Stangenantrieb (Eisenbahn)

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Winterthur-Schrägstangenantrieb an einer elektrischen Lokomotive

Der Stangenantrieb ist eine Form der Kraftübertragung vom antreibenden Element wie dem Zylinder bei dampfbetriebenen Triebfahrzeugen bzw. der antreibenden Elemente bei elektrischen oder thermischen Triebfahrzeugen.

Bei klassischen Kolbendampflokomotiven geht es darum, die Hin- und Herbewegung der Kolben im Zylinder in eine Drehbewegung der Antriebsräder umzusetzen.

Bei elektrischen oder thermischen Triebfahrzeugen hat der Stangenantrieb die Aufgabe, die Zugkraft von den gefedert eingebauten Fahrmotoren zu den Treibradsätzen zu übertragen und beide voneinander zu entkoppeln, um die Laufeigenschaften zu verbessern. Andere Möglichkeiten dafür sind Einzelachsantriebe in Form von Hohlwellenantrieben und heute wegen der bei gleicher Leistung kleineren Massen der Drehstrommotoren wieder vermehrt eingesetzte – modifizierte und am Drehgestell abgefederte – Tatzlagerantriebe.

Der Stangenantrieb wurde außer zu der Kraftübertragung auch zur Verteilung der Zugkraft auf Gruppen von Treibradsätzen verwendet, um ein Schleudern einzelner Radsätze zu unterbinden (auch bei relativ modernen Fahrzeuge wie z. B. SBB Ee 3/3 IV, SJ Dm3).[1]

Begriffserklärungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Treibstange
Die Treibstange (CH: Triebstange) verbindet das antreibende Element wie den Kolben einer Dampflokomotive mit dem Treibradsatz oder einer Blindwelle. Die Hin- und Herbewegung wird dabei in eine Drehbewegung umgesetzt.
Bei einer Lokomotive wird die Drehbewegung des antreibenden Elementes, wie z. B. des Motors oder einer Turbine in eine mehr oder weniger synchrone Drehbewegung eines Treibradsatzes oder einer Blindwelle übertragen.
Kuppelstange
Die Kuppelstange kann am Kurbelzapfen der Antriebswelle oder der Blindwelle befestigt sein und treibt die Kuppelachsen an. Kuppelstangen können auch an der Treibstange befestigt sein.
Ausnahme ist der Winterthur-Schrägstangenantrieb, wo die Treibstange an der Kuppelstange befestigt ist (siehe unten).
Treibradsatz bzw. Treibachse
Insbesondere bei Dampflokomotiven wird der primär durch die Treibstangen angetriebene Radsatz als Treibradsatz, in der Schweiz auch als Triebradsatz bezeichnet. Bei Drei- und Vierzylindermaschinen kommen auch Zweiachsantriebe vor, wo Außen- und Innenzylinder auf unterschiedliche Radsätze wirken. Die Bezeichnung wird auch bei Diesel- und elektrischen Lokomotiven mit Stangenantrieb für den Radsatz verwendet, der über die Treibstangen direkt mit der Blindwelle oder vergleichbaren Einrichtungen verbunden ist. Ein Treibradsatz fällt in der Regel durch die deutlich massiveren und fallweise auch längeren Treibzapfen auf, die die gesamte Antriebsleistung übertragen müssen. Die Ausgleichsmassen in den Radsternen sind wegen der Masse der massiven Treibstangen, die zusätzlich ausgeglichen werden müssen, ebenfalls größer.
Kuppelradsatz bzw. Kuppelachse
Kuppelradsätze sind jene Radsätze, die vom Treibradsatz über die Kuppelstangen angetrieben werden. Die Treibachse kann dabei auch eine Blindwelle sein.
Blindwelle
Zusätzliche, im Rahmen gelagerte Antriebswelle oder Ausgleichs- oder Gestängeführungswelle, die über keine Radscheiben mit Gleiskontakt verfügt. Eine Blindwelle gehört in der Regel zur gefederten Masse
Vorgelegewelle
Die Vorgelegewelle übernimmt die Übertragung der Leistung des oder der Triebmotoren auf die Treibstange. In den meisten Fällen hat ein zwischen Vorgelegewelle und Fahrmotor angeordnetes Getriebe (= Vorgelege) dabei die Aufgabe, die Drehgeschwindigkeit der schnelllaufenden Motoren zu untersetzen.
Massenausgleich
Siehe dazu: Massenausgleich. Bei stangengetriebenen Diesel- und elektrischen Lokomotiven mit ausschließlich umlaufender Bewegung der Triebwerksteile ist der Massenausgleich nahezu vollständig durch Ausgleichsmassen an Wellen und Rädern erreichbar, bei Dampflokomotiven mit Zweizylindertriebwerk und den hin- und herbewegten Massen von Kolben und Kolbenstangen dagegen nur bis zu einem bestimmten Grad möglich.

