Antriebe für mehrere Achsen

Beginnen wir mit den Antrieben, die auf mehrere Achsen wirken. In diesem Fall werden vom Fahrmotor aus, mehrere Achsen angetrieben. Wie das erfolgt, hängt vom eigentlichen Antrieb ab und kann sich daher deutlich unterschieden. Diese Lösung wird nicht nur bei Lokomotiven angewendet, sondern kommt auf der Strasse bei Fahrzeugen mit mehreren angetriebenen Achsen vor. Achten Sie sich doch einmal auf den LKW, der Ihren Müll abholt.

Ein weiteres Beispiel für einen Antrieb auf mehrere Achsen finden Sie in Ihrer Küche. Genau, so nahe ist auch eine solche Form des Antriebes zu finden. Es ist zwar eine, die hier nicht speziell verwendet wird, aber immerhin treibt ein Motor zwei Achsen an. Jetzt möchten Sie doch noch wissen, welche Form das ist? Wie wäre es mit dem Mixer, der zwei Rührwerke hat. Ein Motor und zwei Knethaken, was will man mehr.

Natürlich fehlt beim Mixer das Fortkommen, aber der Motor treibt zwei Achsen an und somit haben wir eine Kraftübertragung von einem Motor auf mehrere Achsen. Bei den Lokomotiven kommt diese Form immer wieder vor, denn es gibt Situationen, wo man mit einem Motor besser mehrere Achsen antreibt. Solche Lösungen fand sich aber in der Vergangenheit so oft, dass wir nur damit beginnen können. Es gab damals keine anderen Lösungen.

Diese Form des Antriebes ist daher die älteste verwendete Form. Daher können wir nun den Weg durch die Geschichte der Antriebe aufnehmen, denn die Antriebe entwickelten sich in der Reihenfolge, die hier dazu genutzt wird, den speziellen Antrieb vorzustellen. Wir wollen daher nicht noch viele Worte verlieren und gehen daher gleich zum ersten Antrieb auf zwei oder mehr Achsen über. Wobei hier sogar noch eine Möglichkeit bestand nur auf eine Achse zu gehen.

 

Der Stangenantrieb

Dampflokomotive Elektrolokomotive Diesellokomotive

Beim Antrieb mit Stangen erfolgt die Übertragung der Kraft mit Hilfe von speziellen Stangen. So entstand der Name für diese Form des Antriebes. Angetrieben wird dieser Antrieb mit Dampfmaschinen oder mit Motoren. Das hat jedoch Auswirkungen auf den Aufbau dieses Antriebes. Wir werden daher, weil wir der Geschichte folgen, mit der Version für die Dampflokomotiven beginnen und dann die motorische Version ansehen.

Teile vom Stangenantrieb, die bei der später eingeführten motorischen Version, weiterhin verwendet wurden, werden wir natürlich nur bei der Version mit Dampfmaschine kennen lernen. Sie werden so selber leicht erkennen können, dass nicht unbedingt viele Teile bei der neusten Version nicht mehr verwendet wurden. Beginnen werden wir, wie es sich schon beim allgemeinen Teil angezeigt hat, beim Motor, oder hier eben bei der Dampfmaschine. Die Dampfmaschine selber wird jedoch nicht hier erklärt.

Antrieb bei der Dampfmaschine: Die Dampfmaschine einer Dampflokomotive liefert eine lineare Bewegung. Diese Bewegung ist jedoch nicht gleich bleibend und sie verändert sich. Sie ändert immer wieder die Richtung, so dass sie sich hin und her bewegt. Eine Bewegung, die nicht zu einer drehenden Bewegung, wie sie beim Triebrad benötigt wird, passt. Bei Dampflokomotiven kam der Stangenantrieb jedoch nahezu ausschliesslich zur Anwendung.

Die Bewegung der Dampfmaschine, die nun mal linear verlief, musste in eine drehende Bewegung umgewandelt werden. Betrachten wir uns deshalb zuerst mal den Antrieb bei einer Dampflokomotive auf einer Grafik. Dabei lasse ich bei der Grafik alles was wir jetzt nicht mehr benötigen weg. Es bleiben nur die Dampfmaschine, die Stangen und die Achsen. Wie das in etwa aussieht, sehen Sie in der unteren Grafik.

Schön bunt ist die Grafik auch noch. Diese Farben sollten wir uns merken, denn sie bilden einen roten Faden durch diesen Artikel und durch die Antriebe.

Dabei sind grau die Antriebsmaschine und rot die Triebachsen gekennzeichnet. Dabei ist es egal, ob es eine Dampfmaschine oder ein Motor ist. Der graue Bereich ist der Fahrmotor, wie er funktioniert, ist hier nicht wichtig und er kommt bei der Vorstellung der entsprechenden Antriebsform nur zur allgemeinen Erwähnung.

Es folgt dann die eigentliche Übertragung der Kraft. Die wird in der Grafik gelb dargestellt. Dieser Teil enthält jedoch keine Getriebe, die Blau dargestellt würden. Der Grund für das fehlende Getriebe liegt in der Eigenschaft der Dampfmaschine. Diese kann sehr langsam arbeiten und benötigt deshalb keine Anpassung an die Drehzahl des Rades. Ja es ging so weit, dass grosse Räder benötigt wurden, um mit der Lokomotive schneller fahren zu können.

Sie sehen daher, dass man die Getriebe bei der Dampfmaschine nicht benötigte und wir daher gleich zu den Bauteilen kommen können, die dem Antrieb seinen Namen gaben. Bevor wir damit jedoch fahren können, muss die lineare Bewegung der Dampfmaschine in eine drehende Bewegung für die Räder umgewandelt werden. Dazu gab es ein bestimmtes Bauteil, das nur beim Antrieb mit Dampfmaschine benötigt wurde.

Das Kreuzgelenk ist der Punkt, der eigentlich aus der linearen Bewegung der Dampfmaschine eine drehende Bewegung für das Triebrad erzeugt. Dabei ist der Aufbau eines Kreuzgelenkes grundsätzlich eine einfache Sache. Man muss einfach ein paar Punkte beachten und schon bekommt man ein gut funktionierendes Kreuzgelenk. Daher lohnt es sich sicherlich, wenn wir genauer darauf sehen und die einzelnen Bauteile im Kreuzgelenk kennen lernen werden.

