Antrieb

Dampf

Dieser Antrieb sollte eigentlich jedem bekannt sein. Man kann hier sicherlich nicht vollständig die gesamte Funktionsweise einer Dampflok erklären, da sich damit einige Bücher füllen lassen. Für alle diejenigen, die aber ein paar Grundlagen erfahren wollen, soll hier das Prinzip grob erklärt werden:

Zuerst einmal braucht man ein Feuer. Bei den ersten Dampfloks wurde dieses Feuer mit Kohle erzeugt. Später gab es Loks, die mit Öl befeuert wurden. Man hat aber auch Versuche mit Kohlenstaub gemacht, was aber wohl nicht überzeugt hat. Das Feuer erhitzt das Wasser im Kessel. Da es aber nicht ausreichend war, ein Feuer an einer Seite unter einem so großen Wasserbehälter zu unterhalten, mußte man die Heizfläche vergrößern. Deshalb wird der Kessel von Rohren durchzogen, durch die die heißen Abgase des Feuers geleitet werden. Am vorderen Ende der Dampflok kann die sogenannte Rauchkammertür geöffnet werden, um die Rohre von Zeit zu Zeit mit Preßluft von Rußrückständen säubern zu können.

Das erhitzte Wasser dehnt sich aus und bildet Wasserdampf, der unter einem Druck von ca. 8 bar steht. Der unter Druck stehende Wasserdampf wird zum Arbeiten in die Zylinder geleitet, wo er auf die im Zylinder beweglichen Kolben drückt. Der Dampf, der aus dem Zylinder wieder austritt, steht nicht mehr unter so hohem Druck. Er wird aber noch gebraucht um das Feuer anzuheizen: Dies passiert, indem man ihn hinter der Rauchkammertür von unten einbläst. Er steigt nach oben aus dem Schornstein heraus und erzeugt dabei in den Rohren, die durch den Kessel laufen, einen Unterdruck und zieht so die heißen Abgase des Feuers durch die Rohre. Durch diesen Luftstrom wird das Feuer weiter angeheizt.

Leider genügt es nicht, den Dampf einfach nur in die Zylinder zu leiten, da sich die Kolben einmal nach vorne und einmal nach hinten bewegen müssen, um die Räder über die Gestänge eine volle Umdrehung zu bewegen. Es gibt zwei große Gruppen von Dampfloks: Güterzugloks, mit vielen kleinen Treibrädern, weil sie langsam fahren aber viel Kraft auf die Schiene bringen müssen (z.B. die 44), und dann gibt es die Personenzugloks mit wenigen großen Treibrädern, die wenig Kraft auf die Schiene bringen müssen, wo aber Geschwindigkeit gefragt ist (z.B. die 03).

Die Treibräder sind über eine Kuppelstange miteinander verbunden, die wiederum – über ein Gelenk – im Zylinder am Kolben endet. Sie überträgt die Kraft vom sich hin- und her bewegenden Kolben auf die Räder. Darüber liegen einige kleinere Stangen, von denen eine in den oberen Teil des Zylinderblocks hineinläuft: dies ist die Steuerung. Sie ist nichts anderes als ein spezielles Ventil, dass den Dampf im richtigen Moment in die eine oder andere Seite des Zylinder leitet, um den Kolben im Zylinder passend zur Bewegung der Räder nach vorne oder hinten zu bewegen. In den Treibrädern befinden sich bei allen Loks mit Kuppelstange (auch Dieselloks wie z.B. die V60) Gewichte. Diese Gewichte bilden ein Gegengewicht zu den Aufhängungen der Kuppelstange und der Kuppelstange selbst. Die Lok kann mit der Kuppelstange am toten Punkt stehen bleiben. Dies ist aber nicht schlimm, weil die Kuppelstange auf der gegenüberliegenden Seite um 90° versetzt angeordnet ist. Daher kann die Lok jederzeit aus eigener Kraft wieder anfahren.

