Adler

Über die Rahmen- und Triebwerkskonstruktion
alter Dampflokomotiven, insbesondere des "Adler"
Ein Beitrag zur Technikgeschichte
Jan Hartmann
Nürnberg 2008
Über die Rahmen- und Triebwerkskonstruktion alter Dampflokomotiven, insbesondere des
"Adler"
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1. Vorwort
Technikgeschichte hat mindestens zwei
Seiten : Man kann überwiegend an den rein
historischen Tatsachen interessiert sein, wie
z.B. an den Wechselwirkungen zwischen den
politischen, wirtschaftlichen und sozialen
Strömungen der betreffenden Zeit und dem jeweils untersuchten technischen Bereich. Oder
aber, man sieht den Gegenstand von der ingenieurmäßigen Seite an und untersucht ihn hinsichtlich seiner Funktionalität, Sicherheit,
Wirtschaftlichkeit und theoretischen Grundlegung. Beide Betrachtungsweisen sollten sich
ergänzen. Die zweite von ihnen liegt der hiermit vorgelegten Arbeit zu Grunde. Sie bezieht
sich auf den sehr engen Bereich der Rahmenkonstruktion der Lokomotive „Adler“ und ihrer Zeitgenossen. Dabei musste eine
Sonderfrage der Triebwerkskonstruktion –
nämlich die Ausbildung und Beanspruchung
der Treibachse – mit einbezogen werden, weil
sie von der Ausbildung des Rahmensystems
entscheidend beeinflußt wurde.
Die Quellenlage für den „Adler“ ist nicht
einfach. Die Ursprungszeichnungen Stephensons – Zeichn. (1835) – muß man als verschollen ansehen, auch bei der Lieferfirma selbst
war schon 1894 nichts mehr davon vorhanden. Im Archiv des DB-Museums Nürnberg
gibt es zwar eine Zeichnung, die mit englischer
Vermaßung und Beschriftung die Treibachse
und die Laufachsen einer Lokomotive von
1835 darstellt. Ob sie wirklich zu dem „Adler“
gehört, ist aber offen. Weiter gibt es nur eine
kleinformatige Übersichtszeichnung aus den
Beständen der Fa. Stephenson, diese Zeichnung wird im DB-Museum Nürnberg ausgestellt, sie gibt aber für den hier betrachteten
Bereich nicht viel her.
Nach Asmus (1984) hat das damalige Polytechnikum Nürnberg nach Ankunft der Einzelteile der Lokomotive diese durch Studenten
aufmessen und zeichnen lassen. Auch diese
Blätter, die wir zu Zeichn. (1835) rechnen
2.
würden, sind verschollen. Sie wären eine unschätzbar wertvolle Unterlage gewesen.
Für den „Adler“-Nachbau von 1935 wurden jedenfalls ganz neue Zeichnungen –
Zeichn. (1935) – angefertigt. Damals waren
nach Klensch (1935) keine Zeichn. (1835)
vorhanden, so dass die Zeichn. (1935) – und
die derzeitige Lokomotive „Adler“ selbst - in
Wirklichkeit eine Rekonstruktion von Klensch
nach Aufsätzen sind, die aus der Zeit um
1836/37 stammen. Auch das Originalwerk von
Armengaud spielte hierbei eine wichtige Rolle.
Klensch (1935) deutet an, dass der Nachbau
nennenswerte Abweichungen vom Original
aufweist. So wurde z.B. der Kesseldruck von
4,2 bar des Originals auf 6,3 bar erhöht, wohl
um die Maschine für den Touristikbetrieb tauglicher zu machen. Dagegen ist nichts einzuwenden, solange nicht der Anschein eines bis
in die Einzelheiten originalgetreuen Nachbaues
erweckt wird, was man in seriösen Veröffentlichungen unseres Wissens auch nicht getan hat,
eher schon in der Tagespresse. Allerdings wäre
es wünschenswert gewesen, die bekannten
Abweichungen aufzulisten und zu begründen,
während man beim Lesen von Klensch (1935)
doch den Eindruck gewinnt, dass K. gerade an
einer solchen Aufstellung wenig interessiert
war.
Im Jahre 1950 wurden im RAW Kaiserslautern noch einmal neue Zeichnungen angefertigt – hier als Zeichn. (1950) bezeichnet. Es
scheint sich dabei um Umzeichnungen der
Zeichn. (1935) zu handeln, die vermutlich abgängig geworden waren. Jedenfalls sind die
Zeichn. (1935) heute ebenfalls verschollen.
Nach den Zeichn. (1950) erfolgte zunächst der
Neubau einer Austellungsmaschine, die zwar
nicht selbst fahrfähig, aber im übrigen ein genauer Nachbau der Lokomotive von 1935 war.
Auch der Wiederaufbau der Maschine nach
dem Brand von 2005 geschah, soweit erforderlich, nach diesen Zeichnungen.