Der Kreuzkopf ist das eigentliche Gelenk des Kreuzgelenkes. Im Kreuzkopf sind die Stangen miteinander verbunden. Da sind die lineare Stange von der Dampfmaschine und die Schubstange zur angetriebenen Achse. Die Verbindung erfolgt dabei über ein Gelenk. Das erlaubt der Schubstange sich vertikal zu bewegen und so den Winkel gegenüber der Stange von der Dampfmaschine stetig zu verändern.

Der Kreuzkopf wird dabei mit einer Führung an seiner Position gehalten. Diese Führungen können entweder einseitig oder beidseitig vom Kreuzkopf, dem eigentlichen Gelenk angeordnet sein. Damit ist der Kreuzkopf so gestützt, dass er nur der linearen Bewegung der Dampfmaschine folgen kann. Ohne diese Führungen würde das Kreuzgelenk nicht funktionieren und der Antrieb würde versagen. Daher sind diese Führungen sehr wichtig.

Ein Gelenk, wie der Kreuzkopf, hat die Aufgabe, eine Bewegung in einem festen Aufbau zu ermöglichen. Gelenke kennen Sie ganz gut. Vor allem dann, wenn sie schmerzen. Genau, Sie haben Gelenke, die es Ihnen erst ermöglichen, den Computer zu bedienen und sich zu bewegen. Der menschliche Körper ist mit einer Vielzahl von Gelenken bestückt und deshalb sehr beweglich. Alleine die Hand hat über 10 Gelenke und kann deshalb die Finger in fast jede Richtung bewegen.

Die Aufgabe der technischen Gelenke ist gleich. Das heisst, auch sie ermöglichen Knickbewegungen. Dabei kam der Begriff vermutlich zuerst im Körper vor. Die Techniker stellten aber fest, dass die Funktion ja so nahe verwandt ist, dass sie der technischen Bauform den gleichen Namen gaben. Der Vorteil dabei ist, jeder Mensch weiss nun, was ein Gelenk ist und wie es funktioniert. Mittlerweile baut man ja dem Menschen künstliche Gelenke ein, die nichts anderes sind, als die technischen Kopien der Originale.

Nach dem Kreuzgelenk beginnt das eigentliche Triebwerk des Stangenantriebes. Es ist die Mechanik des eigentlichen Antriebs und daher beginnt der Stangenantrieb grundsätzlich beim Kreuzgelenk. Die verwendeten Stangen, die diesem Antrieb den Namen gaben, tragen spezielle Namen, die sie noch kennen lernen werden. Da sich diese Stangen immer bewegen, nennt man den ganzen Aufbau einfach Triebwerk.

Vielleicht kennen Sie sich in der Luftfahrt gut aus und wunderten sich nun, denn dort ist das Triebwerk der eigentliche Erzeuger der Schubkraft.

Wenn Sie aber Pilot sind, dann sprechen Sie womöglich beim Triebwerk von einem Motor. Da wir aber hier bei der Eisenbahn sind, müssen wir damit leben, dass das Triebwerk für die Eisenbahner aus schweren Stangen und Gelenken besteht. Damit sehen Sie erneut, dass das gleiche Wort unterschiedliche Bedeutungen haben kann.

Das Triebwerk treibt letztlich die einzelnen Achsen an. Es besteht im Wesentlichen aus Stangen, Gelenken und Lager.

Grundsätzlich hat das Triebwerk zwei Aufgaben zu übernehmen. Es überträgt die Kraft, auf eine einzelne Triebachse. Danach werden die restlichen Triebachsen daran angeschlossen. Nur muss man nun auch die Federung der einzelnen Achsen berücksichtigten. Betrachten wir die einzelnen Stangen der Reihe nach. Dabei beginnen wir beim Kreuzgelenk, das wir ja bereits kennen.

Die Stangen eines Stangenantriebes nennt man Triebstangen. Es handelt sich dabei um einen allgemeinen Begriff, der mit weiteren Bezeichnungen für die einzelnen Stangen präzisiert werden kann. Sie begehen jedoch keinen Fehler, wenn Sie eine Stange bei einem Stangenantrieb einfach nur als Triebstange bezeichnen. Doch um überragend zu wirken, sollten Sie sich nun die einzelnen Namen der unterschiedlichen Triebstangen ansehen. Beim Kreuzgelenk beginnt die Welt der Schubstange.

Die Schubstange ist die Hauptstange des Antriebs. Das heisst, sie überträgt die Kraft von der Dampfmaschine und vom Kreuzgelenk direkt auf die angetriebene Achse. Die Kraft wird dabei immer nur auf eine Achse übertragen. Die Schubstange kommt nun bei jedem Antrieb ab einer Dampfmaschine zum Einsatz. Dabei spielt es keine Rolle, ob der Stangenantrieb auf eine oder mehrere Achsen arbeitet.

Die zweite Triebstange, die verwendet wurde, war die Kuppelstange. Die Aufgabe bei dieser Stange war im Grunde einfach, denn sie war dazu da, die einzelnen Achsen zu verbinden. Das konnte von zwei bis zu fünf Achsen sein. Entscheidend war, dass es sich um die Verbindung der Achsen handelte. Daher kam diese Kuppelstange wirklich nur beim Antrieb auf mehrere Triebachsen vor. Jedoch wurden an diese Kuppelstangen zusätzliche Anforderungen gestellt.

So mussten diese Kuppelstangen zum Teil mit Ausgleichvorrichtungen für die Federung versehen werden. Diese erkennen Sie, denn in den Kuppelstangen ist dann ein Gelenk eingebaut worden. Zusammenklappen kann das Gelenk jedoch nicht, weil es unmittelbar bei einem Drehzapfen montiert wurde und so die Kraft linear weitergeleitet wird. Dadurch war es einer so ausgerüsteten Lokomotive problemlos möglich Kuppen oder Senken zu befahren.