Kurbelversatz[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ein Nachteil des Stangenantriebes ist, dass Treib- und Kuppelstangen nur in ihrer Längsrichtung und in einer Position außerhalb der Totpunktstellung Kräfte übertragen können. Bei Dampflokomotiven kommt dazu, dass eine Kolbendampfmaschine aus einer Stellung in Totpunktnähe nicht definiert in eine bestimmte Fahrtrichtung anlaufen kann. Deshalb erhalten die Radsätze sowie Blind-, Vorgelege- und Motorwellen einen Kurbelversatz von typischerweise 90° zwischen den beiden Fahrzeugseiten. Damit ist immer eine Antriebsseite in der Lage, die Antriebskräfte aufnehmen und übertragen zu können, weil auch bei Totpunktlage einer Seite die gegenüberliegende Kurbel zwangsweise in der Nähe des kinematisch günstigen rechten Winkels liegt. Abgewichen wird von diesem Versatz nur bei Dreizylinderdampflokomotiven. Dort beträgt er wegen des erwünschten gleichmäßigen Drehmomentverlaufs etwa 120°, wobei es wegen des häufig in einem anderen Winkel zur Treibachse liegenden Innenzylinders meist Abweichungen von einigen Grad gibt.

Dampflokomotiven und Dampftriebwagen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bei Dampflokomotiven werden bis auf seltene Ausnahmen immer Treib- und Kuppelstangen zur Kraftübertragung verwendet, der Stangenantrieb ist hier praktisch Standard. Weitere Einzelheiten siehe in Dampflokomotive. Die Entwicklung von Einzelachsantrieben kam für Dampflokomotiven zu spät, damit wurden nur wenige Prototypen ausgerüstet.

Elektrische und thermische Lokomotiven und Triebwagen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Rahmen und Antriebe der DD1 der PRR mit jeweils einfachem Schrägstangenantrieb

Die ersten größeren, mit Diesel- oder Elektromotoren angetriebenen Lokomotiven hatten zur Kraftübertragung vom Fahrmotor zu den Treibradsätzen und zum Ausgleich des Federspieles meist ein Gestänge, üblicherweise eine oder mehrere Treib- und Kuppelstangen. Mit dem Aufkommen hydraulischer und elektrischer Kraftübertragungen bezeichnete man die Lokomotiven mit Stangenantrieb zur begrifflichen Abgrenzung auch als Stangenlokomotiven.

Schrägstangenantriebe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Schrägstangenantrieb mit hochliegendem Motor[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

DR-Baureihe E 52, eine Stangen-Elektrolokomotive der DR mit Schrägstange auf Blindwelle
SBB Be 4/6 12303-12342, eine Stangen-Elektrolokomotive der SBB mit flachen Schrägstangen auf Triebachsen

Die ersten leistungsfähigen Elektrolokomotiven (insbesondere bei Wechselstrom) besaßen langsamlaufende Repulsionsmotoren. Diese nahmen wegen ihrer Größe nahezu den ganzen Querschnitt des Lokomotivkastens ein. Für die Übertragung der Antriebskraft wurden vielfach in einem Winkel von ungefähr 45° angeordnete Treibstangen angebracht. Es gab aber auch Lokomotiven mit fast senkrechten Treibstangen.
Die Treibstangen übertrugen die Kraft in den meisten Fällen auf eine Blindwelle, von der die Kraft mittels Kuppelstangen auf die benachbarten Radsätze übertragen wurde. Beispiele dafür sind die DR-Baureihe E 52 oder die Ge 2/4 (vor Umbau) der RhB.