Die Baugruppen
Aufgabe des Trägersystems „Rahmen“ ist
die Aufnahme und Weiterleitung der auf die
Gesamtheit der Lokomotive wirkenden inneren
und äußeren Kräfte, wobei die entstehenden
Verformungen auf ein solches Maß beschränkt
bleiben müssen, dass das Arbeiten der
Dampfmaschine unbeeinflußt bleibt. Dabei
müssen an den Rahmen einer mehrfach gekuppelten Lokomotive besondere Anforderungen
gestellt werden, denn die sehr genaue Einhaltung des Achsabstandes der gekuppelten Achsen ist die maßgebende Vorbedingung für ein
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einwandfreies Arbeiten des KuppelstangenTriebwerkes. Wenn wir natürlich auch die
Überlegungen Stephensons und seiner Zeitgenossen nicht kennen, so gewinnt man doch
mehr Verständnis für das vorliegende Rahmensystem durch den folgenden Gedankengang :
Bei den ersten Lokomotiven ging man
wohl - ob intuitiv oder bewusst sei dahin gestellt - davon aus, dass sie Eisenbahnwagen
seien, auf die eine Dampfmaschine mit ihrem
Kessel gesetzt wurde, deren Leistung dann „irgendwie“ auf die Treibachse übertragen wurde.
Die damals gängige Bezeichnung „Dampfwagen“ weist auch auf diese Betrachtungsweise
hin. Entsprechend entwarf man also einen Wagen, dessen Rückgrat ein üblicher Rahmen
war, an dem die Achsen des Wagens, bzw. ihre
Lager, befestigt waren. Er sei hier als Baugruppe „Außenrahmen“ bezeichnet. Die zweite
Baugruppe bestand aus Dampfmaschine und
Kessel, wobei man den Kessel als das Fundament der Maschine benutzte, wie bei einer Lokomobile. Die besonderen Teile zur Aufnahme
von Kreuzkopfbahnen und Treibachslagern
werden in den Zeichnungen (1950) „Innenrahmen“ genannt. Hier seien sie weiterhin als
„Fundamentträger“ bezeichnet, weil sie eigentlich nur kleine Teile einer Rahmenkonstruktion
sind, in der der Kessel die wesentliche Rolle
spielt und die wir Baugruppe „Maschinenrahmen“ nennen wollen. Die beiden Baugruppen
sind in Abb.1 perspektivisch von unten gesehen dargestellt.
Der Außenrahmen umfasst die ganze Lokomotive wie ein Bilderrahmen, an ihm sind
die Achslager der beiden Laufachsen und der
Treibachse durch Lagerführungen und Blattfedern angeschlossen, ebenso die vorderen Zugund Stoßvorrichtungen. Er besteht aus einem
hochkant stehenden Kern aus Eschenholz, 140
x 70 mm, der innen und außen mittels Durchgangsschrauben mit Flacheisen 140 x 10 mm
beschlagen. Dieser Aufbau weist deutlich auf
das Herkommen aus der Stellmacherei hin, bei
der man die üblichen Holzrahmen zunächst
durch Eisenbeschläge verstärkte, an denen
auch die Lagerführungen anschlossen. Dabei
ist der Holzkern nicht viel mehr als ein einigermaßen schubfester Abstandhalter und führt
als solcher zu einem letztlich befriedigenden
(wenn auch kaum genau zu berechnenden)
Trägheitsmoment um die vertikale Achse,
während das um die waagerechte Achse praktisch allein von den Flacheisen bestimmt wird.
Die Treibachse ist mit ihren Lagerzapfen im
Außenrahmen, durch Blattfedern gestützt, gelagert. Dies sind die Lager „1“, nach Abb. 1.
Der Maschinenrahmen stellte die Einheit
von Dampfmaschine und Kessel her. An sich
ist die Treibachse natürlich ein Teil der
Dampfmaschine, hier ist sie aber keiner der
beiden Baugruppen eindeutig zuzuordnen. Die
Zylinder selbst waren in den unteren Teil der
nach unten verlängerten Rauchkammer eingebaut (wodurch sie zwar gut gegen Wärmeverluste geschützt, aber schlecht zugänglich
waren). An die Rückwand der Rauchkammer
waren beiderseits der Zylinderachsen die Fundamentträger (Abb. 3) angeschlossen, deren
andere Enden am Stehkessel gehaltert waren
(siehe Abb. 1 und 2). Zylinder und Innenrahmen überlappen sich teilweise. Am Ort der
Treibachse hatten die Fundamentträger Verstärkungen, in denen die Treibachslager 2 und
3 (siehe Abb. 1) vertikal beweglich geführt
wurden.
Das gesamte Konzept der Fundamentträger
stellt sich etwa so dar : Nach allen zeitgenössischen Zeichnungen waren diese Teile ursprünglich an beiden Teilen durch Winkeleisen
fest mit der Rauchkammer bzw. dem Stehkessel verbunden. In Abb. 2 sind diese Winkel an
der Rauchkammer gut zu erkennen. Dabei ist
aber offenbar vernachlässigt worden, dass sich
der Langkessel bei warmer Maschine – wie eine einfache Rechnung zeigt - um etwa 2 mm
verlängert. Wird das durch die Fundamentträger verhindert, so treten in diesen Zugspannungen auf, die über der Streckgrenze des
Materials liegen. Das wird zwar kaum eintreten, weil es mit Sicherheit zu Auswölbungen
am Stehkessel im Bereich der dortigen Befestigungswinkel kommen wird, die allerdings ihrerseits zu Undichtigkeiten der Vernietung
führen müssen. Es wird auch Rückwirkungen
auf die Lager 2 und 3 geben, weil die Fundamentträger ja nicht gerade durchlaufen und bei
den Lagerführungen starke Kraftumlenkungen
vorliegen, siehe Abb. 3. Asmus (1984) erwähnt
denn auch auf S. 43, es habe nach kurzer Zeit
„Verschiebungen und Verbiegungen“ der Fundamentträger gegeben. Wie man seinerzeit mit
diesen Schwierigkeiten umgegangen ist, ist
nicht bekannt. Die Anschlüsse an den Stehkessel sind bei dem „Adler“ im derzeitigen Zustand, d.h. nach Zeichn. (1950), aber
längsverschieblich (mit Schwalbenschwanzführungen am Stehkessel) ausgeführt, dadurch
war das Problem beseitigt. Wahrscheinlich ist
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an dieser Stelle die Vorbildtreue der Maschine
verletzt, doch neigen wir zu der Ansicht, dass
dies gut vertretbar ist, da man nur dadurch die
Lokomotive dauerhaft fahrfähig machte. Es ist
auch zu vermuten, dass man 1835 die für diesen Anschluß nötigen Fräsarbeiten noch nicht
mit der erforderlichen Genauigkeit durchführen konnte. In allen uns zugänglichen Zeichnungen aus jener Zeit, vor allem Armengaud
3.