Beim Stangenantrieb war nur eine einzige Achse direkt angetrieben und wurde daher Triebachse genannt. Beim Stangenantrieb wurden zusätzlich mit Kuppelstangen angeschlossene Achsen, als Kuppelachsen bezeichnet. Diese Kuppelachsen waren jedoch den Triebachsen gleichgestellt. Es war nur eine Unterscheidung, die aufzeigte, wie die Achsen genau angetrieben wurden. Nur, wie kam die Kraft von der Stange auf das Rad?

Alle Stangen eines Stangenantriebs wirkten über einen Kurbelzapfen auf die entsprechende Achse. Dieser Kurbelzapfen bot einerseits den notwendigen Halt für die Triebstange, erlaubte jedoch auch ein verdrehen der Stangen auf dem Drehzapfen selber. Beides war bei diesem Antrieb von absoluter Wichtigkeit, so dass es keinen Stangenantrieb ohne diese Kurbelzapfen gab. Sie waren im Rad radial nach aussen verschoben montiert worden.

So konnte die immer noch lineare Kraft von der Dampfmaschine, die mit der Schubstange übertragen wurde, das Rad in Drehung versetzen. So verschob die Schubstange den Drehzapfen und das Rad drehte sich. Dank dem Kreuzgelenk konnte die Höhe des sich drehenden Drehzapfens angepasst werden. Die lineare Bewegung wurde nun in eine drehende Bewegung umgewandelt. Wir haben das Ziel des Antriebes erreicht, denn nun dreht sich das Rad.

Bisher haben wir uns nur auf eine Seite der Lokomotive konzentriert. Beim Stangenantrieb werden jedoch beidseitige Antriebe notwendig, denn sonst funktioniert er nicht. Die andere Seite wird dabei nahezu gleich aufgebaut und steht nur leicht verdreht zur anderen Antriebsseite. Eventuell ist Ihnen das schon aufgefallen. Wenn nicht, dann betrachten Sie einmal ein Triebwerk von beiden Seiten, dann fällt es sehr schnell auf.

Der Grund liegt in einem Schwachpunkt des Stangenantriebs. Dieser kann tatsächlich zwei Mal in einer Umdrehung an einem toten Punkt stehen. Eine Fahrt wäre dann nicht möglich, weil der Antrieb auf beide Seiten und somit in zwei Fahrrichtungen arbeiten könnte. Damit das nicht passieren kann, wird die zweite Seite leicht verdreht angeordnet. So ist gesichert, dass ein Gestänge immer in einer definierten Richtung verschoben wird und man so die Fahrrichtung jederzeit vorgeben kann.

Der Stangenantrieb bei Motoren: Kommen wir nun zum Stangenantrieb, wenn er mit Motoren verwendet wird. Auch das ist möglich und wurde immer wieder angewendet. Beim Antrieb mit Motoren kommen neue Punkte hinzu und einige verschwinden wieder. Damit wir uns ein Bild davon machen können, bringe ich eine weitere Grafik mit dem Stangenantrieb bei Motoren. Dabei wurden natürlich die gleichen Farben zur Kennzeichnung hinzugefügt.

Im Gegensatz zur Version mit der Dampfmaschine musste man hier nicht mehr eine Bewegung in Längsrichtung in eine drehende Bewegung umgewandelt werden. Der Motor liefert bereits eine drehende Bewegung, so dass man auf ein Kreuzgelenk verzichten konnte.

Jedoch musste man nun die Drehzahl anpassen können. Zwar kannte man langsam laufende Motoren, aber die schnell drehenden Exemplare waren besser. So mussten Getriebe zur Anpassung der Geschwindigkeit verwendet werden.

Das Getriebe wurde notwendig, weil es beim Stangenantrieb keinerlei Anpassung der Drehzahlen gibt. Neu kommt daher auf der Grafik das hellblaue Getriebe hinzu. Die Übersetzung wurde dabei nach der Höchstgeschwindigkeit der Lokomotive gewählt und war nicht bei allen Lokomotiven fest vorgegeben. Dieses Getriebe übertrug nun das Drehmoment auf eine Welle. Diese Welle diente letztlich dazu, den Stangenantrieb anzuschliessen. Die Welle bekam daher eine neue Bezeichnung.

Die Welle, die vom Motor über das Getriebe angetrieben wurde, nannte man Vorgelegewelle. Spezielle an der Vorgelegewelle war, dass sie mit der gleichen Drehzahl drehte, wie das vom Triebrad erwartet wurde. Die Grösse der Räder spielte daher immer noch eine Rolle, wenn auch nicht so eine wichtige. Speziell an der Vorgelegewelle war, dass sie einen Drehzapfen hatte, an dem der Stangenantrieb angeschlossen wurde.

Nach der Vorgelegewelle gab es in der Schweiz zwei unterschiedliche Modelle, die verwendet wurden. Natürlich gab es davon auch Ausnahmen. Wichtig war jedoch bei allen Modelle ein Teilstück, das Dreiecksrahmen genannt wurde. Dieses Bauteil wurde entweder an der Vorgelegewelle oder an der Schubstange angeschlossen. Wir betrachten daher zuerst die Version mit Anschluss an der Vorgelegewelle, denn diese Version war älter, entspricht jedoch nicht der Grafik.

Der Dreiecksrahmen bekam seinen Namen, weil er drei Drehpunkte hatte. Mit einem Drehpunkt griff man entweder in das Vorgelege oder in die Schubstange ein. Es gab aber auch Versionen, wo zwei Enden des Dreiecksrahmens in den Vorgelegewellen gelagert sind. Am Rahmen selber hatte das aber keinen Unterschied, denn eine Ecke war bei allen Antrieben der Kurbelzapfen der Triebachse.

Der Dreiecksrahmen wurde je nach der verwendeten Konstruktion hoch oder tief gelagert. Wichtig war, dass man den Dreiecksrahmen bei allen Stangenantrieben mit Motoren benötigte, denn durch die drehende Bewegung und den fehlenden Kreuzkopf, musste man den Dreiecksrahmen als Stütze für den Antrieb, beziehungsweise für die Schubstange verwenden. Damit haben wir hier sicherlich ein spezielles Bauteil.

