Hohlwellen-Antrieb

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Hohlwellenantrieb von Westinghouse
Hohlwelle mit Keilpaketkupplung eines Stadler KISS

Ein Hohlwellen-Antrieb ist eine Komponente von elektrisch angetriebenen Triebfahrzeugen, vor allem der Eisenbahn und anderer Bahnen. Den Hohlwellenantrieb findet man auch bei anderen elektrischen Antrieben, z. B. bei CNC-Maschinen.

Wirkprinzip[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Kraftübertragung erfolgt vom Antriebsmotor zunächst über ein Ritzel auf eine Hohlwelle, die die Radsatz-Welle umgibt. An einem Ende der Hohlwelle ist ein Großrad-Zahnrad aufgebracht, an dem wiederum umlaufend Federelemente befestigt sind, die ihrerseits auf der Gegenseite mit dem Radkörper verbunden sind. Das gegenüberliegende Rad wird durch die in der Hohlwelle liegende Radsatzwelle ebenfalls angetrieben. Damit werden Drehmomentspitzen im gesamten Antriebszug vom Fahrmotor bis zu den Antriebsrädern abgebaut.

Der Hohlwellenantrieb findet wegen des höheren Fertigungsaufwandes meist eher bei schnellfahrenden Lokomotiven und Triebwagen Anwendung (Geschwindigkeiten oberhalb von ca. 140 km/h). Die einfachere Alternative zu Hohlwellenantrieben ist der Tatzlager-Antrieb.

Antriebsvarianten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Westinghouse-Federantrieb[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Westinghouse-Federantrieb

Der Westinghouse-Federantrieb ist die älteste Bauform eines Hohlwellenantriebes mit Federkupplung.[1] Er wurde von der Firma Westinghouse bis 1912 für die New York, New Haven and Hartford Railroad als Konkurrenzprodukt zu den Gummipuffer-Kraftübertragungen von General Electric entwickelt.[2]

Angewendet wurde er in den USA bei den Lokomotiven Nr. 5000 bis 5006 der Boston and Maine Railroad und später bei der bekannten Klasse GG1 der Pennsylvania Railroad (PRR). Die Schweizer Sécheron-Werke (SAAS) fertigten den Westinghouse-Antrieb in Lizenz und verwendeten ihn bei den SBB Be 4/7, Ae 3/5 und Ae 3/6 III.

Sécheron-Federantrieb[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Rad mit Sécheron-Hohlwellen-Feder­antrieb an einer Be 4/4 der BT.
Sécheron-Federantrieb

Die Société Anonyme des Ateliers de Sécheron (SAAS) in Genf entwickelten den Westinghouse-Antrieb weiter zum Sécheron-Federantrieb. Die SAAS ersetzte die sechs einzelnen Wickelfedern (Evolutfedern) pro Rad des Westinghouse-Antriebs durch drei Doppelfederelemente. Die Kupplungsfedern wurden weniger hoch beansprucht und der Raum für die Federn besser ausgenützt. Dadurch waren kleinere Raddurchmesser als beim Westinghouse-Antrieb möglich. Der Sécheron-Federantrieb zeichnet sich durch tiefe Unterhaltskosten aus – insbesondere seitdem es möglich ist, gebrochene Antriebsfedern zusammenzuschweißen.[3]

Die ersten Sécheron-Federantriebe kamen 1926 bei der Rahmenlokomotive BLS Ae 6/8 zum Einsatz. Anwendung fand dieser bewährte Antrieb auch bei verschiedenen Triebwagen und bei Drehgestelllokomotiven: In Österreich bei den BBÖ 1170, 1170.1, 1170.2 und ÖBB 1040 oder in der Schweiz bei den Be 4/4 von BT und EBT-Gruppe.

Beim Westinghouse- und Sécheron-Antrieb werden die fest eingespannten Federn bei höheren Geschwindigkeiten beachtlich auf Biegung beansprucht. Diesen Nachteil vermeidet der nachfolgend beschriebene Federtopf-Antrieb.

Federtopf-Antrieb[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Eine frühe Weiterentwicklung des Westinghouse-Antriebs war der Federtopf-Antrieb (z. B. der „AEG-Kleinow-Federtopf-Antrieb“), mit denen die Deutsche Reichsbahn nach einigen Prototypen die serienmäßig beschafften Baureihen E 04 (ab 1933), E 17 (ab 1928), E 18 (ab 1935) und E 19 (ab 1938) ausrüstete.

Federtopfantrieb der Maschinenfabrik Oerlikon (MFO)

Für diesen Antrieb sind auf der Hohlwelle in der Regel sechs abstehende Speichen angebracht, deren Enden wie Ausleger zwischen den Radspeichen nach außen durchgeführt werden. Außen an den Radspeichen befinden sich in topfförmigen Fassungen gelagerte Schraubenfedern, die jeweils mit den Hohlwellen-Speichenenden gelenkig verbunden sind. Speichenstern und Radspeichen stehen entsprechend um 30° versetzt zueinander. Mit dieser Anordnung wurde die Motordrehung auf die Räder übertragen, wobei sowohl das ruckartig auftretende Motor-Drehmoment beim Einschalten zum Anfahren bzw. einem Schaltstufenwechsel während der Fahrt gegenüber dem Radkörper als auch umgekehrt fahrtbedingte Stöße des Radkörpers gegenüber dem Motor abgedämpft wurden.

Die Stahlfedern zeigten sich nach längerer Betriebszeit sehr anfällig gegen Federbrüche und wurden zunehmend durch modernere Gummiringfedern ersetzt. Mit dieser Maßnahme konnte bei den deutschen Elektrolokomotiv-Typen E 18 und E 19 die in der Nachkriegszeit auf 120 km/h herabgesetzte Höchstgeschwindigkeit wieder auf 140 km/h gesteigert werden.