Dieselloks
Eine Diesellok enthält einen Dieselmotor mit einer Leistung von bis zu ca. 4000 PS. Kurz nachdem der Dieselmotor erfunden worden war, hat man versucht, ihn in Loks zu integrieren. Man hatte aber das Problem mit dem Anfahren noch nicht im Griff, da der Dieselmotor direkt mit den Achsen verbunden war. Wenn also die Lok steht, steht auch der Motor. Jeder weiß aber, dass man einen Verbrennungsmotor nicht aus dem Stand anlaufen lassen kann. Deshalb hat man Preßluft in die Zylinder geleitet, bis die Drehzahl hoch genug war, um auf Dieselbetrieb umzuschalten. Dieser Antrieb erwies sich aber als sehr schlecht, da man grade beim Anfahren viel mehr Kraft aufbringen muß, als mit Pressluftaggregaten erzeugt werden konnte.

Der nächste Schritt war die Diesel – Elektrische Kraftübertragung (siehe unten).

Die Entwicklung von brauchbaren Getrieben dauerte viele Jahre. Sie bestehen aus verschiedenen Drehmomentwandlern, die bei der jeweils für sie günstigen Drehzahl arbeiten, und aus hydraulischen Kupplungen.

Dieselmotoren bzw. Verbrennungsmotoren allgemein haben eine Leistungskurve. Das bedeutet, dass sie die angegebene Leistung nur bei einer bestimmten Drehzahl erreichen. Die Leistung wird vermindert durch die Verluste in den Getrieben. Außerdem liegt der Wirkungsgrad (Verhältnis von eingebrachter zu tatsächlich nutzbarer Energie) von Dieselmotoren nur bei knapp 40% (bei Elektromotoren bei weit über 80%).

 

E – Loks
E – Loks haben die oben genannten Probleme nicht. Sie besitzen einen Transformator, der die Spannung aus der Oberleitung so verringert, dass sie für die Fahrmotoren passend ist. Die Elektromotoren liegen auf den Achsen. Man kann sagen, der Motor ist die Achse, wodurch das Getriebe entfällt. Dazu kommt noch die feine Regelung, die bei Elektromotoren möglich ist.

Sicher fragen sich einige Leute, warum sind auf der Oberleitung 15 000 Volt, obwohl das sehr gefährlich ist. Diese Frage ist leicht zu beantworten: Um eine elektrische Leistung zu übertragen, benötigt man eine Spannung und einen Strom. Die Leistung ist das Produkt aus Spannung und Strom (P = U x I). Ist die Spannung also gering (Fahrmotoren arbeiten in der Regel mit 380 Volt), so ist der benötigte Strom sehr hoch. Da Leitungen aber einen elektrischen Widerstand besitzen, der zu Spannungsverlusten führt, müsste die Oberleitung sehr dick sein, damit auf den langen Strecken der Bahn nicht die Spannung verloren geht (der Verlust ist um so höher, je höher der durchfliessende Strom ist). Ist die Spannung aber sehr hoch, wird für dieselbe Leistung nur ein kleiner Strom benötigt (siehe Formel), der dann auch nur kleine Spanungsverluste hervorruft – die Oberleitung kann also dünner bemessen sein.

Bei der Deutschen Bundesbahn wird Wechselspannung mit einer Frequenz von 16 2/3 Hertz benutzt (der Strom ändert 16 2/3 mal pro Sekunde seine Richtung). Als die ersten elektrischen Bahnen gebaut wurden, hat man Versuche mit sehr vielen verschiedenen Spannungen und Frequenzen durchgeführt. Die ersten elektrischen Bahnen fuhren an einer zweipoligen Oberleitung mit Mehrphasen-Wechselstrom. Dies hatte den Vorteil, dass man für dieses System gute Motoren hatte, aber auch den Nachteil, dass man eine komplizierte und teuere Oberleitung sowie mehrere Stromabnehmer benötigte.