Die Verbindung der Baugruppen miteinander
Die Verbindung der beiden Baugruppen
geschieht durch beidseitig je drei Konsolen,
die auf beiden Seiten des Kessels angebracht
sind und sich auf den Außenrahmen abstützen.
Sie sind ihrer Konstruktion nach nur zur Aufnahme vertikaler Kräfte eingerichtet, siehe
Abb.1 u.2 . In Wirklichkeit müssen sie aber
auch Horizontalkräfte übertragen, dies ist in
Abb. 4 schematisch dargestellt. Darin ist FZ
die Anhängekraft an der Tenderkupplung. Sie
greift bei dieser Lokomotive am Stehkessel an,
die Krafteinleitung ist durch zwei große, waagerechte Tragbleche an sich recht gut verteilt.
Es überrascht aber, dass Stephenson FZ nicht
an einem Querträger des Außenrahmens angreifen ließ, was uns als das Naheliegendste erscheint und immerhin eine Komplizierung des
Kessels erspart hätte. FL ist die vom Lager der
Treibachse auf den Außenrahmen ausgeübte
Kraft, die die Lokomotive voran treibt. Diese
4.
(1841), finden sich jedenfalls nicht die geringsten Anzeichen für den längsverschieblichen
Anschluß. Wir sehen ihn daher als eine erhebliche (aber sehr zweckmäßige) Änderung bei
der Rekonstruktion an. Bedauerlich ist allerdings, dass Klensch (1935) auf diesen Punkt
gar nicht eingeht, sondern nur von Langlöchern (die natürlich notwendig waren) spricht.
beiden Kräfte sind als entgegengesetzt gleich
groß anzunehmen. Sie sind bestrebt, Außenrahmen und Maschinenrahmen in Längsrichtung gegeneinander zu verschieben. Dies wird
nur durch die Konsolen verhindert. In Abb. 4
ist der Kraftweg schematisch eingetragen. Man
beachte z.B. den Kraftfluß von den Seitenblechen des Stehkessels in den Langkessel, der
über zwei 90°-Umleitungen führt. Ebenso an
der Rauchkammer. Hier zeigt sich das „irgendwie“ vom Anfang dieser Betrachtung. Eine
halbwegs
zutreffende,
einfache
Beanspruchungsrechnung für die Konsolen ist
bei deren statischer Unbestimmtheit praktisch
nicht möglich. Aber man hat sie offenbar
„nach Gefühl“ ausreichend bemessen, siehe
dazu aber Kap. 5, Text zu Abb. 14.
Schließlich ist auch die Treibachse insofern ein Verbindungsglied zwischen den beiden Baugruppen, als sie in beiden gelagert ist.
Die Festigkeit der Treibachse
Im Gegensatz zu den Konsolen ist die gekröpfte Treibachse ein Maschinenteil, das einer
einfachen, wenn auch sehr überschlägigen, Berechnung einigermaßen zugänglich ist. Sie war
zu allen Zeiten ein schwieriges und anfälliges
Element. White (1979) teilt z.B. auf S. 208
mit, dass ihre Lebensdauer in jenen Jahren in
schwerem Dienst etwa 1 Jahr, in leichtem
Dienst etwa 2 – 3 Jahre betrug. Deshalb war es
offenbar ein Grundgedanke des Entwurfs, unmittelbar beidseitig von jeder Krafteinleitung
ein Lager anzuordnen. So kam man darauf, die
Welle insgesamt sechsmal zu lagern (siehe
Abb. 1) : Lager 1 außerhalb des Treibrades (in
Flucht des Außenrahmens), Lager 2 zwischen
Treibrad und Kröpfung (in Flucht des äußeren
Fundamentträgers), Lager 3 (in Flucht des inneren Fundamentträgers) zwischen der einen
Kröpfung und den beiden SteuerungsExzentern, die symmetrisch zur Mittelachse
der Maschine liegen. Auf der anderen Seite der
Mittelachse wiederholte sich dieser Ablauf in
umgekehrter Reihenfolge. Eine solche Anordnung entspricht der Überlegung, dass dadurch
bei gegebenen Kräften auf die Welle die in ihr
entstehenden Biegemomente klein bleiben.
