte Spurkranz am Rad be- steht aus einem jeweils zur Achsmitte hin ange- ordneten Wulst, der ein Hinauslaufen quer zur Schiene verhindert. Der Spurkranz kommt nur in Funktion, wenn sich das Fahrzeug zur Seite be- wegt. Die Querführungskräfte werden nicht mehr im Radaufstandspunkt wirksam, sondern beim An- laufen der Spurkränze an die Schienenflanken. Damit vermindert sich der Verschleiß an den Lauf- flächen der Räder und Schienen. Profilierung Der Kontakt zwischen Rad und Schiene sollte aus Gründen der geringsten Haftreibung nur in einem Auf- standspunkt erfolgen. Ebene Flächen schaffen große Kontaktflächen und damit mehr Verschleiß. Ein Rad- satz mit beidseitig gleichem Durchmesser schafft keine Kurve ohne erhebliche Reibungsverluste. Deshalb werden die Schienenköpfe ausgerun- det und erlauben dem Rad nur noch einen Berüh- rungspunkt. Die Laufflächen der Räder werden zur Gleismitte hin konisch geformt, so dass ein Rad- satz mit dem rechten und dem linken Rad auf ver- schiedenen Laufkreisdurchmessern rollen kann. Bei gleicher Umdrehungszahl kann der Radsatz dann mit dem äußeren Rad einen längeren Weg zurücklegen als mit dem inneren Rad und kommt ohne Reibungsverluste durch die Kurve. Auch die Spurkränze werden schräg geformt, damit das Rad beim Anstoß die Schienenflanke nur in einem Punkt berührt. Trägheitskräfte Die Massenträgheit wird in vielen Fällen für den ruhigen Lauf von Eisenbahnfahrzeugen ausge- nutzt. Rollt ein Zug mal in einer idealen Position, so bemüht sich die träge Masse, diesen Zustand auch zu erhalten. In der Kurve muss das äußere Rad einen längeren Weg zurücklegen als das in- nere. Da die Achse starr ist, tritt der Effekt ein, dass das äußere Rad in mikroskopischen Interval- len betrachtet einen Teil des Weges gleitet, wäh- rend das innere Rad gleichzeitig durchdreht. Das macht sich mit dem lästigen Kurvenquietschen und höherem Verschleiß bemerkbar. Abhilfe schafft die Profilierung der Radreifen und der Schienen. Die Fliehkräfte treiben das Fahrzeug in Richtung des Außenbogens. Der Radsatz bewegt sich dann quer zum Gleis – in der Rechtskurve nach links und in der Linkskurve nach rechts. Auf- grund der Profilierung stellen sich die Radauf- standspunkte so ein, dass sie auf den Schienen außen bei einem größeren Durchmesser des Laufkreises liegen als innen.
Radaufstandspunkte im Ge- radeauslauf und Bogenlauf.
Da eine Trambahn in manchen Fällen buchstäb- lich um eine Hausecke herum fahren muss, grei- fen die Straßenbahnbetriebe zur etwas rabiaten Methode und füllen die Rillenschiene im Außenbo- gen so weit auf, dass die Tramachse auf dieser Seite mit dem Spurkranz aufläuft. Eine Feinregu- lierung der Radaufstandspunkte findet hierbei nicht mehr statt. Die Aktion ist in allen Fällen für die Anwohner mit erhöhtem Lärm und für den Be- trieb mit erhöhtem Verschleiß verbunden. Bogenlauf Die dem Bogenlauf dienlichen Fliehkräfte stellen jedoch für die Fahrgäste und die Ladung einen
Radaufstandspunkte für das linke Rad beim Bogen- einlauf in eine Rechtskurve (Spurkranzanlauf und Schienenüberhöhung).
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