Die Konstruktion auf dem Bild neben diesem Text, wurde mit einem hoch liegenden Dreiecksrahmen nach Bauart der Maschinenfabrik Oerlikon MFO konstruiert.

Speziell bei dieser Anordnung ist, dass der Dreiecksrahmen im Kurbelzapfen der Triebachse nicht fest gelagert war und dort nicht gestützt wurde.

Die Achse konnte so der Federung folgen, ohne dass der Antrieb damit betroffen gewesen wäre. Die restlichen Triebachsen wurden ab dem Dreiecksrahmen mit Kuppelstangen verbunden.

Damit der Dreiecksrahmen nicht kippen kann, wurde er zusätzlich in einer Blindwelle gelagert. Diese Blindwelle wurde von den Konstrukteuren so genannt und ist eigentlich kein optimaler Name, denn die Blindwelle hat die Aufgabe den Dreiecksrahmen am Abkippen zu hindern.

Dadurch konnte ihr eigentlich eine stützende Wirkung zugesagt werden. Man sollte sie daher korrekterweise Stützwelle nennen. Aber da waren die Konstruktion und der Erbauer und dort war es eine Blindwelle.

Wenn wir nun nach der Blind- oder Stützwelle wieder zum Stangenantrieb mit tief liegendem Dreiecksrahmen gemäss der Grafik kommen, sehen wir, dass dort die Schubstange in den Dreiecksrahmen greift. Dieser wiederum lagert fest in zwei Triebachsen. Die dritte Triebachse ist mit einer Schubstange verbunden worden. Diese Bauart wurde als Winterthurer Schrägstangenantrieb bekannt. Der Name kam von der schräg eingebauten Schubstange.

Ein Hauptproblem beim Winterthurer Schrägstangenantrieb waren die gefederten Achsen. Hier fehlte im Gegensatz zur Version der MFO ein Ausgleich der Federung zu den Triebachsen, die im Dreieckrahmen lagerten. Das führte dazu, dass die Kräfte die Schubstange leicht biegen mussten, denn der Ausgleich der Federung fehlte beim Kurbelzapfen der Triebachsen. Das folgende Bild zeigt daher ein verbogenes Triebwerk einer Ce 6/8 III.

Es gab auch Stangenantriebe, die viel einfacher aufgebaut wurden. Der verschiedenen Versionen waren nun keine Grenzen mehr gesetzt, denn mit dem Motor hat man eine drehende Bewegung und die kann man wirklich mit allerlei Versionen auf die Achsen übertragen.

Wichtig dabei ist, dass man mit Stangen arbeitet und dass es teilweise zumindest einen Dreieckrahmen braucht um die Stabilität zu erreichen. Der Stangenantrieb funktioniert aber in all seinen Formen.

Durch die Dampflokomotiven, die über 100 Jahre gebaut wurden, kam der Stangenantrieb bei diesen Lokomotiven zu einer grossen Verbreitung. Bei elektrischen Lokomotiven kam der Stangenantrieb überraschend lange zur Anwendung.

Hier hatte man jedoch den Vorteil, dass man schon eine drehende Bewegung hatte. So konnte auf das Kreuzgelenk verzichtet werden. Vielmehr waren die Motoren die Sensation der ersten elektrischen Lokomotiven.

Damit hätten wir die Unterschiede zur Version für die Dampfmaschine kennen gelernt. Das Kreuzgelenk wurde durch den Dreiecksrahmen ersetzt.

Geblieben sind die Stangen mit den Namen, die wir bei der Version für die Dampfmaschinen schon kennen gelernt haben. Diese Version der Antriebe hielt sich recht lange bei den Lokomotiven, sie wurden aber durch bessere Versionen abgelöst, trotzdem wollen wir nun die Vor- und Nachteile dieses Antriebes ansehen.

VORTEIL: Der Vorteil dieses Antriebs mit Triebstangen lag beim einfachen Aufbau der einzelnen Triebstangen. Man konnte sich hier mit massiven einfach zu erstellenden Bauteilen helfen. Das führte dazu, dass man schnell auf diese Antriebsform setzte. Zudem war die Technik dieses Antriebes bei der Dampfmaschine unumgänglich, denn wie sonst hätte man es geschafft, eine lineare in eine drehende Bewegung umzuwandeln.

All diese Vorteile machten den Stangenantrieb bei Dampflokomotiven unumgänglich. Die ersten elektrischen Lokomotiven übernahmen dieses Prinzip. Auch hier wollte man einen einfach gut funktionierenden Antrieb einbauen. Man hatte genug andere Probleme zu lösen, so dass man den gut funktionierenden Antrieb auch bei den elektrischen Lokomotiven erfolgreich verwendete. So gesehen, war der Stangenantrieb gut und er wurde sehr oft verwendet.

NACHTEIL: Gerade durch die schweren Stangen entstand der grösste Nachteil dieses Antriebs. Er konnte nicht beliebig schnell bewegt werden, denn bei zu hohen Geschwindigkeiten bemerkte man die kleinen vorhandenen Unstimmigkeiten im Antrieb. Das führte dazu, dass der Stangenantrieb immer eine taumelnde Fahrweise der Lokomotiven hervorrief. Das war nicht nur unschön, es konnte zu ernsthaften Problemen führen.

Hervorgerufen wurde dieser taumelnde Effekt durch die beiden unten liegenden Totpunkte. Erreicht die Triebstange diesen Punkt, war Sie tiefer und drückte durch die Masse die Lokomotive gegen den Boden. Auf der anderen Seite war der Antrieb jedoch in einer anderen Position und schlug nicht so stark auf den Kurbelzapfen der Räder. Nach kurzer Zeit wiederholte sich der Vorgang auf der anderen Seite, die Lokomotive taumelte.