Diese richtige Überlegung wurde aber dadurch
entwertet, das man übersah, dass die beiden
Baugruppen sich relativ zum Gleis und damit
zur Treibachse in der vertikalen Richtung um
einige cm bewegen können. Dem wurde durch
das im Maschinenbau unseres Wissens einmalige Bauelement von vertikal beweglichen Lagern, nämlich den Lagern 2 und 3, Rechnung
getragen. Dies bedeutet hier :
Bei richtiger Ausrichtung der Lager 2 und
3 auf die Lager 1 sind die Biegemomente in
der Treibachse, die durch die horizontal wirkenden Kolbenkräfte (im folgenden : Lastfall
I) verursacht werden, tatsächlich klein (siehe
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Abb. 5 und 6). Die genaue Einstellung der Lager 2 und 3 in Horizontalrichtung erfolgt durch
vertikale, vor und hinter den Lagern 2 und 3
sitzende Stellkeile, Abb. 3, dies ist an sich eine
brauchbare Lösung. Die Einstellung ist allerdings praktisch nur bei unbelasteter (aber immerhin warmer) Maschine möglich, für ein
vernünftiges Tragen der Lager in horizontaler
Richtung (d.h. in Richtung der Kolbenkräfte)
kann man daher im Betrieb nur sehr begrenzt
sorgen und die dadurch entstehenden Zusatzkräfte sind praktisch nicht übersehbar.
In vertikaler Richtung wird die Treibachse
durch die Radlast der Treibräder und die vertikalen Komponenten der Treibstangenkräfte belastet (Lastfall II), Abb. 5 und 7. Die Lager 2
und 3 tragen in dieser Richtung überhaupt
nicht, da sie ja höhenverschieblich sind. Die
Treibachse bleibt immer parallel zu der Ebene
durch Oberkante Schiene, während sich die
Lokomotivmaschine infolge des Federspiels
gegenüber dieser Ebene bewegt, was durch die
Bewegungsmöglichkeit der Treibstangen um
den Kreuzkopfzapfen auszugleichen ist. Für
die Beanspruchung der Treibachse spielt dies
keine nennenswerte Rolle, solange die Lagergehäuse 2 und 3 nicht zum Anschlag kommen.
Die Treibachse hat jedoch nun eine Spannweite von Außenrahmen zu Außenrahmen, d.h.
von Lager 1 zu Lager 1 von etwa 1,8 m. Dadurch ergeben sich in der vertikalen Ebene
Biegemomente und Spannungen die ganz wesentlich größer sind als die in der horizontalen
Ebene (Abb. 6 und 7, die in gleichem Momentenmaßstab gezeichnet sind).
Der in Abb. 5 dargestellte Berechnungsfall
– der nicht unbedingt für alle Querschnitte der
Achse der ungünstigste ist - reicht natürlich für
einen Festigkeitsnachweis der Kurbelwelle
nach heutigen Begriffen nicht aus. Er gestattet
aber einen groben Überblick über die Größenordnungen der Beanspruchungen, wie er hier
auch nur beabsichtigt ist.
Berechnungsfall
siehe Abb. 5
MH-Verl. I
Die Spannungen aus den beiden Lastfällen
überlagern sich. Aus den resultierenden Biegespannungen und den Torsionsspannungen sind
Vergleichsspannungen zu bilden und mit den
zulässigen Spannungen zu vergleichen.
Um nach diesen qualitativen Überlegungen
auch zu quantitativen zu kommen, wurden die
beiden Belastungsfälle der Treibachse einmal
durchgerechnet. Das konnte natürlich nur
überschlägig geschehen, da eine ins Einzelne
gehende Berücksichtigung aller Gegebenheiten
eine dynamische Finite-Elemente-Rechnung
erforderlich gemacht hätte, deren Aufwand zu
hoch gewesen wäre. Die Abmessungen der
Treibachse wurden der in Kap. 1 erwähnten
Originalzeichnung nach Zeichn. (1835) entnommen, von der allerdings nicht klar ist, ob
sie wirklich zum „Adler“ gehörte. Die beiden
Kröpfungen der Achse wurden als gerade Wellenstücke angesehen und zwischen den Lagermitten wurde jeweils ein konstantes
Trägheitsmoment angenommen. Die Beanspruchungen der Welle durch die Steuerung
wurden vernachlässigt. Kesseldruck und Zylinderdurchmesser entsprechen den bekannten
Werten von 1835. Schließlich mussten Überlegungen der Wechsel- und der Gestaltfestigkeit
unberücksichtigt bleiben. Dies konnten wir
aber in gewissem Maß dadurch ausgleichen,
dass für die zulässigen Spannungen Zahlenwerte aus Hütte (1931) entnommen wurden, in
denen die genannten Einflüsse, so gut es damals möglich war, berücksichtigt sind. Besser
konnte man um 1830 auch nicht rechnen.
Der sechsfach gelagerte Lastfall I wurde
nach dem Verfahren von Cross durchgerechnet. Dagegen sind der zweifach gelagerte Lastfall II und die Torsionsbeanspruchung der
Treibachse elementar zu berechnen. Die Rechnungen selbst sind hier nicht wieder gegeben,
sie sind auf Wunsch einzusehen. Hier folgen
einige Ergebnisse, die die Größenordnungen
kennzeichnen :
FRV = Radlast = 29,0 [kN]
FRH = FRV x max = 7,25 [kN]
FKH = /4 x dZyl ² x pmi = 0,785 x 22,9² x 38 = 15,6 [kN]
FKV = FKH x tan  = 15,6 x tan 14,6
= 4,06 [kN]
MT = FRH x DTreibrad / 2 = 7,25 x 70,0
= 508 [kNcm]
Mmax H =
siehe Abb. 6
 max H
MV -Verl. II
siehe Abb. 7
M max V =
 max V =
=
97,0 kN cm
1 240 N/ cm²
677
8 680
kN cm
N/ cm²
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MT –Verl.
