Zweihundert Kilometer pro Stunde nach Fahrplan

Ergänzung zu Teil 3: Dampfmaschine mit pendelndem Zylinder

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Teil 3.1 : Abschätzungen zum Fahrwerk
Teil 3.2 : Erhöhung der Drehzahl der Dampfmaschine

Für den an mechanischen Konstruktionen interessierten Leser soll hier eine Anregung zum Knobeln gegeben werden. Oder auch zum Recherchieren, ob es so etwas nicht doch einmal gegeben hat. Ich hatte mir schon lange vorgenommen, mal in Bibliotheken und im Patentamt nach ganz alten, exotischen Erfindungen zu suchen, aber immer hatte etwas anderes Priorität. Ehrlich gesagt, macht mir das Zeichnen mehr Spaß als das Suchen. Ich hoffe, es findet sich jemand, bei dem das umgekehrt ist.

Aber auch die Meinung eines Fachmanns ist erwünscht, selbst wenn sie vernichtend ausfallen sollte, zum Beispiel: Totaler Schwachsinn! Kann garnicht funktionieren. Oder auch: Nette Idee, aber in der Praxis damals nicht realisierbar. ( Und heute vielleicht erst recht nicht. Wenn man liest, welche Probleme beim Herstellen von Ersatzteilen für die Museums- Dampfloks entstehen...)

Vom Schwermaschinenbau habe ich keine Ahnung, alles ist nur abgeschaut und angelesen. Ansonsten muss ich mich auf allgemeine Ingenieurskenntnisse und ein Gefühl für Proportionen verlassen. Beim Konstruieren kommt dann aber eines zum anderen und plötzlich ist etwas auf dem Papier, wo man sich fragt: Warum haben die das damals nicht auch so gemacht? Weil in der Mechanik eigentlich alles irgendwann schon einmal erfunden worden ist, wird das mit dem oben in Bild 3 dargestellten Prinzip wohl auch so sein. Pendelnde Zylinder habe ich schon abgebildet gesehen, allerdings keine mit Hilfszylinder zur Unterstützung oder alleinigen Ausführung der Pendelbewegung.

Damit die Kolbenstange keine seitlichen Biegekräfte aufnehmen muss, und ganz normale führende Metall- Stopfbuchsen verwendet werden können, ist zwischen Kolbenstange und Kurbelzapfen ein Gelenk eingefügt, oder wie hier angedeutet, ein Parallelogramm aus Blattfedern. Es gleicht einen Winkelfehler aus, der sich beim Nachführen nicht ganz vermeiden lässt, insbesondere nicht bei höheren Drehzahlen. Bei langsamen Radumdrehungen kann der Hilfszylinder sehr genau arbeiten, denn solange der rot gezeichnete Kolben noch nicht seine Sollstellung erreicht hat, strömt Dampf ein. Erst wenn das schwarze Steuerrohr und das rote Zylinderrohr fluchten, sind alle Schlitze geschlossen.

Exakt funktioniert ein solcher Servo- Antrieb nur mit Flüssigkeiten, denn der Dampf kondensiert bei Abkühlung im Zylinder und zieht den Kolben wieder zurück. Das heißt, es bleibt immer ein Schlitz, oder schlimmer, es kann eine Flatterbewegung auftreten. Bei einer Lokomotive wäre es lohnend, zuerst zu probieren, ob man es mit Dampf zum Funktionieren bringen kann. Der Rückzug auf Wasser als Medium bleibt offen und hätte den Vorteil kleinerer Bauweise.

Die gezeichnete Ableitung der Steuerung von einem Zapfen an einer Gegenkurbel ist nur als Beispiel anzusehen, das den Vorteil hat, dass die Geometrie offen ins Auge springt. Wegen der ähnlichen Dreiecke mit der Radachse als gemeinsamem Eckpunkt haben auch die nach unten weisenden Winkelhebel parallele Lage, wenn die Sollstellung erreicht ist.

Auch die rechts gezeichnete Konstruktion ist nur als Beispiel anzusehen. Da sind Pendelachse, Dampfumlenkung über das Scharnier zum bzw. vom Zylinder, und schließlich der Kolbenschieber mit innerer Einströmung in einer Baugruppe zusammengefasst. Hätte ich alle erforderlichen Dichtungsringe eingezeichnet, wäre offensichtlich geworden, dass hier vielleicht doch etwas zuviele Funktionen zusammengeballt sind. Aber als Idealziel kann man es vielleicht erst mal so stehenlassen.