Einphasen-Wechselstrom-Betrieb war nicht möglich, da die Motoren beim Anfahren wegen der dann sehr hohen Stromaufnahme unter starker Last an den Kommutatoren zu brennen begannen. Dieses Feuern steht jedoch in direktem Verhältnis zur Frequenz des Wechselstromes. Bei Bahnen mit schweren Betriebsanforderungen ließ sich deshalb eine Verminderung der Periodenzahl (= Frequenz) nicht umgehen. Sie mußte andererseits hoch genug bleiben, um sie mit den Transformatoren in den Loks wieder auf niedrigere Spannungswerte transformieren zu können (Transformatoren benötigen Wechselstrom). Außerdem sollte in den Kraftwerken mit der selben Turbine ein- und dreiphasiger Wechselstrom erzeugt werden können. Deshalb wurde als Frequenz des Bahnstromes in der Regel ein ganzzahliger Teil der Drehstromfrequenz gewählt. In Frage kamen nur die Hälfte oder ein Drittel, also 25 oder 16 2/3 bei Drehstrom von 50 Hertz Grundfrequenz. Gleichspannung kam nicht in Frage, weil Trafos zur Erzeugung der hohen Spannung nur bei Wechselspannung funktionieren.

Um mit einer Elektro-Lok anfahren zu können benötigt man Fahrstufen. Diese werden durch unterschiedliches Verschalten der Transformatorwicklungen erzeugt. Wenn man im Bahnhof mal eine 141 anfahren hört, dann hört man ein lautes Knallen aus der Lok. Dies ist der Fahrstufenschalter. Bei den neuen Loks wie z.B. 145, 152, 101 wird eine andere Technik genutzt: man arbeitet hier mit einem Phasenanschnittverfahren ähnlich dem im Haushalt eingesetzten Lampen-Dimmer. Dabei wird die Spannung nur noch in kurzen Stößen auf den Motor gegeben. Man sagt auch, die Spannung wird „zerhackt“ (Stöße und Pausen). Bei diesem Verfahren wird immer mit der maximalen Motorspannung gearbeitet. Je höher die Fahrstufe ist, desto länger ist der Teil, der von der Spannung an den Motor geschaltet wird. Der Vorteil besteht erstmal darin, dass keine mechanischen Bauteile wie der Fahrstufenschalter mehr benötigt werden. Dazu kommt noch, dass eine stufenlose Regelung ermöglicht wird. Dadurch, dass die Steuerung vollkommen elektronisch gesteuert wird, hat man auch bessere Steuerungs- und Überwachungsmöglichkeiten. Bei diesen Loks hört man beim Anfahren ein Brummen, dass sich mit der eingestellten Motorleistung verändert.

 

Diesel – Elektrische Kraftübertragung
Wie wir eben gesehen haben, hat ein elektrischer Antrieb fast nur Vorteile. Konstante Leistung über den ganzen Drehzahlbereich, einfache Regelung und kein Getriebe. Der Nachteil besteht darin, dass man Strom benötigt, und den kann man nicht wie Dieselkraftstoff in einen Tank füllen. Getriebe haben zwar den besseren Wirkungsgrad als die Diesel – Elektrische Kraftübertragung und sind auch in der Bauweise leichter, erfordern aber mehr Wartung und besser geschultes Personal.

Die zweite Generation Dieselloks besaßen eine Diesel – Elektrische Kraftübertragung. Dabei war der Dieselmotor fest mit einem Generator gekoppelt, der die Fahrmotoren mit Strom versorgte.

Eine Lok mit Diesel – Elektrischer Kraftübertragung ist z.B. der Blue Tiger von Adtranz. In Deutschland ist diese Antriebsart, im Gegensatz zu den USA, nicht mehr so sehr verbreitet. Die großen Dieselloks in Amerika besitzen zu einem sehr großen Teil eine Diesel – Elektrische Kraftübertragung.

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