siehe Abb. 8
Vergleichsspannung
Durchbiegung zwischen den Außenrahmen
Diese Zahlen müssen – wie oben gesagt –
mit viel Überlegung betrachtet werden. Das
gilt natürlich erst recht, wenn man sie mit zulässigen Spannungen vergleicht. Als Material
der Treibachse wird man „Schweißeisen“ annehmen müssen. Greift man dafür auf Werte
zurück, die aus dem ersten Drittel des 20. Jahrhunderts stammen (Hütte (1931)) – in dem angegebenen Schrifttum, auch bei Bailey /
Glithero (2000), findet man nichts darüber -, so
kann man etwa für Biegung und einen Beanspruchungsfall zwischen I und II (d.h. zwischen statischer Last und Schwelllast)
Spannungen im Bereich zul = 7 550 N/ cm²
als zulässig ansehen. Dieser Wert ist in max v
also weit überschritten worden, was die oben
M T max =
508
 max = 3 320
kN cm
N/ cm²
max v = 10 500
N/ cm²
 1,1 cm d.h.  1 /164 der Stützlänge
erwähnte Schadanfälligkeit dieses Bauteils erklärt. Andererseits ist von besonders vielen
Schäden am „Adler“ auch nichts bekannt. Wie
dem auch sei : Es erstaunt, dass die Kurbelzapfen, an denen die hohen Spannungen auftreten,
relativ schwach sind, obwohl dort eine mäßige
Verstärkung dem Anschein nach sehr wohl
möglich gewesen wäre, was auch für die Teillänge l3 in der Mitte der Achse gilt. Und man
möchte annehmen, dass diese Stellen auch den
alten Konstrukteuren als hochbeanspruchte
Teile bekannt gewesen sein werden. Es ist
auch an die Möglichkeit zu erinnern, dass die
der Rechnung zu Grunde liegende Achse eben
nicht zu dem „Adler“ gehörte.
5. Die Rahmenkonstruktion einiger zeitgenössischer Lokomotiven
Abschließend soll eine Reihe von zeitgenössischen Lokomotiven, über die Einzelheiten
der Rahmenkonstruktion und Kraftübertragung
erreichbar sind, besprochen werden, um – soweit es möglich ist – eine etwas breitere Übersicht über den damaligen Stand der Technik
einschließlich des Fachwissens zu bekommen.
Die A 1 „Rocket“ von 1829, Abb. 9, (über
die wir recht viel wissen, siehe Bailey/Glithero
(2000)) hatte einen aus liegenden Flacheisen
aufgebauten Rahmen, Abb. 10, dessen vorderer
Teil seine Steifigkeit allein vom Kessel erhielt.
Das zweimal abgeknickte Hinterteil wurde nur
durch die seitlichen Grundplatten der Zylinder
gestützt. Die Wärmedehnung des Kessels
musste zu einer Verformung des Rahmens und
zu entsprechenden Spannungen darin führen.
Die ganze Rahmenkonstruktion war zweifellos
sehr leicht, aber man kann sich des Eindrucks
nicht erwehren, dass Stephenson bei dem Entwurf nur sehr unklare Vorstellungen über die
Beanspruchungen und Kraftverläufe hatte.
Manche der ersten Lokomotiven, so auch
die „Rocket“, hatten die Achsfolge A 1 und
außen liegende Zylinder. Diese wirkten direkt
auf Treibzapfen, die in den Treibrädern saßen,
so dass die Treibachse keine Kropfachse im
eigentlichen Sinn war. Die in den vorigen Kapiteln beschriebenen Schwierigkeiten mit der
Lagerung der Treibachse gab es dadurch gar
nicht. Insofern war dies schon die Bauweise,
die schließlich am Ende der Dampflok bei weitem vorherrschte und es ist kaum verständlich,
warum Stephenson schon 1834 davon wieder
grundlegend abwich. Jahn (1924) gibt dafür
zwar Erklärungen, die sich aber nur auf die
Laufeigenschaften beziehen. Für den Wechsel
auf Innenzylinder und die Zwischenlager 2 und
3 werden folgende Gründe gesprochen haben :
a)
Gerade bei dem sehr kleinen
Achsstand der A 1 sind wahrscheinlich die Schlingerbewegungen der Lok recht ausgeprägt
gewesen. Man hatte aber wohl
schon erkannt, dass sie u. a. von
der weit außermittigen Lage der
Zylinder verursacht wurden und
wollte daher Innenzylinder haben.
Diese wurden in Großbritannien
danach bis in den 2. Weltkrieg bei
sehr vielen Lokomotiven verwendet (ganz im Gegensatz zu den
USA).
b)
Bei der nunmehr erforderlichen,
doppelt gekröpften Treibachse,
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wird man Bedenken hinsichtlich
ihrer Festigkeit gehabt haben (siehe White (2000)) und kam daher
auf die komplizierte und technisch
fragwürdige Lösung mit den höhenverschieblichen Innenlagern 2
und 3.
Erste Maschine der neuen Bauweise war
die „Patentee“, eine 1 A 1 von 1834. Abb. 11
zeigt eine Lok dieser Bauweise, zu der auch
der „Adler“ von 1835 gehört. Er war also damals das Modernste, was es gab, und die Bauweise wurde ziemlich lange in Europa sehr viel
verwendet. Nach Metzeltin (1935) wurden bis
1850 in Deutschland 290 Stück davon gebaut,
bei einer Gesamtzahl von 662 Lokomotiven.
Hinsichtlich der Konstruktion von Rahmen
und Kraftübertragung erscheint sie dagegen –
wie oben besprochen - eher als ein Rückschritt,
der aber offenbar weithin nicht empfunden
wurde.
Einen gewissen Überblick über zeitgenössische Lokomotivkonstruktionen bietet das
französische Buch Armengaud (1841), das
schon nach zwei Jahren ins Deutsche übersetzt
worden ist – ein Zeichen für das große Interesse, das weite Kreise in Deutschland an der Eisenbahn hatten. Es beschäftigt sich mit dem
gesamten Eisenbahnwesen seiner Zeit, ihm
sind die folgenden Ausführungen zum Großteil
entnommen. Dort werden vier Lokomotiven
eingehend und mit guten Illustrationen beschrieben, wenn sich auch technische Begründungen kaum finden. Es sind allesamt britische
Fabrikate.
Die erste Lokomotive ist eine 1 A, auch
etwa 1834 von Bury gebaut. Abb. 12 zeigt die
Rahmenkonstruktion (Jahns Skizze ist nach
Armengaud gezeichnet). Es ist ein zwischen
den Rädern liegender fachwerkartiger Träger
vorgesehen, d.h. ein Innenrahmen, ohne Fundamentträger. Die Zugkraft greift an dem
Rahmen an, ohne durch den Kessel geleitet zu
werden. Wenn wir uns auch heute ein Fachwerk aus echten Dreiecken zusammengesetzt
vorstellen, so ist hier doch eine sehr befriedigende Lösung gefunden worden. Sie ist der
Konstruktion von Stephensons „Rocket“, vgl.
Abb. 10 nicht ganz unähnlich, insbesondere ist
die Lagerung der Treibachse einwandfrei. In
statischer Hinsicht war Bury jedenfalls wesentlich weiter als Stephenson zur gleichen Zeit.
Ebenfalls bei Armengaud (1841), findet
man eine 1 A, die Jackson zur gleichen Zeit
baute. Dafür gilt etwa die Abb. 13. Rahmen
und Kraftübertragung waren ganz in der Art
von Stephenson, bzw. des „Adlers“ gebaut.
Man erkennt den komplizierten Aufbau mit
Außenrahmen und Fundamentträgern und den
höhenverschieblichen Lagern 2 und 3. Positiv
ist aber anzumerken, dass die Fundamentträger
gerade durchlaufen (im Gegensatz zu Abb.3),
und dass auch hier die Zugkraft am Außenrahmen angreift ohne durch den Kessel geleitet
zu werden (im Gegensatz zu Abb.4)
Als dritte wird eine 1A1 von Taylor von
etwa 1835 beschrieben. Rahmen und Kraftübertragung sind ebenfalls ganz wie beim „Adler“ ausgeführt, siehe Abb. 1. Eine
Verschieblichkeit
der
FundamentträgerAnschlüsse (horizontal) und Innenlager der
Treibachse (vertikal) ist nicht zu sehen. In letzterem Fall mag das aber an der Zeichnung liegen. Interessant ist jedoch, dass die vordere
Kesselkonsole Verstrebungen in Längsrichtung
aufweist, Abb. 14. Dass hier auch nennenswerte Längskräfte zu übertragen waren, hatte man
also wohl schon bemerkt, nicht aber, dass diese
Verstrebungen an der Konsole am Stehkessel
weit mehr am Platze gewesen wären, weil man
dann den Hauptteil der Längskräfte nicht hätte
durch den Kessel leiten müssen.
Die vierte Lokomotive ist eine 1 B von
Stephenson, etwa Abb. 15. Abb. 16 zeigt das
System der Fundamentträger. Offenbar hielt es
Stephenson inzwischen für richtig, möglichst
wenig Anschlüsse am Stehkessel zu haben und
meinte, auch mit drei Innenlagern für die
Treibachse auszukommen. Die Vereinigung
der beiden inneren Fundamentträger sehen wir
allerdings als nicht so elegant an, wie sie zu
sein scheint. Denn sie führt zu einer sehr
komplizierten Wechselwirkung zwischen den
Kreuzkopfgleitbahnen der beiden Zylinder. Im
übrigen wird hier deutlich, dass die Anordnung
der Kuppelzapfen auf besonderen Kurbeln, die
durch den Außenrahmen nötig gemacht wurde, eine weitere Komplizierung der ganzen
Anordnung bedeutet. Die Anschlüsse der Fundamentträger an den Stehkessel sind offensichtlich unverschieblich. Für die Innenlager der
Treibachse gilt das für die vorhergehenden Lokomotiven Gesagte
Zu den ganz frühen Lokomotiven gehört
auch die B1-Lokomotive „Saxonia“, Abb. 17,
die Schubert bekanntlich 1838 für die LeipzigDresdener Bahn als erste Lokomotive in
Deutschland entwarf und baute. Ähnlich wie
für den „Adler“ gibt es auch in diesem Fall nur
spärliche Unterlagen über die konstruktive Ge-
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staltung und bei dem 1989 erstellten Nachbau
hat man deshalb der Forderung nach ausreichender Betriebsfähigkeit offenbar den Vorzug
vor der nach Originaltreue geben müssen. Die
vorliegende Beschreibung Schnabel (1989)
lässt leider viele Fragen unbeantwortet. Bestimmt hatte die „Saxonia“ einen Innenrahmen.