Gummiringfederantrieb[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Eine Weiterentwicklung des Federtopfantriebs stellt der Gummiringfederantrieb dar. Der Fahrmotor wird gefedert und über den Drehgestellrahmen und die Hohlwelle des Treibradsatzes abgestützt. Diese Antriebsart macht auch Anfahren unter schwerer Last besser möglich. Allerdings ist die Federwirkung nur bis zu einer Geschwindigkeit von bis zu etwa 160 km/h zuverlässig, darüber hinaus drohen Federbrüche. Der Gummiringfederantrieb kam in Deutschland erstmals bei der Deutschen Bundesbahn ab 1956 in der Gruppe der Einheits-Elektrolokomotiven mit den Baureihen E10, E40, E41 und E50 (2. Los) zur Anwendung. Verwendung findet dieser Antrieb weiterhin in den Baureihen 111 und 151.

Die Kraftübertragung vom Fahrmotor auf das Rad erfolgt zunächst über ein Zahnrad auf eine Hohlwelle, die die Radsatz-Achse umgibt. An beiden Enden der Hohlwelle sind mehrere Hartgummi-Elemente, so genannte Gummiring-Feder-Segmente (auch Gummisegment-Federn genannt) angebracht. Diese sind radsatzinnenseitig kreisförmig jeweils an der Radscheibe befestigt. Fallweise greifen diese Gummi-Elemente auch durch Radspeichen hindurch und werden an diesen befestigt. Damit ergibt sich eine elastische und durch die innere Reibung der Gummi-Elemente Torsionsschwingungen dämpfende Drehmomentübertragung, bei der auch der Fahrmotor gegen Stöße beim Überfahren von Gleis-Unebenheiten besser geschützt ist.

Gelenkmechanismus mit „Tanzendem Ring“[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Eine italienische Variante des Gummiringfederantriebes ist der sogenannte Gelenkmechanismus mit „Tanzendem Ring“. Hier wird auf federnde Elemente verzichtet. Die Hohlwelle ist an dem Fahrmotor gelagert. Die Übertragung auf den Radsatz geschieht außerhalb des Radsatzes über einen freischwebenden flanschförmigen tanzenden Ring und über zwei rechtwinklige Hebelpaare. Bei diesen Hebelpaaren sind die Endpunkte über jeweils zwei Treibzapfen mit dem Radsatz gummielastisch verbunden. Durch diese Form wird der Höhenausgleich und ein weiches Anfahren ohne Überbeanspruchung der elektrischen Motoren realisiert.

Erprobt wurde diese Antriebsvariante erstmal bei der E 434.068, erstmals angewandt wurde sie dann erstmals bei der FS E.646 und der FS E.444.[4] Auch bei vielen elektrischen Lokomotiven der Firma Alstom wurde diese Antriebsform verwendet. Auf der beigelegten Drehgestellzeichnung ist die Antriebsanordnung bei der FS E.444 zu sehen.[5]

Kardan-Gummiringfederantrieb[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Beim Kardan-Gummiringfederantrieb sind die Fahrmotoren direkt in das Drehgestell eingebaut, um die ungefederten Massen klein zu halten. Dadurch werden die starken Fahrbahnstöße bei hohen Geschwindigkeiten gedämpft und die Bewegungen zwischen dem Radsatz und dem Fahrmotor ausgeglichen. Ein bekannter Vertreter dieses Antriebs ist die Baureihe 103.

Kegelringfeder-Antrieb[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Für die Deutsche Reichsbahn entwickelten in der DDR die Lokomotivbau Elektrotechnische Werke (LEW) ihre eigene Variante des Hohlwellenantriebs. Auf jede Achse wirkt ein elektrischer Fahrmotor, der vollkommen abgefedert ist. Beidseitig angeordnete Getriebe in Verbindung mit Gummi-Kegelringfedern ermöglichen eine elastische Drehmomentübertragung.

Andere Antriebe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Lexikon der Eisenbahn. Transpress VEB Verlag für Verkehrswesen, Berlin, 1978, Seite 829
  2. Hans-Peter Bärtschi: Elektrolokomotiven aus Schweizer Fabriken. In: Verkehrshaus der Schweiz (Hrsg.): Kohle, Strom und Schienen: Die Eisenbahn erobert die Schweiz. Verlag NZZ, Zürich 1998, ISBN 3-85823-715-9, Seite 274
  3. Karl Sachs: Die schweizerische Entwicklung im Bau elektrischer Lokomotiven für Adhäsionsbetrieb .
    Schweizerische Bauzeitung, Band 73 (1955), Heft 42, Seite 641. (retro.seals.ch)
  4. Wolfgang Messerschmidt „Lokomotivtechnik im Bild“,1991, Motorbuchverlag Stuttgart, ISBN 3-613-01384-3, Seite 79
  5. Drehgestellzeichnung eines Radsatzantriebes mit Tanzendem Ring auf der italienischen Wikipedia

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Bäzold, Obermeyer: Die Baureihen E 04 und E 17 und die Versuchslokomotiven E 05, E 05.1, E 15, E 16.5, E 21 und E 21.5. Eisenbahn-Journal IV/1993.
  • Bäzold, Obermeyer: Die E 18 und E 19. Eisenbahn-Journal IV/1992.
  • K. Sachs: Zur Entwicklung elektrischer Lokomotiven und Triebwagen in der Schweiz .
    Schweizerische Bauzeitung, Band 65 (1947), Heft 26, Seite 362–363, Bild Seite 361 (retro.seals.ch). mit Bild des Sécheron-Federantriebs

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]