Optisch war das nicht festzustellen, trotzdem bemerkte man es auf dem Fahrzeug. Man hörte dieses taumeln aber durch den entstehenden speziellen Klang dieses Antriebs. Trotzdem konnte sich der Stangenantrieb bei den modernen Lokomotiven nicht durchsetzen. Hier kamen neue Antriebe, die nur auf einzelne Achsen wirkten, zur Anwendung. Wir hier bleiben vorerst bei den Versionen, die für den Antrieb auf mehrere Achsen ausgelegt wurden.

 

Der Gelenkwellenantrieb

Dampflokomotive Elektrolokomotive Diesellokomotive

Wenn ich mit dem Gelenkwellenantrieb beginnen will, stellt sich mir die Frage, ob ich mich nun bei der Eisenbahn oder auf der Strasse befinde. Dabei ist klar, der Gelenkwellenantrieb kommt bei der Eisenbahn vor und es gab ihn sogar bei Dampfmaschinen, wobei das selten war, denn der Antrieb wird meistens von einem Motor angetrieben. Dabei ist es öfters bei Verbrennungsmotoren der Fall. Daher muss ich zur Strasse ausweichen.

Beim Automobil oder beim LKW verwendet man einen Kardanantrieb. Dieser Kardanantrieb entspricht dem Gelenkwellenantrieb. Eisenbahnen lieben die deutsche Sprache, während man auf der Strasse immer wieder zu Fremdwörtern greift, denn ein Kardanantrieb ist nichts anderes als die fremdsprachige Schreibweise für den Gelenkwellenantrieb. Doch mit dem Automobil haben wir ein kleines Problem, das gelöst werden muss.

Der Gelenkwellenantrieb arbeitet beim Automobil immer auf eine Achse. Wobei das wie immer auch wieder nicht korrekt ist, denn es gibt Automobile, die treiben mehrere Achsen an. Sie kennen diese, denn es gibt Automobile, die alle Räder angetrieben haben. Damit sind wir bei den Lokomotiven, denn bei denen ist heute schliesslich auch jedes Rad angetrieben, also arbeitet der Antrieb auf mehrere Achsen.

Bei der Betrachtung des Gelenkwellenantriebs beginnen wir wieder beim Motor. Diesmal ist es klar, dass ein Motor verwendet wird, denn die Dampfmaschine von vorher stimmt nicht. Bei mit Dampf angetriebenen Lokomotiven müsste man für diesen Antrieb eine Dampfturbine verwenden und eine Turbine ist wiederum nichts anderes als eine spezielle Form eines Motors. Wir benötigen daher beim Gelenkwellenantrieb eine drehende Bewegung.

Das Antriebsgetriebe: Beim Gelenkwellenantrieb wird nach dem Motor ein Getriebe zur Regelung der Drehzahl eingebaut. Dieses Getriebe nennt man zur besseren Unterscheidung Antriebsgetriebe. Diese Antriebsgetriebe bei Lokomotiven sind daher in der Lage mehrere unterschiedliche Geschwindigkeiten zu erzeugen. Es sind daher sehr oft schaltbare Getriebe, die hier verwendet werden. Das ist beim Automobil nicht anders.

Gerade bei Fahrzeugen der Eisenbahn, die mit einem Gelenkwellenantrieb ausgerüstet wurden, werden oft spezielle schaltbare Getriebe vorgeschaltet. Natürlich könnte man auch die Getriebe von der Strasse verwenden, jedoch werden solche Getriebe nur bei kleinen Fahrzeugen verwendet. Der Grund dafür ist simpel, denn die Leistung, die vom Getriebe übertragen werden muss, ist bei der Eisenbahn zu hoch, daher kann man keine konventionellen Getriebe verwenden.

Bei grossen und schweren Lokomotiven, die mit einem Gelenkwellenantrieb versehen wurden, verwendet man keine normalen Schaltgetriebe mehr. Es liegt auf der Hand, dass die dabei möglichen Kräfte einfach zu gross geworden sind. Stellen Sie sich vor, ein Lokführer müsste zwei Zahnräder, die mit 2'400 kW angetrieben werden ineinander schieben. Das schafft er nicht mehr, dazu reicht einfach seine Kraft nicht mehr aus. Diese Leistungen werden bei Lokomotiven durch ein hydrodynamisches Getriebe geschaltet.

Beim hydrodynamischen Getriebe werden die einzelnen Gänge nicht mehr alleine durch Zahnräder hergestellt, sondern es kommen Flüssigkeiten zum Einsatz. Daher auch das Wort Hydro in der Bezeichnung. Hydro ist ein Fremdwort, das übersetzt Wasser bedeutet. Beim hydrodynamischen Getriebe werden jedoch spezielle für diesen Zweck erschaffene Öle verwendet. Damit erfolgen die Schaltungen mit Unterstützung dieser Flüssigkeit.

Da das Öl jedoch flüssig ist, lässt es auch einen hohen Schlupf zu, so kann dieses Getriebe nur durch Regulierung dieses Druckes im Öl geregelt werden. Dank diesem Schlupf wird das Getriebe sehr feinfühlig regulierbar, denn je höher der Druck ist, desto besser wird die Kraft übertragen. Wo schlicht kein Öl hingelangt, erfolgt ein unendlich grosser Schlupf, die Kraft wird nicht mehr übertragen. Damit kann man die einzelnen Gänge dieses Getriebes unterbruchsfrei schalten.

Die Leistung des Getriebes liegt in dem maximal möglichen Druck in den Ölleitungen und im Getriebe selber. Denn ist der Druck hoch genug, lässt auch dieses Getriebe keinen Schlupf mehr zu. Die Kraft wird jetzt über diesen Bereich geleitet. Wobei bei diesen Getrieben nicht so feinstufige Abstufungen möglich sind, wie das bei der Eisenbahn erwartet wird, deshalb werden die hydrodynamischen Getriebe für einen Einsatzzweck gebaut.

Besonders die Langsamfahreigenschaften sind bei hydrodynamischen Getrieben nicht immer optimal ausgeführt worden. Das kennen Sie vermutlich von Ihrem Wagen, denn wenn Sie im morgendlichen Stau stehen, ist der erste und langsamste Gang immer noch zu schnell. Sie müssen mit der Kupplung arbeiten um den vorderen Wagen nicht zu rammen. Hydrodynamische Getriebe haben jedoch keine Kupplung.

Damit kann man die langsame Fahrt mit diesen Getrieben nicht immer optimal nutzen. Es sei denn, man konstruiert dieses Getriebe so, dass man die Langsamfahreigenschaften verbessern kann. Dank der geänderten Übersetzung kann nun auch mit kleinen Geschwindigkeiten gefahren werden. Das Problem stellt sich dann jedoch bei den schnellen Fahrten, die oft auch gewünscht sind. Sie fahren ja auch nicht nur im Stau, sondern ab und zu auch auf der Autobahn.

Um die Langsamfahreigenschaften einer Lokomotive mit hydrodynamischem Getriebe zu verbessern, baute man den Rangiergang ein.

Dieser Rangiergang ist eigentlich nichts anderes, als eine Übersetzung im Getriebe, das alle weiteren Gänge so reduziert, dass gute Langsamfahreigenschaften entstehen.

Diese Eigenschaften benötigt man oft im Rangierdienst, so dass man diese Übersetzung Rangiergang nannte.

Solche speziellen Rangiergänge gibt es auch auf der Strasse. Geländewagen haben oft einen speziellen Gang, der Kriechgang genannt wird. Damit lassen sich kleine Geschwindigkeiten im Gelände fahren.

Eigentlich ist das der Rangiergang, den man bei den hydrodynamischen Getrieben der Eisenbahn verwendet. Wobei man bei der Eisenbahn sogar noch feinere Abstufungen bekommt. Nur, kann man damit unmöglich schnell fahren.

Die zweite Möglichkeit ist der Streckengang. Jetzt sind hohe Geschwindigkeiten möglich. Dabei kann aber nicht im langsamen Bereich fein reguliert werden.

Das ist beim Geländewagen auch so, denn Sie schalten nun die normalen Gänge und können so zügig über die Autobahn fahren. Ach, Sie wussten gar nicht, dass es in Ihrem Geländewagen eine solche Unterscheidung gibt? Dann sollten Sie sich den weiteren Weg beim Gelenkwellenantrieb ansehen, denn das Getriebe haben wir geschafft.

Die Gelenkwelle: Nach dem Antriebsgetriebe kommen wir nun zu dem Teil, das dem Gelenkwellenantrieb seinen Namen gab. Es ist die Gelenkwelle. Wie es der Name schon sagt, besitzt die Gelenkwelle Gelenke und es ist eine Welle. Eine Welle ist dabei ein rotierendes Bauteil, das wir bei der Eisenbahn üblicherweise als Achse bezeichnen. Nur, die Welle als Bauteil, lernten Sie schon beim Stangenantrieb kennen.

Auch hier hat sich natürlich das Fremdwort durchgesetzt und man nennt diese Gelenkwelle üblicherweise auch Kardanwelle.

Kaum ein Mechaniker in der Werkstatt würde Ihnen erklären, dass die Gelenkwelle verbogen ist, sondern er spricht von der verbogenen Kardanwelle.

Doch auch mit dem zweiten Namen wissen wir nicht, wie gut diese Gelenkwelle denn funktioniert und was das spezielle Teil dran sein soll.

Die Gelenkwelle an und für sich besteht aus einer Stange, an deren Ende sich jeweils Gelenke befinden. Die Gelenke sind nur dazu da, dass man die Gelenkwelle dazu nutzen kann und unterschiedliche Höhen auszugleichen.

Der wichtigste Teil bei der Gelenkwelle sind jedoch nicht die Gelenke, sondern die Stange, denn diese ist spezielle aufgebaut worden. Das ist nötig, um die Federung des Laufwerks auszugleichen.

Die dazu notwendige Längenänderung der Gelenkwelle erfolgt durch die zwei ineinander geschobenen Wellen. Diese sind miteinander durch eine spezielle Führung verbunden. Diese lässt zwar die Kraftüberragung zu, kann sich aber in der Längsachse verschieben. Damit ist eine problemlose Kraftübertragung bei veränderbarer Länge möglich. Die Gelenkwelle kann damit leicht ein- oder ausgebaut werden, denn die veränderbare Länge hilft auch hier.

Damit haben wir eigentlich die Gelenkwelle schon kennen gelernt. Das einfachste Bauteil bei diesem Antrieb gab dem Gelenkwellenantrieb seinen Namen. Jedoch ist die Gelenkwelle so wichtig, dass sie berechtigterweise den Namen gab, denn mit den Gelenken lässt sie es zu, dass die rotierende Bewegung auch der Federung folgen kann. Die Veränderung der Länge baut dabei Druckkräfte ab, die entstehen könnten.

Mit der Gelenkwelle haben wir nun den Schritt vom fest eingebauten Antriebsgetriebe zum Laufwerk gemacht. Im Laufwerk hört diese Form des Antriebes jedoch nicht auf, so dass wir den Antrieb noch weiter betrachten müssen. Wir kommen nun erneut zu einem Getriebe, denn der Gelenkwellenantrieb benötigt nun weitere Getriebe und die können nur auf der Achse eingebaut werden. Daher kommen wir nun zu den Achsgetrieben.

Die Achsgetriebe: Die auf der Achse montierten Getriebe nennt man Achsgetriebe. Dabei handelt es sich nun um Getriebe, die nicht mehr die Drehzahlen ändern. Achsgetriebe sind Getriebe, die dazu gebaut wurden um für die rotierende Bewegung eine geänderte Richtung vorzusehen. Das erfolgt beim Gelenkwellenantrieb meistens in einem rechten Winkel und dazu werden spezielle Getriebe verwendet, die wir nun ansehen werden.

Diese Getriebe besitzen eine Welle, die darin stumpf endet. Diese Getriebe werden daher Stirnradgetriebe genannt.

Die Stirnräder in dem Getriebe greifen so ineinander, dass die Richtung geändert werden kann. Dabei kommen solche Getriebe mit mehreren von diesen Zahnrädern zur Anwendung. Das ist besonders dann der Fall, wenn die Kraft auf mehrere Achsen übertragen werden muss.