In der fiktiven Artikelreihe ist offengelassen, aus welchem Grund sich der alte Mitarbeiter des Arbeitskreises vor 30 Jahren darum bemüht hat, Kreuzkopf und Führungslineal einzusparen. Wenn man Fachliteratur von vor der Jahrhundertwende liest, fällt auf, dass alles, was genau sein musste, mit der Drehbank hergestellt wurde. Lineale konnten nur relativ grob maschinell vorgefertigt werden und benötigten dann viel Handarbeit. Davon abgesehen ging es natürlich auch um Gewichtseinsparung. Nicht wegen der Drehzahl, aber wegen der damals geringen zulässigen Achslast, die auf vielen Strecken nur 10 bis 12 Tonnen betragen hat. Ab 1890 stieg die verlangte Zugleistung der Lokomotiven rapide an, während die Strecken nur langsam ausgebaut werden konnten.

Vorausgesetzt, diese ungewohnte Dampfmaschine lässt sich zu derselben Reife entwickeln, wie die Standard- Maschine, welchen Vorteil hätte dieser Aufwand dann für eine Hochgeschwindigkeitslok. Stellen wir uns drei Antriebsradsätze mit 1800mm Durchmesser vor, die normal miteinander gekuppelt sind und Gegengewichte zum 100 %-igem Ausgleich der umlaufenden Massen haben. Alle drei haben jeweils um 120 Grad versetzte Kropfachsen mit relativ kleiner Exzentrizität. Je kleiner, desto leichter ist die Achse von Gewicht und Herstellaufwand. In erster Linie geht es aber darum, trotz der höheren Drehzahl ( infolge der für 200 km/h relativ kleinen Räder ) die zulässige Kolbengeschwindigkeit nicht zu überschreiten. Wie in Kapitel 3.1 für die 3m- Räder beschrieben, führt das auch hier zu größeren Kolbenflächen und der Aufgabe, die höheren Kräfte auf die Kurbel zu bringen. Während dort ein entsprechend verstärkter, normaler Antrieb wegen der niedrigen Drehzahl realisierbar erscheint, sind hier die größeren Kräfte UND die höhere Drehzahl zu beherrschen. Da dürfte das Pendelprinzip seine Vorteile ausspielen können.

Die Anordnung von drei über der Mittelachse in gleicher Neigung hintereinander liegenden Zylindern ist generell optimal, weil sich die Auswirkungen der hin und hergehenden Massen ausgleichen. (Jeder Versatz oder unterschiedliche Neigungen bringen Drehmomente.) Der Ausgleich gilt aber nur für die Wirkung vom Antrieb nach außen auf die Lok. Im Inneren des Triebwerks, zwischen den Punkten, wo die Beschleunigungskräfte angreifen, sind zu deren Übertragung stabile Konstruktionselemente erforderlich. Wollte man in unserem Fall ( 1,8m- Räder und kurzer Kolbenhub) die Standard- Bauweise versuchen, müsste dort alles sehr massiv gebaut werden. Es erscheint zweifelhaft, ob der zwischen den Rädern zur Verfügung stehende Raum dafür ausreicht, wenn man berücksichtigt, dass auch der Rahmen entsprechend verstärkt werden müsste, und alle Schmierstellen erreichbar sein müssten.

Auch die Pendelzylinder müssen recht massiv aufgehängt werden, damit die Anfahrkräfte abgestützt werden. Zusätzliche Verstärkungen zum Ausgleich der Massenkräfte von Radsatz- Antrieb zu Radsatz- Antrieb halten sich allerdings in Grenzen. Positiv bemerkbar machen sich insbesondere die wesentlich kürzeren Einbaumaße.

Bei der 200 km/h- Dampflok steht der beschriebene Drei- Pendelzylinder Antrieb in Konkurrenz mit einem Sechs- Zylinder- Antrieb normaler Bauweise, bei dem die Zylinder halbe Kolbenflächen aufweisen können. Wenn sie paarweise direkt nebeneinander montiert sind und die zugehörigen Kurbeln um 180 Grad versetzt sind, lassen sich die Kräfte ebenfalls ohne schwere Verstärkungen beherrschen. Der Aufwand ist beträchtlich, selbst wenn je ein Kolbenschieber zwei Zylinder versorgen kann. Bei Gelegenheit werde ich zu dieser Alternative die Platzverhältnisse untersuchen. Da könnten die vielen Dampfleitungen problematisch sein.

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