Flacher Schrägstangenantrieb[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Dieser Antrieb ist ebenfalls ein Antrieb mit zwei Fixpunkten, die aber fast bis ganz horizontal gelegt sind. Die Vorgelegewelle treibt dabei die Treibachse ohne Zwischenelement an. Beispiele dafür sind Fb 2x2/3 11302 der SBB, Be 4/6 12303-12342 der SBB und die Dampfturbinenlokomotive DR-Baureihe T 18.10.

Winterthur-Schrägstangenantrieb[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

E 91 99 der Deut­schen Reichs­bahn mit Win­ter­thur-Schräg­stan­gen­an­trieb

Der Winterthur-Schrägstangenantrieb oder Winterthurer Schrägstangenantrieb ist ein im Aufbau einfacher Antrieb. Die Basis des Antriebs ist eine leicht nach oben versetzte Vorgelegewelle. Diese treibt eine einfache Treibstange an, die mit einer dreieckförmigen Kuppelstange verbunden ist. Die gesamte Geometrie des Antriebes kann vertikal in einer Ebene angelegt werden. Durch die Anordnung in einer Ebene ergibt sich aber, dass die Treibstangen nicht an den Kurbelzapfen des primären Treibradsatzes angelenkt werden können, sondern exzentrisch an den dreieckförmig ausgebildeten Kuppelstangen, was zu zusätzlichen mechanischen Beanspruchungen der Kuppelstange und der Kurbelzapfen der durch die Kuppelstange angetriebenen Radsätze führt. Dies manifestiert sich geräuschmäßig durch ein Knacken in den Wendepunkten. Nichtsdestotrotz war der Antrieb seiner Einfachheit wegen der meistverbreitete Stangenantrieb für elektrische Lokomotiven.

Ein sehr frühes Beispiel war die BLS Ce 6/6 121, ein Einzelstück, aus dem Jahre 1910. Sie hatte eine für damalige Verhältnisse sehr hohe installierten Leistung von 1470 kW (2000 PS). Weitere Beispiele sind SBB Ce 6/8I, SBB Ce 6/8III, verschiedene SBB Ee 3/3, RhB Ge 6/6I oder DR-Baureihen E 60, E 63, E 75, E 77 und E 91.

Schlitztreibstangen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Eine Schlitztreibstange verbindet drei Kurbelzapfen. Auf den äußeren Kurbelzapfen ist dabei die Stange, die in der Regel dreieckförmig ausgebildet ist, unverschiebbar gelagert. Der mittlere Treibzapfen ist in Idealstellung der beiden äußeren Kurbelzapfen zum Ausgleich des Federspieles vertikal verschiebbar in einer schlitzförmigen Aussparung gelagert. Neben kleinen, durch die Reibung im Kurbelzapfenlager des Schlitzes oder durch eine gleislagenabhängige Schrägstellung des Schlitzes übertragenen Vertikalkräften werden nur Horizontalkräfte übertragen. Der Nachteil der Schlitzstange ist ihr, verglichen mit einer an zwei Punkten gelagerten Treibstange, größeres Volumen und damit ihre größere Masse. Ein weiterer Nachteil ist der größere Unterhaltsaufwand.

Durch die voluminöse Ausbildung der Treibstange sind Kuppelstangen für weitere angetriebene Achsen immer an der Stange und nicht am jeweiligen Kurbelzapfen angelenkt.
Idealerweise wird dabei die Kuppelstange vertikal auf der Idealstellung des Kurbelzapfens (das heißt in der Position bei ebener Gleislage) der durch die Schlitztreibstange angetriebenen Achse angeordnet.