Solche Stirnradgetriebe werden oft auch Kegelradvorgelege genannt. Dabei zeigt dieser Begriff die Bedeutung der speziellen Zahnräder, denn diese Zahnräder werden Kegelräder genannt.

Der Grund ist einfach, denn sie haben die Form eines Kegels. Kommt hinzu, dass man Getriebe oft auch als Vorgelege bezeichnet. Daher passt die Bezeichnung Kegelradvorgelege ganz gut zum weniger bekannten Namen Stirnradgetriebe.

Diese spezielle Bauform des Getriebes nutzt die Eigenschaften von schräg gestellten Zähnen aus. Diese Stirnradgetriebe besitzen jedoch keine Übersetzung, sie drehen einfach nur die rotierende Bewegung der Gelenkwelle auf die Richtung aus, die die Triebachse hat.

Damit sind wir bei der Achse angelangt und haben daher den Weg durch den Gelenkwellenantrieb abgeschlossen. Besonders bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor werden diese Antriebe eingebaut.

Zwar gab es eine zeitlang auch anders aufgebaute Lokomotiven. Die schweizerischen Bundesbahnen SBB gehörten zu jenen Bahnen in Europa, die noch viele Jahre auf die elektrische Version setzten. Dies aber ohne Erfolg, denn moderne Diesellokomotiven werden in Europa mit hydraulischen Getrieben und Gelenkwellen angetrieben. Es bleiben eigentlich nur noch die Vor- und Nachteile, die auch hier nicht fehlen dürfen.

VORTEIL: Es liegt auf der Hand, der Gelenkwellenantrieb bietet viele Vorteile, die hier natürlich nicht unerwähnt bleiben dürfen. Durch die grosse Verbreitung dieses Antriebes im Strassenverkehr und bei der Eisenbahn sind die Bauteile billig in der Anschaffung. Man kann auf grosse Serien setzen, was die Kosten senkt. Daher ist es nicht verwunderlich, dass dieser Antrieb oft verbaut wird, denn Kosten spart man überall gerne.

Die Gelenkwelle ist in allen erdenklichen Grössen im Handel zu kaufen. Sie muss nicht speziell für jedes Fahrzeug gebaut werden. Hinzu kommt, dass die Massen der rotierenden Teile gering sind und es dadurch selten zu einer Unwucht kommt. Damit sind die Vibrationen vom Gelenkwellenantrieb gering und werden nicht auf das Fahrzeug übertragen. Man kann von einem ruhigen Antrieb sprechen, der bei Verbrennungsmotoren gute Dienste leistet.

NACHTEIL: Bei so einem erfolgreichen Antrieb nach Nachteilen zu suchen, ist schwer. Wenn der Antrieb grosse Nachteile gehabt hätte, wäre er nicht so oft verbaut worden. Wenn man einen Punkt aufführen will, findet man ihn vielleicht bei den Langsamfahreigenschaften, aber mit guten Getrieben hat man auch das gut lösen können. So gesehen ist die Gelenkwelle gut. Nur bei der Eisenbahn gab es weitere gute Antriebe.

Trotzdem, es gibt Nachteile und gerade bei elektrischen Lokomotiven werden Sie wichtig. Der Grund liegt beim benötigten Platz für das grosse schwere Getriebe, die Gelenkwelle und die Achsgetriebe. Der Motor sitzt beim Gelenkwellenantrieb immer im eigentlichen Kasten. Das ist bei Ihrem Wagen auch so. Bei elektrischen Lokomotiven kamen die viel kleineren Motoren im Drehgestell unter, was letztlich den benötigten Platz freistellte.

 

Die hydraulische Kraftübertragung

   

Diesellokomotive

Grundsätzlich wird dieser Antrieb nur bei mit Verbrennungsmotor betriebenen Fahrzeugen verwendet. Auch ist der Einsatz dieser hydraulischen Kraftübertragung auf bestimmte Fahrzeuge beschränkt. Das zeigt sich schon beim Namen, denn einen eigentlichen Namen gibt es nicht und alles, was wir bisher über die Kraftübertragung erfahren haben, fällt weg. Wir müssen uns an neue Ideen gewöhnen.

Dabei verzichtet man bei der hydraulischen Kraftübertragung im Grunde einfach auf das hydraulische Getriebe und die Gelenkwelle. Man baut eine direkte hydraulische Regelung für die Fahrgeschwindigkeit ein. Wellen oder Getriebe gibt es daher ebenso wenig. Somit haben wir eigentlich keine konventionelle Kraftübertragung mehr, sondern wir benutzen dazu ein Transportmittel, das eine Flüssigkeit ist. Doch am besten sehen wir uns den Antrieb genauer an.

Die Hydraulikstatikanlage: Wir beginnen auch jetzt wieder beim Motor. Bei dieser Antriebsform treibt der Motor eine Hydraulikstatikanlage an. Diese Anlage ist bei den mit diesem Antrieb ausgerüsteten Fahrzeugen vorhanden, weil die Hydraulikstatikanlage für andere Bauteile des Fahrzeuges, benötigt wird. Sie ist das Herzstück dieses Antriebs und erzeugt eigentlich keine direkte Antriebsleistung.

In dieser Anlage entsteht der für den Betrieb notwendige Druck in den Leitungen. Sie werden sich vermutlich nun wundern, denn eine Flüssigkeit kann man ja nicht wie Luft zusammenpressen, wie soll denn das gehen? Gar nicht, denn die Flüssigkeit wird durch eine Leitung gepresst. Das heisst, sie entweicht in eine Leitung. Am anderen Ende dieser Leitung erfolgt dann die Kraft, die zum Beispiel einen Zylinder bewegt.

Da nun diese Antriebsform keine rotierenden Teile besitzt, spricht man von einem hydrostatischen Antrieb. Wie wir schon wissen, bezeichnet man mit Hydro Flüssigkeiten und statisch sind alle Bauteile, die bei diesem Antrieb benötigt werden. Die notwendige Energie, die für den Antrieb benötigt wird, wird hier mit der Flüssigkeit übertragen. Wir haben eine stehende Kraftübertragung, die sogar gut funktioniert.