Und es hat den Anschein, als sei die Treibachse des Nachbaues nur in den Lagern des Innenrahmens gelagert worden, während es die
Stephensonschen Fundamentträger und auch
den Außenrahmen nicht gab. Das wäre also die
Bauweise von Bury, s.o.. Wenn das beim Original tatsächlich auch so war, so hätte Schubert
sich also schon bei seiner ersten Maschine in
einem entscheidenden Punkt von den meisten
und berühmtesten englischen Vorbildern frei
gemacht.
6.
Um das Bild, insbesondere vom technologischen Verständnis jener Jahre, abzurunden,
sei noch eine von Jahn (1924) gezeigte Rahmenkonstruktion von Cockerill, etwa 1860,
angegeben, Abb. 18. Dort wird das verschiebliche Innenlager 3 durch eine Blattfeder gestützt. Das ist natürlich keineswegs optimal,
zeigt aber, dass man um 1860 in Stephensons
Tradition zwar immer noch an Fundamentträgern (wenn auch nur noch einem) festhielt,
aber doch dem höhenverschieblichen Lager
nicht mehr recht traute, ohne allerdings zu einer überzeugenden Lösung zu kommen. Die
Tatsache, dass der Fundamentträger im Längsschnitt bis zu dem Zylinderblock durchläuft
(was gut wäre), im Grundriß aber nicht, dürfte
ein Zeichenfehler in einer der beiden Ansichten sein.
Schluß
Wenn man sich abschließend ein gewisses
Bild von der Entwicklung der Rahmenkonstruktion der ersten Lokomotiven machen will,
so könnte das in großen Zügen etwa so aussehen :
Der große Erfolg, den Stephenson bei dem
Lokomotiv-Vergleich von Rainhill 1829 erzielte, hätte erwarten lassen, dass der Typ „Rocket“
von
nun
an
die
weitere
Entwicklungsrichtung angeben würde. Das trat
aber nicht ein. Zwar erhielt Stephenson noch
einige Aufträge für Nachbauten, aber er sah
sich doch sehr bald veranlasst, für den Einsatz
als robuste Streckenlokomotive den völlig
neuen Typ „Patentee“ zu entwickeln. Dieser
war hinsichtlich der Rahmenkonstruktion gekennzeichnet durch den Außenrahmen, die Innenzylinder und die innen liegenden
Fundamentträger mit den höhenverschieblichen Treibachslagern. Wenn wir die genannten
Kennzeichen letzten Endes auch als keine gute
Entwicklung bezeichnen möchten, so war der
Typ „Patentee“ zunächst doch recht erfolgreich
und wurde auch von manchen Wettbewerbern
Stephensons übernommen.
Man sollte aber nicht übersehen, dass Bury
- und wahrscheinlich auch Schubert - zur gleichen Zeit ihre Lokomotiven mit Innenrahmen,
Innenzylindern und nur zweifach gelagerter
Treibachse bauten und damit wesentlich fortschrittlicher waren als Stephenson. Diese Entwicklung führte dann direkt bis zu den letzten
Dampflokomotiven mit Innenzylindern, die in
Großbritannien etwa im 2. Weltkrieg gebaut
wurden. Trotzdem war Bury ein größerer geschäftlicher Erfolg versagt.
Natürlich macht die Rahmenkonstruktion
nicht die ganze Lokomotive aus. Wirtschaftlichkeit von Kessel und Maschine und Unempfindlichkeit dieser Teile sind für den Erfolg
wesentlicher und auf diesen Gebieten waren
Stephensons Maschinen offenbar überlegen.
Zu den vorhandenen theoretischen Erkenntnissen und Kenntnissen der Mechanik und
Festigkeitslehre möchte man aus den vorhergehenden Betrachtungen folgendes schließen :
Vor allem fällt uns auf, dass man (worauf
schon Jahn (1924) und v. Helmholtz / Staby
(1930) hinwiesen) wohl noch keine klaren
Vorstellungen über den Verlauf der Kräfte in
einem nicht ganz einfachen statischen System
hatte, ein Problem, das auch heute noch gelegentlich für Überraschungen sorgt. Als Beispiel wäre hier zu fragen, warum man die
Zylinder und den Zughaken nicht durchweg
unmittelbar am Außenrahmen befestigt hat,
wie z.B. Bury es tat. Das hätte die unklare und
schwierige Kraftübertragung durch die Konsolen am Kessel erübrigt.
Der Begriff und die Berechnung von Biegemomenten scheint jedenfalls noch nicht Allgemeingut gewesen zu sein. Wie und ob man
schwierige Maschinenteile wie die Treibachse
überhaupt rechnerisch behandelt hat, ist unseres Wissens nicht bekannt. Immerhin kannte
man offenbar den günstigen Einfluß kurzer
Lagerabstände. Daß man mit den höhenverschieblichen Innenlagern in der vertikalen
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Ebene etwa den sechsfachen Lagerabstand in
Kauf nahm, ist umso unverständlicher. Anscheinend wurde nicht erkannt, dass die Innenlager
2
und
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durch
ihre
Höhenverschieblichkeit in der vertikalen Richtung ganz ausfielen. Noch etwa 30 Jahre später
war man nur wenig weiter gekommen, siehe
dazu Abb. 17.
Im übrigen ist die Berechnung der Beanspruchungen und Materialstärken des Rahmens
ein Gebiet, auf dem man über die Anwendung
von Erfahrungswerten bis zum Ende der
Dampflokzeit kaum hinaus gekommen ist.
Mit Sicherheit ist die Erscheinung der
Wärmedehnung bei Metallen bekannt gewesen, wurden doch z.B. Radreifen schon lange
warm aufgezogen. Ihrer Auswirkung bei größeren Maschinen hat man aber anscheinend oft
nicht Rechnung getragen. Andernfalls hätte
man z.B. den Kessel nicht an mehreren, über
die Kessellänge verteilten Punkten (den Kon-
Anschrift des Verfassers :
7.
solen) mit dem Rahmen verbunden. Ebenso
hätte man die Fundamentträger nicht beidseitig
unverschieblich an Teile des Kessels angeschlossen.
Nachdem hier viel Kritisches gesagt wurde, muß aber abschließend betont werden :
Wir haben allen Anlaß, unseren alten Kollegen
höchste Anerkennung zu zollen für die Art und
Weise, wie sie sich mit ihrem unvollkommenen
theoretischen Rüstzeug an für ihre Zeit optimale Lösungen herangetastet haben.
Beim Entstehen dieser Arbeit erfuhr der
Verfasser von Seiten des DB-Museums immer
wieder freundliche Unterstützung durch die
Herren Eckert, Dr. Mertens, Plochmann, Traeger und Wiebelitz. Ihnen sei dafür an dieser
Stelle herzlich gedankt !
Jan Hartmann
Rennweg 35
90489 Nürnberg
Tel. 0911 – 59 84 75 8
[email protected]
Schrifttumsnachweis
Kurzangabe
Armengaud (1841)
Asmus (1984)
Bailey / Glithero (2000)
v. Helmholtz / Staby
(1930)
Hütte (1931)
Jahn (1924)
Ausführliche Angabe
Armengaud „Das Eisenbahnwesen“ Weimar 1841 Übersetzung des französischen Originals „L’Industrie des Chemins de
Fer“ , Paris 1839, durch Dr. Carl Hartmann. Nachdruck Schäfer, Hannover 1980
Asmus, Carl ”Die Ludwigs-Eisenbahn” Orell Füssli, Zürich
und Schwäbisch Hall 1984, ISBN 3-280-015251
M. R. Bailey and John P. Glithero „The Engineering and History of Rocket” National Railway Museum York 2000
ISBN 1-900747-18-9
R. v. Helmholtz u.W. Staby „Die Entwicklung der Lokomotive
im Gebiete des Vereins deutscher Eisenbahnverwaltungen“
1. Band, 1835 – 1880 R. Oldenbourg, München und Berlin
1930
„Hütte“ Des Ingenieurs Taschenbuch, 26. Auflage,
Wilh. Ernst & Sohn 1931
Jahn, John „Die Dampflokomotive in entwicklungsgeschichtlicher Darstellung ihres Gesamtaufbaues“ Springer, Berlin
1924.
Nachdruck :
Hamecher, Kassel 1976, ISBN 3-920307-23-2
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Klensch (1935)
Metzeltin (1935)
Schnabel (1988)
White (1979)
Zeichn. (1835)
Zeichn. (1935)
Zeichn. (1950)
Klensch, Carl, „Die Lokomotive „Adler“ der ersten deutschen
Eisenbahn und ihre Nachbildung im Reichsbahnausbesserungswerk Kaiserslautern“
Organ für die Fortschritte im Eisenbahnwesen, 1935, S. 486
bis 491
Metzeltin, E. „Zur Geschichte der ersten deutschen Lokomotivfabriken“
Organ für die Fortschritte im Eisenbahnwesen, 1935, S. 513
Schnabel, Heinz „Saxonia“ Transpress, Berlin 1988
ISBN 3-344-00351-8
White, jun., John H. “A History of the American Locomotive
– Its Development : 1830 – 1880” Dover Public., NewYork
1979, ISBN 0-486-23818-0
Originalzeichnungen Stephensons für den „Adler
Originalzeichnungen des RAW Kaiserslautern für den Nachbau von 1935
Umzeichnungen der Zeichn. (1935) durch das RAW Kaiserslautern
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Abbildungen
Abb. auf dem Deckblatt
Abbildung 1 Die Baugruppen
Modell des „Adler“ im DB-Museum Nürnberg
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Abbildung 2 Kessel (aus: Nürnberger Zeitung)
Abbildung 3 Fundamentträger
Abbildung 4 Weiterleitung der Zugkraft
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Abbildung 5 Berechnungslasten
Abbildung 6 Biegemomente in der Treibachse aus Horizontal-Kräften, Lastfall I
Abbildung 7 Biegemomente in der Treibachse aus Vertikal-Kräften, Lastfall II
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Abbildung 8 Torsionsmomente in der Treibachse
Abbildung 9 "Rocket" (Jahn 1924, Abb. 1)
Abbildung 10 Rahmen der "Rocket" (Bailey/Glithero 2000)
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Abbildung 11 "Patentee" (Jahn 1924, Abb. 11)
Abbildung 12 Lok von Bury (Jahn 1924, Abb. 7)
Abbildung 13 Lok von Jackson (Jahn 1924, Abb. 6)
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Abbildung 14 Konsole mit Längssteifung
Abbildung 15 Lok von Stephenson (Jahn 1924, Abb. 83)
Abbildung 16 Treibachslagerung 1 B - Lok
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Abbildung 17 "Saxonia" (Schnabel 1988)
Abbildung 18 Fundamentträger einer Lok von Cockerill (Jahn 1924, Abb. 15)