Schlitztreibstange auf zwei Treibradsätzen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ce 4/4, eine Stangen-Elektrolokomotive der BLS mit Schlitztreibstange auf zwei Treibachsen

Bei dieser Art übernehmen die Kurbelzapfen zweier Treibradsätze die Funktion der festen Lager. Die schlitzförmige Lagerung ist dem Kurbelzapfen der Vorgelegewelle übertragen. Dadurch ergibt sich je nach Gleislage eine Auslenkung aus der vertikalen Lage des Schlitzes bezüglich des im Rahmen fest gelagerten Antriebs. Diese Art des Antriebs wurde z. B. bei der Preußischen EG 511 bis EG 537, den Bayerischen EG 2, beim Prototyp Fb 2x2/3 11301 der SBB oder bei der Ce 4/6 der BLS sowie einigen Triebwagen wie den Preußischen ET 831 bis ET 842 verwendet.

Schlitztreibstange auf Treibradsatz und Blindwelle[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Denkmallok Ce 6/8II 14270
Schlitztreibstange auf Treibradsatz und Blindwelle

Diese Art kam zur Anwendung bei der Lokomotive Ce 6/8II der SBB. Den einen festen Punkt übernahm dabei die Vorgelegewelle, den andern eine Blindwelle, die anfänglich sogar horizontal drehbar bezüglich des Rahmens gelagert war. Auch bei dieser Anwendung war die vertikale Lage des Schlitzes zum Gleis fast immer gewährleistet. Dieser Antrieb war die Antwort der Industrie auf das von der SBB vermutete unbefriedigende kinematische Verhalten des Winterthur-Schrägstangenantriebes, der bei der Ce 6/8I der SBB eingesetzt wurde. De facto hieß das also, dass vor der Inbetriebsetzung der Ce 6/8I diese Zweifel schon vorhanden waren. Tatsächlich erwies sich diese Art des Antriebs dann auch als sehr laufruhig.

Schlitztreibstange auf eine Treibachse[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ae 3/6II, eine Stangen-Elek­tro­lo­ko­mo­ti­ve der SBB mit Schlitz­treib­stan­gen von zwei Vor­ge­le­ge­wel­len auf ei­ne Treib­ach­se

Da die im Lokomotivrahmen fest gelagerten Motoren und Vorgelegewellen beide feste Kurbelzapfen der Treibstange antreiben, ist die Vertikalstellung des Schlitzes bezüglich der Lokomotive hier immer senkrecht.
Diese Art kam bei Lokomotiven, bei denen zwei Vorgelegewellen in derselben Antriebseinheit vorhanden waren, zur Anwendung. Der Schlitz befindet sich hier beim Kurbelzapfen der Triebachse.

Ein frühes Beispiel war die Fb 5/7 (später umbezeichnet auf Be 5/7) der BLS von 1913. Die für damalige Verhältnisse große installierte Leistung von 1840 kW (~ 2500 PS war auf zwei Motoren verteilt, die über Ritzel und Großzahnräder – wie oben beschrieben – zwei Vorgelegewellen antrieben, die durch eine offene, geschmiedete Dreiecktreibstange gemeinsam den mittlere Treibradsatz antrieben. Die dabei auftretenden Schwingungen führten mehrfach zu einem Verbiegen dieser Treibstangen. Erst der Einsatz eines verstärkten Dreieckrahmens schuf Abhilfe.
Bei Triebfahrzeugen für höhere Geschwindigkeiten wurden zusätzlich die Ritzel auf den Fahrmotorwellen abgefedert.

Weitere Beispiele dafür sind die Lokomotiven Fb 3/5 11201 und Ae 3/6II der SBB.

Kandó-Antrieb[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Prinzipskizze des Kandó-Dreieckes

Eine ähnliche Konstruktion, jedoch ohne Schlitzkurbel, stellte der patentierte Kandó-Antrieb dar, der auf die Firma Ganz und seinen Konstrukteur Kálmán Kandó zurückging.