Bei dieser Form der Kraftübertragung kommen spezielle Öle zur Anwendung. Sie müssen den hohen Kräften standhalten und dabei nicht stark komprimiert werden. Da diese Öle nur in solchen Anlagen verwendet werden können, nennt man sie Hydrostatiköl. Dabei handelt es sich meistens um normale Hydrauliköle, die zum Beispiel auch bei Baumaschinen verwendet werden. Die gleichen speziellen Hydrauliköle werden auch bei der hydraulischen Kraftübertragung verwendet.

Viele dieser Öle sind im Gegensatz zu den Motorölen biologisch verträglich. Das heisst, sie entstammen nicht immer aus Mineralöl und können daher natürlich abgebaut werden. Dabei nutzt man ganz klar die speziellen Eigenschaften dieser Öle aus. Sie sind kaum komprimierbar und zudem sehr elastisch. Die Schmiereigenschaften sind bei solchen Ölen nebensächlich, da es kaum bewegliche Teile bei dieser Antriebsform gibt, doch es gibt Sie und dazu kommen wir nun.

Der Hydraulikmotor: Das Öl, das durch die Pumpe in der Hydraulikstatikanlage unter hohen Druck gestellt wurde, kann nun benutzt werden um eine drehende Bewegung zu erzeugen. Das erfolgt in einem speziellen Motor, der Hydraulikmotor genannt wird. Dieser Hydraulikmotor setzt mit Hilfe des unter Druck stehenden Öls eine Welle in Bewegung. Wir haben nun die drehende Bewegung, die wir bei einem Antrieb benötigen.

Sie haben sich nun gefragt, wie so einen Motor funktioniert? Im Motor wird das Hydrauliköl durch spezielle Schaufelräder gepresst. Durch die Winkelstellung der Schaufelräder kann man nun die Geschwindigkeit dieses Motors regulieren. Ähnliche Anlagen gibt es auch für Kraftwerke, die mit flüssigem Wasser betrieben werden. Man nennt sie dort aber Turbine. Statt eines Generators treibt man beim Antrieb einfach das Rad des Fahrzeuges an.

Die Motoren arbeiten sehr leise und können in unterschiedlichen Grössen aufgebaut werden. Eine feinfühlige Regulierung ist dank dem leicht zu regulierenden Druck des Öles auch möglich.

Der Nachteil dieser Motoren muss eigentlich gesucht werden. Er kann im besten Fall beim Preis gefunden werden, denn die anderen Antriebe sind einfach zu billig.

Doch es gibt Anwendungen, die einen solchen Antrieb vorziehen und dort durchaus den Beweis erbringen, dass die Antriebe gut funktionieren.

Solche Regelungen der Zugkraftübertragung kommen zum Beispiel bei Baggern oder Kranfahrzeugen zum Einsatz.

Hier will man ja das Fahrzeug verschieben können und gleichzeitig soll der Aufbau unendlich drehbar sein. Dieses Prinzip gibt es auch bei der Eisenbahn, denn diese kennt auch solche speziellen Fahrzeuge.

Darunter zählen zum Beispiel die selbst fahrende Krane oder moderne Schneeschleudern. Es sind daher grundsätzlich Fahrzeuge, die drehbar auf einem Untergestell stehen.

Gerade diese Form des Antriebs kommt bei den Eisenbahnen  dadurch sehr selten vor. Da solche Antriebe aber teuer in der Anschaffung sind, bleiben es oft Einzelstücke und wenn es geht, verzichtet man auf den Antrieb aller Triebachsen. Konkret werden damit wirklich nur Krane und Schneeschleudern ausgerüstet. Bei allen anderen Triebfahrzeugen kann mit diesem Antrieb nicht vernünftig gearbeitet werden, daher verwendet man dort andere Bauformen. Doch nun zu den Vor- und Nachteilen.

VORTEIL: Der Vorteil dieser Antriebsform ist ganz klar, die mechanisch unabhängige Verbindung zwischen den Erzeuger und dem Verbraucher der Energie. Bei Maschinen, die zum Beispiel einen drehbaren Aufbau haben, kann dank diesem Antrieb  mit eigener Kraft gefahren werden. Die Leitungen sind zudem flexibel und lassen sich leicht auch bei engen Platzverhältnissen einbauen. Es gibt somit einige gute Gründe für diesen Antrieb.

Zudem benötigt man bei den Fahrzeugen, die wegen ihrem Aufbau solche Hydrostatikanlagen haben, keinen zusätzlichen Einbau für die Übertragung der Zugkraft. Man nutzt die vorhandene Anlage und nutzt diese für den Fahrbetrieb. Das macht die Anlage bei diesen speziellen Fällen sicherlich unverzichtbar und so ist es nur sinnvoll, wenn man hier eine hydraulische Kraftübertragung verwendet. Doch auch diese Kraftübertragung hat Nachteile.

NACHTEIL: Man kann mit diesem Antrieb nicht beliebig hohe Kräfte übertragen und die Leistung ist auch beschränkt. Das heisst, die Fahrleistungen solcher Fahrzeuge halten sich oft in bescheidenen Grenzen. Beim Einsatz ist das teilweise sogar von Vorteil, aber die Fahrzeuge müssen auch über grosse Strecken verschoben werden können. Daher erfolgt das meistens geschleppt und somit als Wagen, der überführt werden muss. Die teure Anlage kann dann nicht genutzt werden.

Zwar sind mit diesem Antrieb auch hohe Geschwindigkeiten möglich, aber die Kraft sinkt dann massiv ab. Einen Zug schleppen muss man dann nicht mehr wollen. Deshalb kann er auch nicht bei normalen Lokomotiven verwendet werden. Er ist wirklich nur bei speziellen Maschinen brauchbar. Doch wenn wir schon von den normalen Lokomotiven sprechen, sehen wir uns an, wie sich die Antriebe für einzelne Achsen entwickelt haben, denn die hatten sich durchgesetzt.

 

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