Für den Höhenausgleich zwischen Fahrmotoren und Achsen verwendete Kandó einen an den Blindwellen der Motoren verbundenen Gliederrahmen, die Verbindung zu den Treibrädern stellte das sogenannte Kandodreieck her. Der Vorteil dieser Konstruktion war, dass die reichliche Schmierung der Kulisse minimiert werden konnte.

Angewendet wurde das System zum ersten Mal bei den Drehstrom-Elektrolokomotiven der FS, Baureihe E 552[2][3][4]. Für die Elektrifizierung der oberitalienischen Ferrovia Alta Valtellina führte die Firma Ganz die Elektrifizierungsarbeiten aus. In Ungarn erschien dieses System durch die verspätete Fertigstellung der MÁV-Baureihe V50 erst später. Weitere bekannte Lokomotiven mit diesem Antrieb sind die MÁV-Baureihe V40 und die MÁV-Baureihe V60.

Gelenkantrieb nach Bianchi[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Prinzipskizze des Bianchi-Gelenkantriebes

Beim Gelenkantrieb nach Bianchi sorgte ebenso ein Hebelsystem für den Höhenausgleich zwischen Motor und Antriebsachsen. Anstatt des Kandó-Dreiecks bestand hier die Verbindung zwischen Hebelsystem und Treibachse aus einem Hebelsystem aus drei Gelenkhebeln. Diese drei Hebel umfassten mit sechs Druckpunkten den Treibzapfen des Antriebsrades und verhinderten die Einleitung vertikaler Kraftkomponenten. Auch hier konnte die Schmierung gegenüber einem Antrieb mit Kulisse wesentlich gemindert werden.

Angewandt wurde dieses System zum ersten Mal 1927 bei den elektrischen Drehstromlokomotiven der FS, Baureihe E 554, die in großer Stückzahl hergestellt wurden. Der von Giuseppe Bianchi entwickelte Stangenantrieb war nicht nur für die langsamfahrendenen, für nur 50 km/h zugelassenen Güterzuglokomotiven bestimmt, sondern auch die Schnellzuglokomotiven der Reihe E 432, die für 100 km/h Höchstgeschwindigkeit zugelassen waren, hatten diese vielteilige Antriebskonstruktion.

Mehr als vier Jahrzehnte hat diese Getriebekonstruktion zuverlässig ihre Aufgaben erfüllt. Das Ende erfolgte erst 1976 mit dem Ende des Drehstrom-Systemes bei der oberitalienischen Ferrovia Alta Valtellina.

Quellen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Anmerkungen: der nachfolgend angewendete Begriff …lokomotive gilt sinngemäß auch für Triebwagen. Der Begriff Lokomotive wird nachfolgend für Triebfahrzeuge verwendet, bei denen eine Drehbewegung in eine andere Drehbewegung umgesetzt wird. Die gilt in diesem Fall auch für ein thermisches Antriebselement, das nicht eine eindimensionale Bewegung direkt in eine Drehbewegung umsetzen müssen (klassische Dampflokomotive).
  2. Foto der FS E552 (Memento vom 20. Dezember 2005 im Internet Archive)
  3. Foto von einem Modell der FS E.552
  4. Skizze der FS E552 (Memento vom 26. Januar 2017 im Internet Archive)
  • Hans Schneeberger: Die elektrischen und Dieseltriebfahrzeuge der SBB, Band I: Baujahre 1904–1955; Minirex AG, Luzern; 1995; ISBN 3-907014-07-3.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Claude Jeanmaire: Die elektrischen und Diesel-Triebfahrzeuge schweizerischer Eisenbahnen, Die Lokomotiven der Schweizerischen Bundesbahnen (SBB)
  • Wolfgang Messerschmidt: Lokomotivtechnik im Bild – Dampf-, Diesel- und Elektrolokomotiven. Motorbuchverlag Stuttgart, 1991 ISBN 3-613-01384-3; S. 71–74.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Commons: Lokomotiven mit Stangenantrieb – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien