Steuerungen

[195] Steuerungen (valve motions; distributions; distribuzioni).

Inhaltsübersicht. I. Zweck der S.; Abschnitte der Dampfverteilung. – II. Die einfache Schiebersteuerung; Schieberbewegung und Schieberdiagramme. – III. Die Kulissensteuerungen im allgemeinen. 1. Die Kulissensteuerungen mit 2 Exzentern; A. Wirkungsweise und Bauarten; B. Bauregeln. 2. Die Kulissensteuerungen mit einem Exzenter; A. Die Wirkungsweise der Heusinger-Steuerung; B. Bauregeln; C. Entwurfsregeln. 3. Die Kulissensteuerungen ohne Exzenter. – IV. Nachprüfung der S. am Modell und Regulierung. – V. Der Einfluß des Federspiels auf die S. – VI. Gegenüberstellung der besprochenen S. – VII. Die Anordnung der Kulissensteuerungen für Mehrzylinderlokomotiven mit einfacher Dampfdehnung. 1. Dreizylinderlokomotiven; 2. Vierzylinderlokomotiven. – VIII. Die Anordnung der Kulissensteuerungen für Verbundlokomotiven. 1. Die Verbundlokomotiven mit 2 Zylindern; 2. die Verbundlokomotiven mit 3 Zylindern; 3. die Verbundlokomotiven mit 4 Zylindern a) mit je einer besonderen Steuerwelle für das Hoch- und Niederdrucktriebwerk, b) mit gemeinsamer Steuerwelle für das Hoch- und Niederdrucktriebwerk. – IX. Die Ventilsteuerungen. – X. Die Gleichstromlokomotiven. – XI. Die Drehschiebersteuerungen. – XII. Die Ausführung der Einzelteile.

I. Zweck der S.; Abschnitte der Dampfverteilung.

Die S. hat den Zweck, die Zu- und Abführung des Dampfes auf beiden Kolbenseiten unter wirtschaftlichster Ausnutzung seiner Spannkraft zu regeln.

Bei der Lokomotive muß die auf einen Kolbenhub entfallende Arbeitsleistung dadurch geändert werden können, daß dem Dampf der Zutritt während eines größeren oder kleineren Teiles des Kolbenhubs ermöglicht wird, d.h. die S. muß mit einstellbarer Füllung arbeiten. Außerdem muß die S. Vorwärts- und Rückwärtsfahrt gestatten, d.h. sie muß Umsteuerung ermöglichen. Die Einstellbarkeit der Füllung und die Umsteuerung werden durch den gleichen Maschinenteil, bei den meisten S., die Kulisse erzielt (s. Abschnitt III).

Den oben in erster Linie angegebenen Zweck der Dampfführung erfüllt die S., wenn sie ein gutes Dampfdiagramm (Dampfdruckschaulinie) ergibt (s. Art. Dampfarbeit, Bd. III, 220, besonders auch Abb. 155). Dieses muß während eines Hin- und Rückwegs des Kolbens folgende Abschnitte aufweisen:

1. Einströmung	Hinweg des Kolbens.
2. Dehnung (Expansion)	Hinweg des Kolbens.
3. Vorausströmung	Hinweg des Kolbens.
4. Ausströmung	Rückweg des Kolbens.
5. Kompression	Rückweg des Kolbens.
6. Voreinströmung	Rückweg des Kolbens.

[195] Die Dehnung soll den im Dampf enthaltenen Arbeitsvorrat durch Entspannung möglichst ausnutzen. Sie darf jedoch nicht auf Kosten der Einströmung zu sehr vergrößert werden, weil sonst die Wandungstemperatur zu weit sinken und der demnächst einströmende Frischdampf zu große Niederschlagsverluste erleiden würde. Die wirtschaftlichste Füllung, d.h. das günstigste Verhältnis der Einströmung zum Kolbenweg liegt bei 0∙2. Erheblich kleinere Füllungen können übrigens bei den üblichen S. für Lokomotiven nicht verwirklicht werden, weil die Kompression dann unzulässig groß wird (s. aber das später Mitgeteilte über Doppelschiebersteuerung und Kammerschieber). Die Niederschlagsverluste können durch Dampfüberhitzung vermieden, kleinere Füllungen, also größere Dehnungen durch Verbundanordnung ermöglicht und wirtschaftlich gemacht werden.

Die Vorausströmung wird zugelassen, um bei Beginn des Kolbenrückwegs bereits einen genügenden Querschnitt für den Dampfaustritt zur Verfügung zu haben. Andernfalls würde ein schädlicher Gegendruck entstehen.

Die Kompression steigert die Pressung des nach der Ausströmung im Zylinder und dem schädlichen Raum zurückbleibenden Dampfes, so daß bei Beginn der Voreinströmung der Raum vor dem Kolben schon mit hochgespanntem Dampf gefüllt ist und keine Druckverluste beim Beginn des neuen Kolbenhubs durch das Nachfüllen des schädlichen Raumes entstehen.

Die Voreinströmung wird so bemessen, daß der Schieber bei Beginn des neuen Kolbenwegs bereits einen genügenden Querschnitt für die Einströmung freigelegt hat. Andernfalls würde der Dampfdruck während der Einströmung infolge Drosselung zu weit unter der Kesselspannung bleiben.

II. Die einfache Schiebersteuerung; Schieberbewegung und Schieberdiagramme.

Der Schieber (s. auch Art. Dampfschieber, Bd. III) dient der Führung des Dampfes nach den oben angegebenen Gesetzen. Abb. 177 u. 184 zeigen ihn und den Schieberspiegel in seiner einfachsten Form. Abb. 178–183 zeigen,[196] wie der Schieber die genannten Abschnitte des Steuerungsvorgangs verwirklicht.

Die Bewegung des Schiebers erfolgt durch ein Exzenter (Abb. 218 u. 219) oder eine Gegenkurbel T₀ K₀ (Abb. 198). In beiden Fällen kann die Bewegung durch eine einfache Kurbel von der Länge CE (Abb. 218) oder CK₀ (Abb. 198) ersetzt gedacht werden. Abb. 185 zeigt einen solchen schematischen Schieberantrieb, doch fehlen in diesem Schema die Teile für Einstellbarkeit der Füllung und Umsteuerung. Die durch ihr Hinzukommen entstehende verwickeltere Anordnung läßt sich aber auf diesen einfachen Antrieb zurückführen. Nach diesem Bilde können die wesentlichen Abmessungen der einfachen Schiebersteuerung festgelegt und ihre Eigenschaften erläutert werden. Die Breite des Dampfeintrittskanals b möge nach den unter Art. Dampfschieber, Bd. III, mitgeteilten Regeln festgelegt sein. Wenn sich die Kurbel von K₀ über K nach K₁, bewegt, so legt die linke, äußere Schieberkante einen Weg S₀ S₁ gleich K₀ K₁ zurück. Bewegt sich der Kurbelzapfen von K₀ bis K, so entfernt sich die Schieberkante um S₀ S = K₀ P von S₀. Punkt P wird gefunden, indem man mit NK um N einen Kreis schlägt. Da die Länge NK der Exzenterstange im Verhältnis zur Exzenterkurbel CK sehr groß ist, so kann man den Bogen KP durch das Lot KW ersetzen. Man kann sich also vorstellen, daß der Kurbelzapfen K die Schieberkante unmittelbar als eine Lotrechte VV hin- und herschiebe. Wenn man also das so gewonnene Bild über den von der betrachteten Kante gesteuerten Kanal zeichnet (Abb. 186), so kann man die Steuerungsvorgänge verfolgen und die zweckmäßigsten Werte für die verschiedenen Steuerungsabmessungen ermitteln. Es sind dies 1. der Abstand e des Kanals vom Mittelpunkt C des von der Schieberkante beschriebenen Weges, 2. die Größe der Exzenterkurbel CK₁ und 3. der Winkel δ zwischen Exzenter- und Triebkurbel. Es ist also auch die letztere, am besten in der Totpunktstellung CT₀ einzuzeichnen.

Bei dieser Stellung der Triebkurbel im Totpunkt muß der Kanal zur Ermöglichung der Voreinströmung um das »lineare Voreilen« v geöffnet sein. Anderseits soll die Einströmung nur während eines Teiles des Kolbenhubs andauern. Während des Restes soll Expansion stattfinden. Die Einströmung wird unterbrochen, wenn die Schieberkante von rechts kommend die Kanalkante erreicht, also bei der Exzenterkurbelstellung CK₃. Die zugehörige Triebkurbelstellung CT₃ erhält man, indem man ∢ T₀ CT₃ = K₁ CK₃ macht. Wählt man den ∢ T₀ CK₁ kleiner, wobei der Kanal zur Erhaltung des Wertes v nach links verschoben werden muß, so wird die Füllung[197] größer. Z.B. gibt Abb. 186 beinahe Vollfüllung, denn ∢ K₁ CK₃ ist fast 180°, die Expansion sehr klein. Um genügende Expansion zu erzielen, muß ∢ T₀ CK₁ also immer um einen gewissen Winkel, den Voreilwinkel δ, größer als 90° sein (Abb. 186).

Um die Füllung in % zu erhalten, müßte man mit der Pleuelstangenlänge um die Achse des Kreuzkopfbolzens einen Kreisbogen T₃X schlagen und würde so die Kolbenstellung im Augenblick des Dampfabschlusses und den Wert T₀X/T₀T₁ als Füllungsverhältnis erhalten. Augenscheinlich kommt es aber auf das gleiche heraus, wenn man mit einem Halbmesser von CK₁/CT₀ × Pleuelstangenlänge um einen auf der Verlängerung von K₁C liegenden Punkt einen durch K₃ gehenden Kreisbogen schlägt. Dann gibt K₁Y/K₁K₅ ebenfalls das Füllungsverhältnis an. Bei überschlägigen Ermittlungen ersetzt man den Bogen K₃Y durch das Lot K₃k₃ Da der Einfluß der endlichen Stangenlängen hinsichtlich Vergrößerung und Verkleinerung der Füllungen bei Hin- und Rückgang des Kolbens ein entgegengesetzter ist, hat jene Annäherung, von der weiterhin zunächst Gebrauch gemacht werden soll, die Bedeutung, daß ungefähr die Mittelwerte der Füllung u.s.w. zwischen Kolbenhin- und -rückgang ermittelt werden.

Fällt man auf Grund ähnlicher Erwägungen das Lot K₈k₈ so ergibt sich, um wieviel Prozent vor dem Totpunkt die Voreinströmung beginnt. Es ist das also der sehr kleine Wert k₈K₁/K₅K₁. Wenn die Exzenterkurbel die Stellung CK₂ hat, so muß der Kanal ganz oder wenigstens bis zu 80% geöffnet sein. Diese Bedingung mit den Forderungen eines bestimmten Winkels K₁CK₃ – d.i. einer bestimmten Füllung – und einem bestimmten linearen Voreilen v genügen zur Zeichnung der Abb. 186. Es sind also festgelegt der Voreilwinkel des Exzenters δ, der Exzenterhalbmesser CK₁ und eine Größe e. Die Bedeutung dieser ergibt sich sofort, wenn man überlegt, daß sich der Schieber in der Mittelstellung befindet, wenn die Exzenterkurbel die Stellung CK₇ hat. Um den Kanal zu öffnen, muß er den Weg e zurücklegen – mit anderen Worten: er überdeckt in seiner Mittelstellung den Kanal um e. Man nennte e die äußere Überdeckung (Abb. 184).

Die Innenkante R des Schiebers (Abb. 186) hat von der Außenkante den Abstand RS. Würde man also in Abb. 186 im Abstand RS auf T₀ T₁ von C aus nach rechts gemessen den Mittelpunkt eines zweiten Kreises vom gleichen Durchmesser festlegen, so würde dieser in ähnlicher Weise zur Untersuchung der durch Schieberkante R bewirkten Steuerungsvorgänge benutzt werden können, wie dies mit dem ersten Kreis hinsichtlich der Kante S geschah. Das gleiche Ergebnis wird erzielt, wenn man statt dessen den Kanal nochmals links im Abstand RS von dem zuerst gezeichneten Kanal einzeichnet; das ist in der Abb. 186 geschehen. Die zweckmäßigste Größe von RS und die Eigenschaften der S. hinsichtlich der Ausströmung bleiben zu bestimmen.

Da aus den im Abschnitt I angegebenen Gründen Vorausströmung gewünscht wird, so muß die Lage des Kanals etwa, wie in Abb. 186 angedeutet, gewählt werden. Die Exzenterkurbel und mithin die Triebkurbel muß also, wenn die Ausströmung beginnt, noch um einen Winkel K₄CK₅ vom Totpunkt entfernt sein. Die Dauer der Vorausströmung als Bruchteil des Kolbenhubs ist k₄K₅/K₁K₅. Die rechte Kanalkante darf also nicht wesentlich nach links[198] verschoben werden, geschweige denn daß sie durch K₅ gehen dürfte. Eine beträchtliche Verschiebung nach rechts kann auch nicht vorgenommen werden, weil dann die Vorausströmung zu früh beginnen und ein Arbeitsverlust eintreten würde. Hat man sich für die eingezeichnete Lage des Kanals entschieden, so erhält man beider Stellung CK₆ der Exzenterkurbel, also um den Winkel K₆CK₁ von der Anfangstotpunktlage entfernt, den Beginn der Kompression und k₆K₁/K₅K₁ ist die Kompressionsdauer.

Diese ist also durch die vorher gewählten Größen der Vorausströmung u.s.w. schon bestimmt. Die Abhängigkeit wird unbequem, wenn man kleine Füllungen anstrebt. Abb. 188 erläutert das. Die Füllung ist klein, weil der Voreilwinkel δ groß gewählt ist. Die Folge ist, daß bei angemessener Vorausströmung die Kompressionsdauer k₆K₁/K₅K₁ und infolgedessen der Kompressionsenddruck sehr groß wird. Man überschätzte früher diesen Mangel, zumal man irrtümlicherweise an die Wirtschaftlichkeit sehr kleiner Füllungen für Lokomotiven glaubte. Man sah sich daher zur Einführung der heute wieder verlassenen Doppelschiebersteuerungen veranlaßt (Borsig 1844). In neuester Zeit hat Hochwald die Anwendung kleiner Füllungen in einfacherer Weise durch den Bau von Kammerschiebern zu lösen gesucht. Abb. 189 zeigt einen Kammerschieber der Firma Henschel in Cassel. Der eingezeichnete Pfeil zeigt den Weg des Frischdampfes, der also für jeden Einströmungskanal durch die Kanten zweier gewissermaßen hintereinander geschalteter Schieber S₁ und S₂ gesteuert wird. Die Abmessungen sind so gewählt, daß die Kante 1 den Dampfkanal früher öffnet als Kante 2. Bevor also die Voreinströmung stattfinden kann, ist der Raum vor dem Kolben schon mit der Schieberkammer und der Ringkammer R in Verbindung, die daher eine Vergrößerung des schädlichen Raumes während des letzten Teiles der Kompression und damit die angestrebte Herabsetzung des Kompressionsdrucks bewirken.

Wenn Schieberinnenkante und Exzenterkurbel in Mittelstellung CK₇ stehen (Abb. 186), so ist eine Verschiebung um i nötig, bis der Kanal zur Ausströmung geöffnet wird. Man nennt i die innere Überdeckung (Abb. 184).

Die Abmessungen des Schieberspiegels werden durch folgende Rücksichten bestimmt: a_i (Abb. 178) muß auch bei größter seitlicher Auslenkung des Schiebers mindestens = a sein, um Drosselung des ausströmenden Dampfes zu vermeiden. σ_a (Abb. 183) muß so bemessen sein, daß auch bei größter seitlicher Auslenkung des Schiebers die Dichtungsbreite k ≧ 0∙5 a bleibt. Ist der Schieberhub veränderlich, wie bei den gleich zu besprechenden Kulissensteuerungen, so soll zur Vermeidung von Ansatzbildungen auch bei kleinstem Schieberhub die Schieberinnenkante über die Kante des Kanals a₀, die Schieberaußenkante über den Rand des Schieberspiegels wegschleifen.

Es finden sich zuweilen gewisse Abweichungen gegenüber der bisher betrachteten regelrechten Anordnung der Schiebersteuerung. Die sinngemäße Änderung der zeichnerischen Untersuchung ergibt sich in einfacher Weise. Wenn z.B. die Bewegungsrichtungen des Kurbeltriebs und des Schieberantriebs einen Winkel miteinander bilden (Abb. 190), so muß die Exzenterkurbel in Abb. 186, im gleichen Sinn und um den gleichen Winkel gedreht, der Voreilwinkel im vorliegenden Fall also verkleinert werden.

Zuweilen werden aus irgendwelchen räumlichen Gründen zwischen Exzenterstange und Schieberstange Zwischenglieder, meistens zweiarmige Hebel eingeschaltet (Abb. 191). Zweiarmige Hebel kommen auch bei den Kulissensteuerungen (vgl. später) vor (Abb. 220 u. unter Lokomotive, Taf. II, Abb. 18). Wegen der Bewegungsumkehr[199] ist alsdann das Exzenter um 180° gegen seine Lage bei unmittelbarem Antrieb zu versetzen. Da im Fall der Abb. 191 gleichzeitig ein Schrägantrieb vorliegt, so ist δ nicht von Y₁Y₁ sondern von YY an abzutragen.

Das an Hand der Abb. 186 geschilderte Verfahren ist ohneweiters oder mit geringen sinngemäßen Änderungen auch auf andere Schieberformen, z.B. den Trickschen Kanalschieber (Bd. III, S. 243, Abb. 191) oder den Kolbenschieber mit innerer und äußerer Einströmung anwendbar (ebenda, Abb. 187).

Für einen Schieber mit innerer Einströmung erfolgt die Untersuchung ebenso, wie oben auseinandergesetzt. Die Exzenter müssen aber um 180° gegen die normale Anordnung versetzt werden. Die äußere Überdeckung wird nach innen gelegt und umgekehrt.

Alle bisherigen Ermittlungen gelten auch für Kulissensteuerungen, deren Wirkungsweise im nächsten Abschnitt auf die einfache Schiebersteuerung zurückgeführt werden wird.

Der Schieberweg heißt die Ablenkung des Schiebers aus seiner Mittellage. Es ist dies in dem Sonderfall der Abb. 186, d.h. bei Totpunktstellung der Triebkurbel, wenn CK₁ mit r bezeichnet wird, der Wert ξ = r sin δ. Denkt man sich die Kurbeln um einen beliebigen Winkel ω gedreht, so wird allgemein ξ = r sin (δ + ω) = r sin δ cos ω + r cos δ sin ω.

Nun sind r cos δ und r sin δ Abszisse und Ordinate des Endpunktes K₁ der Exzenterkurbel bei Totpunktstellung der Triebkurbel. Nennt man diese A und B, so erhält man die Gleichung für den Schieberweg

ξ = A cos ω + B sin ω.

Für genaue Ermittlungen darf man, wie schon früher angedeutet, nicht an der Vorstellung festhalten, daß Punkt K (Abb. 186) die Schieberkante unmittelbar steuere, sondern man muß wie in Abb. 185 mit der Exzenterstangenlänge den Bogen KP schlagen, um in P die tatsächliche Lage der Schieberkante zu erhalten. Es ergibt sich in Abb. 192 das lineare Voreilen v' statt des Wertes v. Dieser Wert gilt nur für den eben betrachteten Kanal, also für die Kurbelseite des Zylinders. Trägt man in Abb. 192 auch den zur Deckelseite des Zylinders führenden Kanal ein, so braucht man die Kurbel CK₁ nur um 180° zu drehen, um in u' das lineare Voreilen für diesen Kanal zu erhalten und weiterhin die Dampfverteilung für diesen prüfen zu können. Die Darstellungsweise ist nicht mit der der Abb. 186 zu verwechseln. Dort kehrte in einem Bild zweimal derselbe Kanal wieder, um seine Wirkung als Dampfein- und Dampfauslaß darzulegen. Hier dagegen handelt es sich um die beiden Kanäle an der Kurbel- und der Deckelseite des Zylinders. Das lineare Voreilen wird durch den Einfluß der endlichen Schieberstangenlänge an der Kurbelseite verkleinert, an der Deckelseite vergrößert. Die endliche Schieberstangenlänge hat demnach zur Folge, daß das lineare Voreilen vor und hinter dem Kolben verschieden groß ausfällt, vorausgesetzt, daß die äußere Überdeckung, wie in Abb. 192, an beiden Schieberenden gleich groß gewählt wird. Anderseits kann man den Fehler beseitigen, indem man die Überdeckungen an der Kurbelseite verkleinert, auf der Deckelseite vergrößert, so daß die Kanäle in die punktierte Lage kommen.

Die Abbildung läßt erkennen, wie weiterhin der Einfluß der endlichen Exzenterstangenlänge auf den Beginn der Expansion ermittelt wird. Geht man zunächst von der ursprünglich angenommenen Lage des Kanals aus, so ergibt sich, indem man die endliche Exzenterstangenlänge durch Schlagen eines Kreisbogens berücksichtigt, folgender Einfluß dieser Länge auf den Beginn der Expansion: Statt in k beginnt sie beim Hingang des Kolbens schon in k'; statt in l beim Rückgang erst in l'. Die Verlegung des Kanals, d.h. also die Änderung der Überdeckungen beseitigt, wie die weiter eingetragenen Kreisbögen erkennen lassen, auch diesen Fehler nahezu. Die Füllungsverhältnisse ergeben sich jetzt zu K₁k''/K₁K₅ und zu K₅l''/K₅K₁.

Ganz ähnliche Verhältnisse bestehen hinsichtlich des Einflusses der endlichen Exzenterstangenlängen auf die Vorausströmung. Man wird auf Vergrößerung der inneren Überdeckung[200] auf der Kurbelseite, auf Verkleinerung auf der Deckelseite geführt, u.zw. um die gleichen Beträge, wie sie oben für die Voreinströmung ermittelt wurden. Die Zusammenfassung aller dieser Verkleinerungen und Vergrößerungen bedeutet, daß der Bewegungsmittelpunkt des Schiebers, von dem aus er gleich weit nach beiden Seiten ausschlägt, aus seiner anfangs angenommenen Lage über der Mitte des Ausströmungskanals um die ermittelte Änderung der Überdeckungen von der Kurbel weg zu verschieben ist.

Diese Verschiebung hat, wie die punktiert eingezeichneten Kanäle in Abb. 192 erkennen lassen, zur Folge, daß sie nun verschieden weit geöffnet werden. Bemißt man die Kanäle so, daß die kleinere Öffnung auf der Deckelseite noch genügt, so ist jene Verschiedenheit ohne Bedeutung.

Die Dampfverteilung erleidet eine weitere Änderung durch den Einfluß der endlichen Länge der Triebstange. Auf das lineare Voreilen erstreckt sich dieser Einfluß nicht, denn, wenn der Schieber um das lineare Voreilen geöffnet hat, stehen die Kurbeln im Totpunkt. Die Einströmungsdauer hingegen hat auf der Kurbelseite nun den Wert K₁k'''/K₁K₅, somit kleiner, auf dem Rückweg den Wert K₅k'''/K₅K₁, demnach größer als bei Nichtberücksichtigung der endlichen Stangenlängen. Die Abbildung zeigt, daß das Verfahren, das zur Behebung des Einflusses der endlichen Exzenterstangenlänge eingeschlagen wurde, auch den Einfluß der endlichen Triebstangenlänge mildert.

Außer der in Abb. 186 angegebenen Darstellungsweise, die von Reuleaux stammt, benutzt man noch andere Schieberdiagramme. Abb. 193 zeigt die Schieberellipse. Auf dem wagrechten Durchmesser des Kurbelkreises ermittelt man die z.B. zur Kurbelstellung CK₂ gehörige genaue Kolbenstellung, indem man mit der Triebstangenlänge den Bogen K₂C₂ schlägt. Der kleinere Kreis zur Rechten dient zur Ermittlung des gleichzeitigen genauen Schieberwegs On₂, der in C₂ senkrecht zu K₀ K₄ aufgetragen wird u.s.w. Dieser Schieberkreis ist um 90° gegen seine richtige Lage zum Kurbelkreis gedreht, damit die Schieberwege bequem in den Kurbelkreis übertragen werden können. Für den Rückweg des Kolbens werden die Schieberwege nach unten abgetragen. Zieht man in einem Abstand, der gleich den äußeren Überdeckungen der beiden Schieberenden ist, die beiden Parallelen TT und in einem Abstand, der gleich den inneren Überdeckungen ist, die beiden Parallelen HH zu K₀K₄ so kann man alle wesentlichen Punkte des Steuerungsvorgangs ablesen. Es beginnt z.B.: bei Z₃ die Expansion und bei Z₄ die Vorausströmung für den Kolbenhingang. Die Kreisbogen Z₃Z₃ und Z₄Z₄ bestimmen die zugehörigen Kurbelstellungen CZ₃ und CZ₄. Das Bild läßt auch ohneweiters erkennen, daß die Voreinströmung und Vorausströmung verschieden groß ausfallen würden, wenn die Überdeckungen beiderseitsgleich gemacht wären. Da aber die äußeren und inneren Überdeckungen nicht von K₀K₄, sondern von einer um f₁ tiefer liegenden Parallelen R₀R₁ abgetragen sind, so ist damit die oben besprochene Berichtigung der Schieberbewegung vorgenommen, d.h. es sind die Überdeckungen um f₁ vergrößert bzw. verkleinert oder mit anderen Worten: der Bewegungsmittelpunkt des Schiebers ist um f₁ verschoben. Man kann der Abbildung auch ohneweiters entnehmen, daß infolge dieser Berichtigung die Kanaleröffnungen an beiden Zylinderenden verschieden groß ausfallen.

Die Schieberellipsen können durch geeignete Vorrichtungen an jeder Dampfmaschine aufgenommen werden.

Das Zeunersche Schieberdiagramm ist die geometrische Darstellung der oben abgeleiteten Gleichung für den Schieberweg ξ = r sin δ cos ω + r cos δ sin ω. Die Polargleichung eines Kreises, dessen Leitstrahl ξ dessen Halbmesser ρ ist und dessen Durchmesser[201] gegen die Ordinatenachse die Neigung δ hat, lautet ξ = 2 ρ sin δ cos ω + 2 ρ cos δ sin ω. Es hat in obiger Gleichung r der Halbmesser des Exzenterkreises die Bedeutung von 2 δ, also des Durchmessers eines durch die Gleichung dargestellten Kreises. Man mache in Abb. 194 CE = r und lege es um δ geneigt gegen die Ordinatenachse. CG = ξ ist dann der Schieberweg. Schlägt man noch um C Kreise mit i und e, so können alle Abschnitte der Dampfverteilung geprüft werden. Für Winkel ω über 180° müßte man sich die Kurbel z.B. in der Stellung CE₁ nach rückwärts über C verlängert denken, um dann auf CE den Schieberweg abzulesen. Statt dessen trägt man einen zweiten Kreis nach rechts unten ein u.s.w. Die Gleichung für den Schieberweg berücksichtigt nicht die endlichen Stangenlängen. Man erhält also nur ein angenähertes Bild des Steuerungsvorgangs.

III. Die Kulissensteuerungen im allgemeinen.

Die Kulisse ist bei Lokomotiven das übliche Mittel, um Umsteuerung und Einstellbarkeit der Füllung zu ermöglichen. Abb. 190, 195, 196, 197, 198 u. 199 zeigen Kulissensteuerungen für Lokomotiven. Die Umsteuerungen oder die Änderung des Füllungsgrades erfolgt nach Abb. 195 durch Hebung oder Senkung der Kulisse M, nach Abb. 196 durch Hebung oder Senkung der Schieberschubstange L₁ nach Abb. 197 durch Hebung oder Senkung der Kulisse M und gleichzeitige Gegenbewegung der Schieberschubstange L₁ nach Abb. 198 durch Hebung oder Senkung der Schieberschubstange EA und endlich nach Abb. 199 durch Drehung der Kulisse M. Diese Verstellungen werden durch Drehung der Steuerwelle P eingeleitet, die ihrerseits wieder mittels des angedeuteten Gestänges durch Betätigung eines auf dem Führerstand befindlichen Steuerhebels (Abb. 200) oder einer meist mehrgängigen Steuerschraube (Abb. 201) bewirkt wird. Zuweilen finden auch mit Dampf oder Luftdruck arbeitende Umsteuerungsvorrichtungen Anwendung.[202]

1. Die Kulissensteuerungen mit 2 Exzentern.

A. Wirkungsweise und Bauarten. Die Wirkungsweise der Kulissensteuerungen als Umsteuerungen geht aus Abb. 195 ohneweiters hervor. In der gezeichneten Kulissenstellung wird nur die Bewegung der Exzenterstange L auf die Schieberstange W übertragen, weil beide am gleichen Punkt der Kulisse angreifen. Die Lokomotive läuft vorwärts, weil das zur Stange L gehörende Exzenter in Richtung der Vorwärtsdrehung der Kurbel um 90° + δ gegen diese versetzt ist. Das andere Exzenter ist um 90° + δ in Richtung der Rückwärtsdrehung der Kurbel gegen diese versetzt. Bei gehobener Kulisse läuft die Lokomotive also rückwärts.

Bei den Kulissensteuerungen der Abb. 196 und 197 ist die Wirkungsweise als Umsteuerung eine ganz entsprechende.

Es greift entweder das Vorwärtsexzenter am oberen und das Rückwärtsexzenter am unteren Kulissenende an (Abb. 190 und 195) oder umgekehrt (Abb. 196, 197). Man spricht im ersteren Fall von offenen, im letzteren von gekreuzten Stangen. Die besonderen Eigenschaften beider Anordnungen werden sich aus der nun folgenden Betrachtung[203] ergeben. Die Wirkungsweise der Kulissensteuerungen als Vorrichtungen zur Einstellung der Füllung bedarf besonderer Behandlung. Die Betrachtung soll an eine Stephensonsche Kulisse mit offenen Stangen angelehnt werden (Abb. 195 u. 202). Die Kulisse kann 3 ausgezeichnete Stellungen einnehmen: 1. die in erstgenannter Abbildung gezeichnete, bei der nur das Vorwärtsexzenter zur Wirksamkeit kommt, 2. die entgegengesetzte Stellung, bei der nur das Rückwärtsexzenter zur Wirksamkeit kommt, 3. die Mittelstellung, bei der der Kulissenstein S bei Z₃ in der Mitte der Kulissenhöhe liegt. In dieser Stellung wirken beide Exzenter im gleichen Maße. Diese Kulissenstellung gibt, wie sich zeigen wird, keine brauchbare Dampfverteilung, wohl aber gewisse Zwischenstellungen, z.B. wenn der Kulissenstein zwischen Z₁ und Z₃ liegt. Er liegt dann im Abstand u (Abb. 202) über dem Kulissenmittelpunkt O. Das Vorwärtsexzenter hat jetzt den überwiegenden, das Rückwärtsexzenter einen geringeren Einfluß auf die Bewegung der in P angreifenden Schieberstange. Die Aufgabe ist, ein resultierendes Exzenter nach Größe der Exzentrizität und des Voreilwinkels zu bestimmen, das, an Stelle der beiden Exzenter CE_v und CE_r aufgekeilt und mit seiner Stange bei P unmittelbar an die Schieberstange angelenkt, dieser die gleiche Bewegung erteilt wie jene unter Vermittlung der Kulisse. Mit Lösung dieser Aufgabe sind die Erscheinungen, die die Kulissensteuerungen darbieten, auf die im Abschnitt II behandelten einer einfachen Schiebersteuerung zurückgeführt. Der Einfluß endlicher Stangenlängen (vgl. oben) muß vernachlässigt werden. Ferner soll angenommen werden, daß die Kulissenendpunkte M_v, M_r gerade, parallel zur Schieberbewegung verlaufende Bahnen beschreiben. In Wahrheit beschreiben die Endpunkte der im Aufhängungspunkt Z₃ (Abb. 195) im Kreis geführten und gleichzeitig ihre Neigung ändernden Kulisse eigentümliche schleifenförmige Bahnen.

Die Aufgabe zerfällt in 2 Teile. Man sucht zuerst jedes Exzenter für sich durch ein anderes zu ersetzen, das die Schieberstange ohne Vermittlung einer Kulisse in P antreibt. Dann sind diese beiden Exzenter zu einem resultierenden zusammenzusetzen. Das Exzenter CE_v hat beim Antrieb des Kulissenendpunktes M_v – immer unendliche Stangenlängen vorausgesetzt – die Totpunkte E_v₀ und E_v₁. Das Ersatzexzenter, das P unmittelbar antreiben soll, hat die Totpunkte K₀ und K₁, muß also, um seine Totpunkte im gleichen Zeitpunkt wie jenes zu durchlaufen, um ∢ E_v₀CK₀ = β_v gegen dasselbe versetzt werden. Bei einer Drehung des Exzenters um 180° aus der Stellung CE_v0 in die Stellung CE_v1 würde das Kulissenende von M_V0 nach M_v1 gelangen und den Weg 2 × CE_v0 durchlaufen, wenn es sich, wie beim regelrechten Kurbeltrieb der Kreuzkopf, in der Richtung der Totpunktlagen E_v0E_v1 bewegen könnte. Das Kulissenende bewegt sich gemäß Annahme aber auf der Geraden AB. Den wirklichen Endpunkt der Bewegung erhält man, indem man mit der Exzenterstangenlänge Kreisbögen um E_v0 und E_v1 schlägt, oder sehr annähernd, indem man E_v0M_v0 = E_v1 M_v1 = der Exzenterstangenlänge macht und die Lote M_v0D₀ und M_v1D₁ errichtet. Damit ergibt sich der Weg des Kulissenendes zu

Das Ersatzexzenter muß daher nicht nur, wie eben nachgewiesen, um β_v versetzt, sondern auch[204] auf

vergrößert werden. Dieser Bedingung genügt das Exzenter CE'_v. Die auf M_v übertragene Bewegung gelangt nur mit dem Bruchteil

nach P. Das. an P unmittelbar angreifende Ersatzexzenter muß nun endgültig die Länge

erhalten.

In ganz gleicher Weise muß das Ersatzexzenter für das Rückwärtsexzenter ermittelt werden. Für β_v ist β_r, für

ist

zu setzen. Beide Exzenter sind nach dem Parallelogramm der Bewegungen zu dem resultierenden Exzenter CE_r zusammenzusetzen.

Wenn man die besprochene Konstruktion für verschiedene Kulissenstellungen ausführt, so bekommt man eine ganze Reihe von resultierenden Exzentern. Die äußersten sind mit β_v bzw. β_r = o und u = c den wirklichen Exzentern gleich und ergeben sich für die Kulissenendlagen. Das kleinste resultierende Exzenter liegt gegen die Triebkurbel um 180° versetzt und ergibt sich für die Mittellage der Kulisse. Die Endpunkte aller dieser Relativexzenter liegen auf der »Scheitelkurve«. Sie ist eine Parabel, die im oben behandelten Fall, also für eine Stephensonsche S. mit offenen Stangen ihre hohle Seite der Kurbelwelle zuwendet. Verkleinert man die Füllung, so wird bei Totpunktstellung der Kurbel der Schieber von seiner Mittellage weiter entfernt. Die Stephensonsche S. mit offenen Stangen ergibt daher für abnehmende Füllung zunehmendes lineares Voreilen.

Für eine Stephensonsche S. mit gekreuzten Stangen sind die ∢ β negativ, weil die Stange des Vorwärtsexzenters nicht nach oben, sondern nach unten um β_v von der Achse der Schieberbewegung abweicht u.s.w. Das Ersatzexzenter für das Vorwärtsexzenter CE_v eilt diesem um β_v nach, nicht vor, und die Scheitelkurve wendet ihre gewölbte Seite der Kurbelwelle zu. Das lineare Voreilen nimmt daher mit abnehmender Füllung ab.

Bei der Gooch-Steuerung (Abb. 196) wird Umsteuerung und Füllungsänderung durch Heben und Senken der Schieberschubstange L₁ bewirkt. Man braucht demnach nur die Kulisse mit einem Halbmesser zu krümmen, der gleich der Schieberschubstangenlänge L₁ ist, so erleidet bei Totpunktstellung der Triebkurbel Punkt G, also auch der Schieber während des Umsteuerns keine Verschiebung. Das lineare Voreilen ist unveränderlich, die Scheitelkurve eine Gerade. Die Ermittlung ihrer Lage erfolgt wie bei der Stephensonschen S., wobei zu beachten ist, daß β_v, β_r unveränderlich ist, weil die Kulisse ihre Höhenlage nicht ändert. Die Allan-Trick-Steuerung (Abb. 197) steht zwischen beiden Bauarten. Es ergeben sich schwach gekrümmte Scheitelkurven und eine Veränderlichkeit des Voreilens, die geringfügiger als bei der Stephensonschen S. ist.

Die Gleichung für den Schieberweg ξ = A cos ω + B sin ω muß für Kulissensteuerungen in der Form geschrieben werden:

ξ = x cos ω + y sin ω

Hierin sind x und y die Ordinaten desjenigen Punktes der Scheitelkurve, der zufolge der gerade gewählten Einstellung der Kulisse eben benutzt wird.

Statt einer Schieberellipse ergibt sich für eine Kulissensteuerung eine ganze Schar dieser Ellipsen.[205]

Statt eines Kreispaares des Zeunerschen Diagramms (Abb. 194) ergibt sich bei Kulissensteuerungen eine Schar solcher Kreise (Abb. 203). Die Endpunkte ihrer Durchmesser liegen auf der Scheitelkurve.

Man kann sich die Scheitelkurve als Schlitzführung für einen Stein verwirklicht denken. Der Stein würde je nach der beabsichtigten Füllung und Drehrichtung an einer bestimmten Stelle des Schlitzes festzuklemmen sein und mittels Schieberschubstange und Schieberstange den Schieber bewegen. Diese sehr einfache Vorrichtung würde eine Kulissensteuerung, was die Schieberbewegung anlangt, völlig ersetzen, aber nicht während des Laufes der Maschine umstellbar sein.

B. Bauregeln für die Kulissensteuerungen mit 2 Exzentern. Für alle Kulissensteuerungen, überhaupt alle Umsteuerungen gilt die Regel, daß sie ausgelegt eine möglichst große Füllung geben sollen. Es ist dies nicht nur erforderlich, um zeitweise, besonders während des Anfahrens, die Zugkraft über das durchschnittliche Maß zu steigern, sondern es spricht auch die Rücksicht auf die Kolbenstellungen vor dem Anziehen der Lokomotive mit. Steht der Kolben dem Ende seines Hubes nahe, so hat der Schieber schon abgeschlossen. Bei der in Fahrt befindlichen Lokomotive würde der expandierende Dampf auf den Kolben wirken; bei der stehenden fehlt dieser, und dem Frischdampf wird der Eintritt vom Schieber verwehrt. Der betreffende Kolben übt also keine Zugkraft aus. Je größer die bei ausgelegter S. ermöglichte Füllung ist, um so näher steht der Kolben bei abschließendem Schieber schon dem Totpunkt, um so geringer ist der Ausfall an Anzugskraft, wenn er keinen Frischdampf mehr erhält.

Abb. 186 läßt erkennen, warum man nicht beliebig große Höchstfüllungen erreichen kann. Geht man nämlich von der dort angenommenen äußeren Überdeckung e aus, so führt das Verlangen größerer Füllungen auf die Notwendigkeit, Punkt K₁ parallel der Kanalkante nach oben zu verschieben, also auf einen größeren Exzenterkreis, d.h. ein größeres Exzenter. Es ergeben sich bald unausführbar große Steuerungsabmessungen, und 100% Füllung würden erst bei einem unendlich großen Exzenter erreicht. Man könnte anderseits eine Füllung von fast 100% dadurch erreichen, daß man die äußere Überdeckung ganz klein, in der Abb. 204 = 0 macht. Das Exzenter würde nun die Stellung CK erhalten, das Füllungsverhältnis = Kk/KK₁ = 98∙5% sein. Legt man aber die S. auf kleinere Füllung um, so entsteht unter Annahme einer geradlinigen Scheitelkurve MN das resultierende Exzenter CK'. Es ist auf etwa ¹/₃ des Exzenters CK verkleinert, die S. also der Mittellage sehr weit genähert und trotzdem ist die Füllung noch K'k'/K'K'₁ = 82∙5%. Die Voreinströmung aber ist schon auf den ganz unzulässigen Wert m K'[206] gestiegen. Der Schieber öffnet viel zu früh und ruft einen schädlichen Gegendruck auf den Kolben hervor. Bei Mittelstellung der S. würde sich noch immer 50% Füllung einstellen. Die Voreinströmung wäre ebenfalls 50%.

Die Höchstfüllung ist aus diesen Gründen zu 75–83% anzusetzen.

Die Ansichten, ob für die Stephenson- und die Allan-Trick-Steuerung offene oder gekreuzte Stangen, also mit verringerter Füllung zu- oder abnehmendes lineares Voreilen vorzuziehen sei, sind geteilt. Die kleineren Füllungen werden bei größeren Geschwindigkeiten benutzt. Für diese ist zur Vermeidung starker Dampfdrosselung erwünscht, daß schon zu Anfang der Kolbenbewegung große Kanalöffnungen vorhanden seien. Das spricht für offene Stangen. Bei der Gooch-Steuerung ist das Voreilen unveränderlich. Von diesem Standpunkt aus ist es gleichgültig, ob sie mit offenen oder gekreuzten Stangen ausgeführt ist.

Für die Aufhängung der Kulisse, bei der Gooch- und Allan-Trick-Steuerung auch der Schieberschubstange, gilt die Forderung, daß die Kulisse dort, wo der Stein liegt, und dieser selbst geradlinig in der Achse des Steuerungsantriebs geführt werden sollen. Diese Forderung ist nicht streng erfüllbar. Man muß sich damit begnügen, einen Punkt der Kulisse durch ein möglichst langes Hängeeisen in flachem Kreisbogen zu führen. Ihre anderen Punkte beschreiben dann um so verwickeltere Bahnen, je weiter sie vom Aufhängepunkt entfernt sind. Bei der Gooch- und Allan-Trick-Steuerung erfolgt auch die Führung der Schieberschubstangen durch möglichst lang zu wählende Hängeeisen in Kreisbögen.

Die Folge aller dieser Notbehelfe ist, daß der Stein um so stärker »springt«, d.h. um so größere Bewegungen im Kulissenschlitz macht, je weiter vom Aufhängepunkt der Kulisse entfernt er eingestellt ist. Bei hauptsächlich vorwärtsfahrenden Lokomotiven mit gekreuzten Stangen, bei denen der Stein meist in der unteren Kulissenhälfte steht, läßt man daher das Hängeeisen bei oben liegender Steuerwelle häufig am unteren Kulissenende angreifen. Der Stein steht dann bei der meist benutzten Füllung dem am besten geführten Punkt der Kulisse nahe und das Hängeeisen wird lang. Die gleiche Überlegung führt zur Aufhängung des oberen Kulissenendes bei offenen Stangen und unten liegender Steuerwelle. Das Springen des Steines ist schädlich, weil es die Dampfverteilung beeinträchtigt, Abnutzungen und unbequeme Kräfterückwirkungen auf das ganze Steuerungsgestänge bis zum Steuerungsbock auf dem Führerstand hervorruft.

Es lassen sich noch weitere Forderungen für die Aufhängung der Kulisse aufstellen, die aber ebenfalls nicht streng erfüllbar sind.

Der Aufhängepunkt M der Stephensonschen Kulisse soll nämlich so geführt sein, daß die Sehne des von ihm beschriebenen Bogens parallel der Schieberbewegung, also in Abb. 205 wagrecht liegt. Andernfalls würde die Kulisse in ihren beiden, den Totpunktlagen der Kurbel entsprechenden Endlagen verschiedene Höhenlagen haben, die Dampfverteilung für Kolbenhin- und Rückweg und im besonderen das lineare Voreilen ungleich werden. Diese Forderung müßte für jede Einstellung der S., also jede Höhenstellung der Kulisse erfüllt sein. Abb. 205 läßt erkennen, daß dies nur dann der Fall ist, wenn der Aufwurfhebel OH auf der Steuerwelle die Länge der Exzenterstangen l besitzt und jene selbst bei O liegt. Der Aufwurfhebel muß stets parallel der von C zum Aufhängepunkt P der Kulisse gehenden Verbindungslinie sein. Bei Mittellage und in der Mitte aufgehängter Kulisse muß er die Lage OH, bei unten aufgehängter Kulisse die Lage OH₂ haben. Diese Forderungen können im allgemeinen nicht erfüllt werden. Dem Aufwurfhebel kann nur eine Länge O₁H gegeben werden und O₁ ist, wie in Abb. 205 geschehen, so zu legen, daß die Fehler möglichst klein werden.

Abb. 206 deutet die entsprechenden Forderungen für die Gooch-Kulisse an.

Ähnliche Forderungen lassen sich auch für die Allan-Trick-Steuerung aufstellen, die aber gegenstandslos sind, weil für die Längen der[207] Aufwurfhebel weiterhin andere wichtigere Bedingungen aufgestellt werden müssen.

Bei der Stephensonschen S. sollen die Exzenterstangen möglichst lang sein. Bei der Gooch- und Allan-Trick-Steuerung gilt die gleiche Forderung für die Schieberschubstange, so daß ein Ausgleich getroffen werden muß.

Bei der Stephensonschen S. soll die Kulisse mit der Exzenterstangenlänge als Halbmesser gekrümmt sein. Die Forderung hat zum Zweck, den Schieber für beliebige Stellungen der Kulisse um die gleiche Mittelstellung nach beiden Seiten ausschlagen zu lassen. Die Forderung, an sich einleuchtend, ist trotzdem ungenau. Hoefer hat in der Ztschr. dt. Ing. 1891, S. 476, eine genauere Berechnung des Krümmungshalbmessers der Kulisse angegeben, die auf etwas kleinere Werte führt.

Über die Krümmung der Goochschen Kulisse vgl. S. 205.

Die Allan-Tricksche S. ist aus dem Bestreben entstanden, Stephenson- und Gooch-Steuerung so zu vereinigen, daß sich eine gerade Kulisse ergibt. Die Forderung ist erfüllt, wenn das Verhältnis der Steinhebung zur Kulissensenkung:, mit den Bezeichnungen der Abb. 207

ist. Dieser Forderung müssen die Längen der Hebel auf der Steuerwelle W gemäß der Gleichung

angepaßt sein.

2. Die Kulissensteuerungen mit einem Exzenter leiten die Schieberbewegung von einem Exzenter und vom Kreuzkopf oder einem andern Punkt des Triebwerks ab. Das Triebwerk stellt gewissermaßen das zweite unentbehrliche Exzenter dar.

A. Die Wirkungsweise der Heusinger- (Walschaert-) Steuerung (s. Abb. 198 u. Art. Lokomotive, Taf. I). Die Heusinger-Steuerung ist heute die am meisten verbreitete S. dieser Gattung und die meist benutzte Lokomotivsteuerung überhaupt. Im Art. Lokomotive (Bd. VII) finden sich zahlreiche Ausführungsformen dieser S. Ihre Wirkungsweise als Umsteuerung und als Vorrichtung zur Einstellung wechselnder Füllungen wird zweckmäßig gleichzeitig betrachtet. Denkt man sich in Abb. 198 Punkt A zunächst festgehalten, so erkennt man, daß die Kreuzkopfbewegung im Verhältnis n/m auf den Schieber übertragen und umgekehrt wird. Im Diagramm (Abb. 208) ist ein gegen die Triebkurbel CT₀ um 180° versetztes Exzenter von der Größe

einzutragen, worin R den Halbmesser der Triebkurbel bedeutet. Denkt man sich nun Punkt L₁ festgehalten, so ergibt sich der vom Exzenter CK₀ auf den Schieber übertragene Bewegungsanteil von einer solchen Größe, als ob er unmittelbar von einem Exzenter der Größe

herrührte. Hierin bedeutet u die Verschiebung des Steines aus der Kulissenmitte. u ist aber veränderlich je nach Einstellung des Kulissensteins in der Kulisse. Es[208] schwankt zwischen Null und einem positiven und negativen Höchstwert. Da das Exzenter CK₀ um 90° voreilt, so ist jener Höchstwert CE'_v in Abb. 208 ebenfalls der Kurbel um 90° voreilend einzutragen, wenn der Stein unterhalb des Kulissendrehpunktes liegt. Bei dieser Steinstellung fährt die Lokomotive vorwärts. Wenn der Stein aber oberhalb des Kulissendrehpunktes steht, so erfolgt durch die Kulisse eine Umkehr der Bewegung. Jener Wert ist als CE'_r der Triebkurbel nacheilend einzutragen u.s.w. Es setzen sich z.B. CE' und CE'_v zu einem resultierenden Exzenter CE₁ mit einem Voreilwinkel E'_vCE₁ zusammen. Wird der Stein der Kulissenmitte genähert, so wird u kleiner und es ergibt sich z.B. das resultierende Exzenter CE₃. Für Mittellage der Schieberschubstange u = 0 bleibt nur der Kreuzkopfantrieb übrig. Das resultierende Exzenter wird dann durch CE' dargestellt.

Da sich die Größe des Ersatzexzenters CE' nicht ändert, so liegen die Endpunkte aller resultierenden Exzenter auf der Geraden E₁E₂, mit anderen Worten: die Scheitelkurve ist eine Gerade, das lineare Voreilen unveränderlich.

Die Abszisse der Scheitelkurve hat den Wert

die veränderliche Ordinate den Wert

die Gleichung des Schieberwegs (s. S. 200) lautet also nach Maßgabe des zur Erläuterung dieser Gleichung Gesagten für die Heusinger-Steuerung

Man kann das Exzenter nacheilend statt voreilend aufsetzen, dann läuft die Lokomotive vorwärts, wenn der Kulissenstein oberhalb der Kulissenmitte steht u.s.w.

Wenn der Schieber als Kolbenschieber mit innerer Einströmung ausgeführt ist, wie dies heute für Heißdampflokomotiven die Regel ist, so muß er jeweilig die entgegen gesetzten Bewegungen machen, als ein gewöhnlicher Schieber. Es müssen demnach die beiden Bewegungsanteile, die der Schieber von der S. erhält, umgekehrt werden. Es muß darum erstens Punkt A (Abb. 198) über Punkt G liegen, so daß sich die Anordnung der Taf. I zu Art. Lokomotive ergibt. Zweitens lauten die oben gegebenen Regeln über Vorwärts- und Rückwärtsfahrt umgekehrt: Die Lokomotive fährt, wenn das Exzenter voreilend angeordnet ist, vorwärts, wenn der Stein sich oberhalb des Kulissendrehpunktes befindet u.s.w.

B. Bauregeln für die Heusinger-Steuerung. In den beiden Totpunktstellungen des Kolbens, also Endstellungen des Kreuzkopfes, soll der Schieber um den Weg e + v aus seiner Mittellage abgelenkt sein (Abb. 186). Hieraus folgt zweierlei:

1. Da die eben aufgestellte Bedingung auch in dem Sonderfall erfüllt sein muß, daß die Schieberschubstange auf die Kulissenmitte eingestellt ist, daß Punkt A (Abb. 198) bei der Kurbeldrehung seine Lage nicht ändert, so muß der Voreilhebel GL nach beiden Seiten um den gleichen Winkel ausschlagen. L₁L₂A muß also ein gleichschenkliges Dreieck sein, dessen Grundlinie parallel der Zylinderachse verläuft und in dessen Spitze Punkt A liegt.

2. Da auch bei Verlegung der Schieberschubstange in der Kulisse der Schieber, sofern sich der Kolben in einer seiner Totpunktlagen befindet, seine Stellung ± (e + v) aus der Mittellage abgelenkt beibehalten muß, so muß die Kulisse als Kreisbogenstück mit der Schieberschubstange AE als Halbmesser ausgeführt sein, und sie hat für beide Totpunktstellungen des Kolbens eine solche Lage einzunehmen, die sich mit dem um A mit AE geschlagenen Kreis deckt.

Die eben geforderte gleiche Lage für beide Totpunktstellungen CT₀ und CT₁ der Kurbel, also für die beiden Exzenterstellungen CK₀ und CK₁ hat, wie Abb. 198 zeigt, die Kulisse dann, wenn K₀K₁ ⊥ CD₀ ist. Daraus folgt weiter, daß der Winkel zwischen Kurbel und Exzenter = 90° – α ausgeführt werden muß, wenn man, um c klein zu halten, D₀ aus der Triebwerkmittellinie um einen ∢ α nach oben verschiebt. Eine solche Verschiebung verstärkt[209] übrigens den störenden Einfluß des Federspiels (Abschnitt V). Soll er sich möglichst wenig bemerkbar machen, so muß Punkt D₀ so liegen, daß die Exzenterstange K₀D₀ gleich große Ausschläge nach oben und unten aus der Wagrechten macht.

Die Höhenlage des Drehpunktes Z der Kulisse wählt man meist so, daß AZ parallel der Schieberbewegung, im allgemeinen wagrecht liegt. Dann werden die Störungen durch Schräglage der Stange bei Vorwärts- und Rückwärtsfahrt gleich gering.

Schon hier muß darauf hingewiesen werden, daß der Versuch am Modell oder die genaue zeichnerische Untersuchung die eben besprochenen Bauregeln meist etwas ändern (vgl. Abschnitt IV). Da sich nämlich Punkt A nicht auf einer Geraden bewegt, sondern seine Höhenlage etwas wechselt, da ferner Punkt N in einem Kreisbogen geführt wird, so wird der Stein nicht von einem bestimmten Kulissenpunkt geführt, sondern er »springt« in der Kulisse. Es liegen daher keineswegs die Verhältnisse eines einfachen Kurbeltriebs vor.

Kulisse und Exzenter stehen in Abb. 198 in Mittellage. Dreht sich das Exzenter um 90° vorwärts oder rückwärts, so muß diese Bewegung, wenn vor und hinter dem Kolben die gleiche Dampfverteilung angestrebt werden soll, gleiche Winkelausschläge der Kulisse bewirken. Legt man, wie dies zunächst richtig erscheinen möchte, Punkt D₀, d.i. die Lage des Kulissenendes bei den Totpunktstellungen der Kurbel, nach D'₀, so daß ∢ CD'₀ Z = 90° ist, so ist jene Bedingung nicht erfüllt. Abb. 198 erläutert dies. Wenn man nämlich die Exzenterkurbeln in die Lagen CK₂ und CK₃ bringt und mit K₀D'₀ Kreise um K₂ und K₃ schlägt, so ergeben sich die Kulissenlagen ZD'₂ und ZD'₃ Der Augenschein lehrt, daß D'₂D'₀ > D'₀D'₃ ist. Die Ausschläge sind verschieden groß. Sie werden gleich groß für eine bestimmte, nach der Kurbel zu verschobene Lage jenes Punktes D₀, die am besten durch Versuch gefunden wird. Die Erfüllung der oben begründeten Forderung K₀K₁ ⊥ CD₀ darf hierdurch natürlich nicht beeinträchtigt werden. Der durch die endliche Länge der Exzenterstange veranlaßte Fehler ist für die Hauptlagen der Kulisse, nämlich für die Mittellage und die Endlagen durch die Zurückverlegung des Punktes D₀ beseitigt. Ein weiterer Fehler entsteht aber dadurch, daß die Kulisse keine Gerade ist. Die Kulisse ist vielmehr ein Kreisbogen. Ein Punkt dieses Bogens beschreibt bei gleichen Ausschlägen der Kulisse im allgemeinen nicht gleiche wagrechte Projektionen. Dieser Fehler wird mit zunehmendem Kulissenhalbmesser und mit abnehmender Kulissenlänge geringer. AE ist deshalb möglichst groß zu machen und der Kulissenbogen soll einen Zentriwinkel von nicht mehr als 25° umfassen. Hinsichtlich der Länge der Exzenterstange K₀D₀ braucht man weniger ängstlich zu sein, da sich die von ihr herrührenden Fehler, wie eben gezeigt, wenigstens für die hauptsächlichen Kolbenstellungen ausgleichen lassen. Eingehendere Untersuchungen hierüber macht Professor Baudiss in der Ztschr. dt. Ing. 1908, S. 141.

Das Springen des Steines bedeutet eine weitere Fehlerquelle, weil es ein fortwährendes Schwanken des Füllungsverhältnisses bedeutet, auf das die S. eingestellt ist. Die weiteren schädlichen Folgen des Springens sind in Abschnitt III, 1, B dargelegt. Man soll das Springen für die meistbenutzten Füllungen möglichst gering machen. Man gehe von einer bestimmten Länge des Hängeeisens MN aus (Abb. 198) und bestimme für 3 Füllungen, also 3 Stellungen des Steines E in der Kulisse bei Mittelstellung derselben durch Versuch die günstigste Lage für den oberen Endpunkt M, d.h. die beste Kreisbogenführung für die Schieberschubstange im Punkt N. Es ist das diejenige, die die kleinsten Steinverschiebungen in der Kulisse während einer Kurbelumdrehung ergibt. Bei Lokomotiven mit Tender wähle man 3 benachbarte Füllungen für Vorwärtsfahrt, bei Tenderlokomotiven Füllungen für Vor- und Rückwärtsfahrt. Die 3 Lagen von M bestimmen die Länge des Aufwurfhebels PM als Halbmesser und die Lage der Steuerwelle als Mittelpunkt eines Kreises. Es wird sich häufig eine Lage der Steuerwelle ergeben, die zur Anwendung eines gekrümmten Aufwurfhebels führt, um dem oberen Kulissenende auszuweichen (s. Art. Lokomotive, Bd. VII, S. 164, Abb. 196). Nicht erforderlich ist die Befolgung der früher häufig beobachteten Regel, daß das Hängeeisen bei Mittelstellung der Schieberschubstange senkrecht zu dieser stehen müsse. Bestimmte Regeln an Stelle des eben empfohlenen versuchsweisen Vorgehens lassen sich wegen der verwickelten gegenseitigen Bewegungen von Kulisse und Schieberschubstange AE kaum aufstellen, zumal nicht Punkt A, sondern Punkt G des Voreilhebels gerade geführt ist.

Die »Kuhnsche Schleife« (s. Art. Lokomotive, Bd. VII, Taf. I u. Abb. 215) führt die Schieberschubstange in der Weise, daß sie stets durch einen mit Einstellung der S. auf verschiedene Füllungsgrade seine Lage ändernden Punkt geht. Sie führt die Schieberschubstange unter gleich günstigen Bedingungen für geringes Springen des Steines ober- und unterhalb des Kulissendrehpunktes.[210]

Die Lage der Steuerwelle, wie sie nach den eben mitgeteilten Verfahren festgelegt wird, ist oft wegen der räumlichen Einschränkungen durch Räder, seitliche Wasserkästen der Tenderlokomotiven u.s.w. unausführbar. Man muß mit verschiedenen Lagen des Hängeeisens vor oder hinter der Kulisse oder mit seinem Ersatz durch die Kuhnsche Schleife zum Ziel zu kommen suchen.

Der Lenker JL₁ überträgt wegen seiner wechselnden Neigung die Kreuzkopfbewegung nicht fehlerfrei auf den Voreilhebel G₁L₁. Die stärksten Neigungen von unten nach oben entstehen bei den schrägsten Stellungen des Voreilhebels G₁L₁ und G₂L₂, also bei den Totpunktstellungen des Kreuzkopfes, die stärksten Neigungen von oben nach unten bei der zur Achse des Kurbeltriebs senkrechten Stellung G₀L₀ des Voreilhebels. Beide Stellungen sind als I und IV in Abb. 209 eingetragen. Bei Stellung I, also für die beiden Totpunktstellungen des Kolbens, muß die Schieberstellung genau die beabsichtigte sein. Die Abbildung zeigt, daß dann auch bei den Kolbenstellungen, die zur Lenkerstellung III gehören, die Übertragung fehlerfrei geschieht. In den Stellungen zwischen I und III entstehen positive Fehler, die bei Stellung II gleich der Pfeilhöhe f₁ werden, in den Stellungen zwischen III und IV negative bis zum Betrag – f₂. Die vorkommenden Fehler werden am kleinsten, wenn, absolut genommen, f₁ = f₂ ist. Das wird erreicht, wenn das Stück BJ in Abb. 198 eine solche Länge erhält, daß Punkt J etwas über der mittleren Höhe zwischen höchster und tiefster Lage von L liegt (Abb. 209). Für übliche Lenkerlängen ergibt sich von L₁L₂ aus nach unten gemessen etwa das 0∙4 fache dieser Höhe. Diese Betrachtung lehrt ferner, daß der Lenker möglichst lang sein soll.

Die in der Literatur anzutreffende Forderung, der Lenker solle bei Mittelstellung des Kreuzkopfes wagrecht liegen und in gewisser Weise dazu dienen, eine Übertragung der Unregelmäßigkeiten in der Kreuzkopfbewegung auf die Schieberbewegung zu verhüten, ist irrig, denn alle Abschnitte der Dampfverteilung müssen als Bruchteile des Kolben-, nicht des Kurbelwegs festgelegt werden. Der Schieberweg muß also, soweit er durch den Kreuzkopf erfolgt, ein verkleinertes Abbild seiner Bewegung sein. Es ist gerade ein Hauptvorzug der Heusinger-Steuerung, daß der im Abschnitt II an Hand der Abb. 192 beschriebene störende Einfluß der endlichen Pleuelstangenlänge wenigstens für den Anteil der Schieberbewegung, der vom Kreuzkopf abgeleitet wird, in beschriebener Weise fast vollständig zum Verschwinden gebracht werden kann.

Für die S. muß der Platz in der Längenrichtung der Maschine vollständig ausgenutzt werden, damit die durch die endliche Länge der Stangen verursachten Fehler möglichst klein ausfallen. Die Begrenzung gegen den Zylinder zu ist durch den Voreilhebel gegeben, der in der Stellung G₂L₂ das Zylindergußstück nicht berühren darf.

C. Entwurfsregeln für die Heusinger-Steuerung. Die Höchstfüllung ist wie bei den Kulissensteuerungen mit 2 Exzentern und aus den gleichen Gründen beschränkt (vgl. S. 206). Man wählt sie bei Zwillingslokomotiven zu 75–80%, das lineare Voreilen mit Größe und Geschwindigkeit der Lokomotiven steigend zu 2–5 mm bei einfachem Schieber, zu ³/₄ dieses Wertes bei Kanalschiebern. Man trifft endlich nach Maßgabe des S. 198 Gesagten eine Entscheidung darüber, ob der Kanal bei größter Auslenkung des Schiebers ganz oder etwa nur zu 90% geöffnet sein oder ob er ein wenig überschliffen werden soll. Durch Versuch oder mit Hilfe hier zu übergehender Verfahren findet man ein Diagramm, das ähnlich Abb. 186 die gewünschten Werte, also Füllung, lineares Voreilen und größte Kanalöffnung aufweist. Dieses Diagramm ergibt dann mit e die Größe der äußeren Schieberüberdeckung. Der Schieberweg für Totpunktstellung der Triebkurbel ist e + v. Bei Totpunktstellung der Kurbel ist ω = 0; daher lautet für diesen die oben aufgestellte Gleichung des Schieberwegs e + v = R n/m. Da auch R, der Radius der Triebkurbel, bekannt ist, so ist hiermit n/m berechnet. Die eben benutzte Beziehung kann[211] übrigens in der Form

auch aus der Abb. 198 abgelesen werden. Man wählt nun für n eine eben noch bequem ausführbare Größe. Somit liegt auch m fest. Es ist nachzuprüfen, ob mit diesen Größen Punkt L weder zu hoch gerät, so daß der Anschluß an den Kreuzkopf unmöglich, noch zu tief, so daß er aus der Umgrenzungslinie für Betriebsmittel herausfallen würde.

Aus dem Diagramm (Abb. 186) kann auch der Schieberweg ξ₉₀ für ω = 90° abgelesen werden. Die Gleichung des Schieberwegs für ω = 90° lautet mit diesem Wert

Hierin ist n/m aus der vorangegangenen Berechnung bekannt, u ist das Maß, das die Kulissenlänge bedingt, denn da höchste Füllung angenommen ist, so bedeutet u im vorliegenden Fall die größte Auslenkung des Kulissensteins aus der Mittellage, u ist also abhängig von der Kulissenlänge, die man ausführen will, und somit ebenfalls bekannt. Die Größe c ist bekannt, sobald man sich nach Maßgabe des früher Gesagten für die Lage von D₀ entschieden hat. Somit ist r berechenbar. Ergeben sich unbequeme Werte, so ist die Rechnung mit etwas geänderten Werten von u und c zu wiederholen.

Die eben besprochene Benutzung von ξ₉₀ kann keine ganz genauen Werte ergeben, weil die endlichen Stangenlängen, das Springen des Steines u.s.w., Fehlerquellen bilden.

Es ist eine Prüfung des Entwurfs daraufhin erforderlich, ob bei der meistbenutzten Füllung – bei Zwillingslokomotiven 20% – die größte Kanalöffnung genügt, d.h. ob sich im Augenblick der größten Kanalöffnung bei Höchstgeschwindigkeit der Lokomotive nicht zu hohe Dampfgeschwindigkeiten ergeben. Man versuche daher das Diagramm zu zeichnen, das mit gegebener Voreinströmung und Überdeckung 20% Füllung ergibt u.s.w.

3. Die Kulissensteuerungen ohne Exzenter. Der Fortfall aller Exzenter bedeutet eine Platzersparnis. Eine gewisse, wenn auch nicht große Verbreitung hat die Joy-Steuerung besonders in England gefunden (Abb. 199). Über die Bewegungsverhältnisse gibt Abb. 210 Auskunft. Die Kulisse bleibt beim Antrieb der S. in Ruhe. Der Stein gleitet in ihrem Schlitz. Zur Änderung des Füllungsgrades und zur Umsteuerung wird die Kulisse gedreht. Das lineare Voreilen ist unveränderlich. Ein Nachteil der S. ist die in der Pleuelstange wachgerufene Biegungsbeanspruchung. Auch ist eine starke Steinabnutzung zu erwarten.

IV. Nachprüfung der S. am Modell und Regulierung.

Bei der Betrachtung der Wirkungsweise der S. mußten mehrfach vereinfachende Annahmen gemacht werden. Mittels der oben gegebenen Bau- und Entwurfsregeln können gewisse Fehler wohl vermieden, andere aber nur gemildert werden. Um die wahren Schieberwege zu ermitteln, ist deshalb die Prüfung an einem Modell erforderlich. Diese Nachprüfung wird häufig zu kleinen Abweichungen von den zunächst nach den Regeln des Abschnitts III gewählten Abmessungen führen. Man wird z.B. finden, daß eine etwas andere Lage des Punktes D₀ die Dampfverteilung für die meistbenutzte Füllung verbessert u.s.w. Ferner benötigt man an der fertigen S. einer Vorrichtung zur Beseitigung von Fehlern in der Dampfverteilung. Sie wird bei der Heusinger-Steuerung meist, wie Abb. 198 zeigt, an der Gradführung der Schieberstange angebracht und ermöglicht mittels zweier Schraubenmuttern die Verschiebung der Schieberstange, also auch des Schiebers gegen den Punkt G. Man regelt mit dieser Vorrichtung in erster Linie auf gleiches lineares Voreilen vor und hinter dem Kolben.

V. Der Einfluß des Federspiels auf die S.

kommt dadurch zu stände, daß die Achswelle einschließlich des oder der Exzenter lotrechte Verschiebungen gegen den Rahmen, also auch gegen die anderen Steuerungsteile erleidet. Eine[212] Aufwärtsbewegung der Achse mit dem Exzenter hat eine gewisse wagrechte Verschiebung des andern Endes der Exzenterstange zur Folge, die um so größer und um so störender ist, je stärker das Exzenter gegen die Wagrechte geneigt ist. Dieser Hinweis genügt zur Beurteilung der Empfindlichkeit der einzelnen S. gegen das Federspiel. Bei der Stephenson-Steuerung der Abb. 195 z.B. liegt in der gezeichneten Stellung, d.h. bei ganz gesenkter Kulisse die obere Exzenterstange nahezu wagrecht. Der Endpunkt Z erleidet unter dem Einfluß des Federspiels nur sehr geringe Verschiebungen. Da nun bei ganz gesenkter Kulisse dieses Exzenter allein die Schieberbewegung hervorruft, so erleidet die Schieberbewegung bei dieser Kulissenstellung nur geringfügige Störungen durch das Federspiel. Ebenso, wenn die Kulisse ganz gehoben ist. Befindet sich die Kulisse in der Mittellage, so sind beide Exzenterstangen schräg gerichtet. Die Enden beider erleiden gewisse, gleich große, aber entgegengesetzte Verschiebungen. Beide Exzenter beeinflussen die Schieberbewegung bei dieser Kulissenstellung im gleichen Maße. Jene störenden Verschiebungen heben sich also in ihrer Wirkung auf den Schieber nahezu auf. Die Stephensonsche S. ist, wenn die Achse des Steuerungsgetriebes, wie in der betrachteten Abbildung, wagrecht liegt, wenig empfindlich gegen das Federspiel. Schlechter ist es, wenn, wie in Abb. 190, die Achse des Steuerungsantriebs schräg liegt. Ungünstiger fällt auch das Ergebnis einer solchen Untersuchung für die Gooch-Steuerung, selbst eine solche mit wagrechter Achse (Abb. 206) und am ungünstigsten für Gooch-Steuerung mit schräger Achse (Abb. 196) aus. Die Allan-Trick-Steuerung (Abb. 197) steht zwischen beiden. Wenn bei der Heusinger-Walschaert-Steuerung der Angriffspunkt D der Exzenterstange an der Kulisse so tief gelegt wird, daß die Exzenterstange gleich große Ausschläge nach unten und oben aus der Wagrechten macht, so ist sie für alle Füllungsgrade ziemlich unempfindlich gegen das Federspiel. Es ist das mit eine der Ursachen, die zu ihrer heutigen großen Verbreitung beigetragen hat.

Die Einwirkung des Federspiels ist auch von der Lage der S. innerhalb oder außerhalb des Rahmens abhängig. Im allgemeinen wird nicht die Welle als Ganzes, sondern nur eine Seite federnd angehoben oder gesenkt werden, wenn ein Rad eine Unebenheit überfährt. Diese Hebung oder Senkung überträgt sich mit verkleinernder Hebelübersetzung auf eine innen liegende S., zumal auf eine solche, die nach altem englischen Muster mit zwischen den Innenzylindern liegenden Schieberkästen der Lokomotivmitte nahe liegt. Vergrößernd wirkt die Hebelübersetzung auf Außensteuerungen.

Nach dem Gesagten werden die schlechten Erfahrungen verständlich, die man seinerzeit an außen liegenden Allan-Trick-Steuerungen mit Schrägantrieb gemacht hat, denn hier wirkten verschiedene Einflüsse im gleichen ungünstigen Sinn. Anderseits kann man die Heusinger-Steuerung unbesorgt guter Zugänglichkeit zuliebe nach außen legen, weil sie an und für sich gegen das Federspiel unempfindlich ist.

VI. Gegenüberstellung der besprochenen S.

Bei der Abwägung der Vor- und Nachteile der einzelnen S. gegeneinander darf man der Veränderlichkeit oder Nichtveränderlichkeit des Voreilens keine wesentliche Rolle zuerkennen. Noch heute sind die Meinungen, ob erstere oder letztere vorzuziehen sei, geteilt. Die Stephensonsche S. ist einfach und, wie oben gezeigt, bei wagrechter Anordnung der Steuerungsmittellinie gegen das Federspiel wenig empfindlich. Die aus der endlichen Stangenlänge sich ergebenden Fehlerglieder können klein gehalten werden, weil die Kulisse nahe an den Schieberkasten herangelegt, die Stangenlänge demnach groß gewählt werden kann. Man sah es früher als einen Mangel der S. an, daß der Kessel bei Innenlage dieser S. hoch gelegt werden mußte, um Platz für die Hebung der Kulisse zu schaffen. Heute gilt dieser Mangel nicht mehr als solcher, weil man die Scheu vor hoher Kessellage als unberechtigt erkannt hat. Auch die Notwendigkeit eines schweren Gegengewichts Q (Abb. 195) kann nicht gegen die Stephensonsche S. angeführt werden, denn es läßt sich durch eine Feder ersetzen. Ein Mangel der Stephensonschen S. ist, daß sie sich – wenigstens bei Außenlage der Zylinder – nicht so gut wie die Heusinger-Steuerung außen unterbringen läßt; denn diese Bauart führt zu schräger Anordnung der Steuerungsmittellinie (Abb. 190), somit zu größerer Empfindlichkeit gegenüber dem Federspiel oder zur Notwendigkeit, einen Doppelhebel nach Abb. 191 einzuschalten. Durch einen solchen Doppelhebel geht aber die Einfachheit verloren und die Exzenterstangen fallen kürzer aus. Die Vereinigung innen liegender Zylinder mit innen liegender Stephenson-Steuerung ist bei den heutigen Abmessungen der Lokomotiven kaum noch möglich, weil sich der Platz für 4 Exzenter neben den gekröpften Kurbeln auf der Welle nicht erübrigen läßt. Die einzige Zusammenstellung, für die[213] heute die Stephenson-Steuerung noch allenfalls Berechtigung hat, ist die innen liegender Zylinder und außen liegender S. mit wagrechter, durch die Mitte der Triebachse gehender Steuerungsachse. Diese Anordnung ist an und für sich selten, und so wird das Verwendungsgebiet der Stephenson-Steuerung mehr und mehr eingeschränkt. Selbst englische und amerikanische Bahnen, die sie noch vor wenigen Jahren fast ausschließlich verwendeten, gehen mehr und mehr zur Heusinger-Steuerung über.

Die Gooch-Steuerung entstand aus dem Bestreben, die eingangs angeführten, teilweise nur in der Einbildung bestehenden Nachteile der Stephenson-Steuerung zu beheben. Es lassen sich nicht so lange Exzenterstangen, wie bei der Stephenson-Steuerung anwenden, weil die Forderung möglichst großer Länge auch für die Schieberschubstange erhoben werden muß. Die S. ist empfindlicher gegen das Federspiel als die Stephensonsche und vielteiliger. Das Voreilen ist unveränderlich. Diese Eigenschaft ist in den Augen mancher Lokomotivbauer kein besonderer Vorzug oder, wenn man ihn als solchen gelten läßt, so ist er auch durch die Heusinger-Steuerung neben anderen gewichtigen Vorteilen zu erreichen. Die Gooch-Steuerung hat also heute keine Daseinsberechtigung mehr.

Die Allan-Trick-Steuerung ist aus dem Bestreben entstanden, die gekrümmte Kulisse wegen ihrer schwierigen Herstellung und Unterhaltung durch eine gerade zu ersetzen. Für große Bauanstalten und Werkstätten trifft dieser Grund heute nicht mehr zu. Die S. steht im übrigen mit ihren Eigenschaften zwischen der Stephenson-, und Gooch-Steuerung. Für ihre Anwendung können heute in keinem Fall zwingende Gründe sprechen.

Die Heusinger-Steuerung ist unempfindlich gegen das Federspiel. Man ordnet sie deshalb fast ausnahmslos außen an und erzielt so eine bequeme Zugänglichkeit aller ihrer Teile. Die Anordnung ihrer Einzelteile führt zwanglos auf eine zur Zylinderachse parallele Lage des Schieberspiegels, auf einfache, gleichzeitig an der rechten und linken Lokomotivseite verwendbare Formen des Zylindergußstücks. Der Einfluß der endlichen Pleuelstangenlänge auf die Genauigkeit der Dampfverteilung ist für den vom Kreuzkopf abgeleiteten Bewegungsanteil des Schiebers fast völlig beseitigt (Abschnitt III, 2, B). Ein Vorteil gegenüber den vorgenannten S. ist ferner die feste Lage des Kulissendrehpunktes. Die S. bekommt hierdurch mehr Halt in der Richtung quer zu ihrer Ebene.

Bei der Joy-Steuerung bedeutet das Fehlen jeden Exzenters wohl einen Vorteil, der aber durch die unter III, 3 aufgeführten Nachteile mehr als aufgewogen werden dürfte.

VII. Die Anordnung der Kulissensteuerungen für Mehrzylinderlokomotiven mit einfacher Dampfdehnung.

Die Bauart ist durch Einführung des Heißdampfes zu einer gewissen Bedeutung gelangt. Der Bedeutung der Heusinger-Steuerung entsprechend, soll diese in erster Linie als S. für Mehrzylinderlokomotiven und ebenso im Abschnitt VIII als S. für Verbundlokomotiven berücksichtigt werden.

1. Dreizylinderlokomotiven. Es können 3 getrennte gleichartige S., 2 außen und eine innen liegende, ausgeführt werden. Wenn, wie dies meist geschieht, 3 unter 120° versetzte Kurbeln angewendet werden, so bietet sich die Möglichkeit, einen Schieber, am besten den des Innenzylinders, durch die beiden anderen Steuerungsantriebe mitbewegen zu lassen. Abb. 211 läßt nämlich erkennen, daß 2 Exzenter r₁ und r₂ sich zu einem resultierenden Exzenter r₃' zusammensetzen lassen, das dem dritten Exzenter r₃ gleich, aber entgegengesetzt gerichtet ist. Man hat also den Mittelschieber durch die beiden äußeren Steuerungsantriebe mit gleichem Teilbetrag anzutreiben und für Umkehr der Bewegung zu sorgen. Abb. 212 [214] erläutert, wie dies geschehen kann. G_r und G_l sind die dem Punkt G in Abb. 198 entsprechenden, von Heusinger-Steuerungen angetriebenen Enden der Schieberstangen am rechten und linken Außentriebwerk. Durch die wagrechten, um M_r und M_l drehbaren Hebel wird ihre Bewegung in doppelter Größe auf g_r und g_l übertragen. Deren Bewegung gelangt wieder in halber Größe nach G_m, so daß die Schieberstange des mittleren Triebwerks, wie es nach Abb. 211 sein muß, die Bewegungsanteile von G_r und G_l der Größe nach unverändert, aber in entgegengesetzter Richtung erhält. Diese Anordnung der S. hat bei neuen Dreizylinder-Heißdampflokomotiven der preußischen Staatsbahn Verwendung gefunden.

2. Vierzylinderlokomotiven. Die Zylinder liegen unter der Rauchkammer nebeneinander. Die Außen- und Innenkurbel einer Maschinenseite werden unter 180° gegeneinander versetzt. Selten wird nur je ein Schieber für den Außen- und Innenzylinder einer Maschinenseite angebracht (s. Art. Dampfzylinder, Abb. 232). Die Dampfverteilung läßt sich, wie aus folgendem zu ersehen ist, den Bedürfnissen beider Zylinder besser anpassen, wenn man getrennte Schieber ausführt. Einer möge mit Innen-, einer mit Außeneinströmung arbeiten. Dann sind ihre Bewegungsrichtungen bei 180° Kurbel Versetzung in jedem Augenblick gleichgerichtet. Jede Maschinenseite erhält nur eine außen liegende S. In Abb. 213 bedeuten G_a₁ G_a₂ G_a₃ die verschiedenen Lagen des in Abb. 198 mit G bezeichneten Punktes der Außensteuerung. Dieser Punkt macht also die gleichen Bewegungen wie der Außenschieber. Er ist an Punkt S_a₁ des Hebels S_a₁OS_i₁ angeschlossen. S_i₁ ist an G_i₁, d.i. die Schieberstange des Innenschiebers angelenkt. Diese Anordnung ist der eines gemeinschaftlichen Schiebers vorzuziehen, weil die Bewegung der beiden Schieber keine genau gleichlaufende sein darf, und diese Forderung bei Ausbildung der Hebelübersetzung durch Versetzung der Hebel um den Winkel S_a₁OS_i₁ berücksichtigt werden kann. Auf S. 211 ist nachgewiesen, daß ein Hauptvorzug der Heusinger-Steuerung die nahezu vollständige Beseitigung des Einflusses der endlichen Pleuelstangenlänge wenigstens auf denjenigen Anteil der Schieberbewegung ist, der vom Kreuzkopf abgenommen wird. Dieser Bewegungsanteil rührt vom Ersatzexzenter CE' (Abb. 208) her. Man stelle sich für die folgende Betrachtung daher zunächst die S. in Mittelstellung, den Stein also in der Kulissenmitte vor, so daß nur das der Kurbel gegenüberliegende Ersatzexzenter CE' zur Geltung kommt. Jener Vorzug nun würde für den durch Hebelübersetzung genau gleichlaufend mitangetriebenen Innenschieber verloren gehen. Die Abb. 214 läßt nämlich erkennen, daß bei der Kurbelstellung CK_a der Kolben des Außenzylinders in der Mitte seines Hubes steht, während der Kolben des Innenzylinders schon um CP über die Mitte vorgeschritten ist. Für die Schieber gilt also hinsichtlich des in Rede stehenden Bewegungsanteils die Regel, daß sie zwar gleichzeitig ihre Endlagen einnehmen müssen, denn Außen- und Innenkolben stehen ja[215] gleichzeitig in den Endlagen, daß aber der Innenschieber früher seine Mittelstellung erreichen muß. Dies Ziel kann nun durch die erwähnte Versetzung der Außen- und Innenhebel OS_a und OS_i gegeneinander erreicht werden. Während nämlich S_a, G_a, S_i die gleichen Wege

zurücklegen, erhält der Innenschieber erst den größeren Bewegungsanteil G_i₁G_i₂, dann den kleineren G_i₂G_i₃. Steht die S. nicht in Mittelstellung, so dürften freilich auch die Endstellungen der Schieber nicht genau gleichzeitig erfolgen. Der Augenblick des größten Schieberausschlags tritt aber bei den meistbenutzten Füllungen ein, wenn die Kolben noch nicht weit vom Totpunkt entfernt sind, der Einfluß der endlichen Pleuelstangenlänge noch klein ist.

Haben beide Schieber Innen- oder beide Außeneinströmung, so müssen Innen- und Außenhebel OS_i₁ und OS_a₁ einander gegenüber liegen. Sie dürfen aber aus bereits vorgebrachten Gründen nicht einen Winkel von 180°, sondern nur einen kleineren miteinander bilden (s. Art. Lokomotive, Bd. VII, Taf. IV, Abb. 4).

VIII. Die Anordnung der Kulissensteuerungen für Verbundlokomotiven.

Das Diagramm einer Verbundmaschine ist im Art. Dampfarbeit, Bd. III, S. 223, Abb. 156 bis 158 mit den erforderlichen Erläuterungen dargestellt. Die leitenden Gesichtspunkte für den Entwurf der S. sind die folgenden:

a) Während des Kompressionsabschnitts wird vom Kolben des oder der Hochdruckzylinder Dampf von Verbinderspannung zusammengepreßt. Die Anfangsspannung des zusammenzupressenden Dampfes beträgt schon einige kg/cm². Das würde zu unzulässig hohen, die Dampfspannung im Schieberkasten überschreitenden Endspannungen führen. Aus diesem Grund muß der Hochdruckschieber eine negative innere Überdeckung von 8–10 mm haben. Wenn sich der Schieber, wie in Abb. 184 gezeichnet, in Mittelstellung befindet, so muß er die Kanäle nicht, wie dort gezeichnet, mit einer Breite i überdecken, sondern sie beiderseits um den eben angegebenen Betrag öffnen. Der Verlust an Arbeitsfläche, der als Folge dieser Maßnahme durch den frühen Beginn der Vorausströmung entsteht, ist unerheblich. Eine weitergehende Behebung jener Schwierigkeit sucht man durch Kammerschieber zu erreichen (Abschnitt II, Abb. 189).

b) Da der Niederdruckzylinder größere Abmessungen hat, so werden auch die Schieberwege, gleiche Füllung vorausgesetzt, im allgemeinen größere sein als bei dem Hochdruckzylinder. Das bedingt für die Niederdrucksteuerung andere Abmessungen und einen gesonderten Entwurf. Hierbei ist aber Rücksicht darauf zu nehmen, daß Umsteuerung und Einstellung der Füllungen meist durch eine gemeinsame Umsteuerungsvorrichtung erfolgen sollen.

Das in Abb. 158 (Bd. III, S. 223) für die bei Lokomotiven häufig benutzte Spannung von 12 Atm. gezeichnete Verbunddiagramm gewährleistet eine gute Dampfausnutzung. Es ist nämlich der Niederdruckzylinder so groß gewählt, daß der Dampf ungefähr bis auf den Gegendruck abgespannt wird. Ferner liegt die Verbinderspannung, d.h. die Einströmspannung für den Niederdruckzylinder, bei etwa 5 Atm. Die zugehörige Temperatur von 151° liegt ungefähr in der Mitte zwischen der Temperatur des Frischdampfes von 184° bei 11∙2 Atm. und der Temperatur des Abdampfes von 111° bei 1∙5 Atm. Das Wärmegefälle ist also in beiden Zylindern etwa das gleiche, so daß sich die eigenartigen Vorzüge der Verbundlokomotive in größtmöglichem Umfang einstellen werden. Auch sind die Flächen H' und N' ziemlich gleich; Hoch- und Niederdruckzylinder leisten etwa die gleiche Arbeit und eine Überbeanspruchung des einen oder des andern Gestänges ist nicht zu befürchten; ebensowenig unruhiger Gang infolge verschieden großer Arbeitsleistung auf beiden Maschinenseiten. Dieses günstige Ergebnis ist, wie die Abbildung lehrt, durch ein Zylinderraumverhältnis von 1 : 3 und ungefähr gleiche Füllungen in beiden Zylindern erreicht worden. Auch zeigt die Abbildung, daß zu diesem Zylinderraumverhältnis ungefähr gleiche Füllungen in beiden Zylindern gehören. Nun ist ein solches Zylinderraumverhältnis von 1 : 3 aber bei Lokomotiven, wenigstens bei Zweizylinderverbundlokomotiven im allgemeinen nicht erreichbar, weil es zu große Niederdruckzylinder erfordert. Bei den großen neuzeitlichen Vierzylinderlokomotiven liegt die Sache, falls die Niederdruckzylinder innen zwischen den Rahmen Platz finden sollen, nicht viel besser. Man ist also meist zu einer Verkleinerung des Zylinderraumverhältnisses auf 1 : 2∙2 bis 1 : 2∙5 gezwungen. Denkt man sich (in Bd. III, Abb. 158) den großen Zylinder und auch das Diagramm etwa um die letzten 3 Teilflächen am rechten Ende des Diagramms verkleinert, so folgt daraus erstens eine Verkleinerung der Arbeitsfläche und ein Steigen der Endspannung um einen nicht sehr erheblichen Betrag, zweitens aber eine wesentliche Zunahme des Füllungsverhältnisses im Niederdruckzylinder. Eine gewisse Vergrößerung der Niederdruckfüllung noch über das[216] Maß hinaus, das in eben besprochener Weise ermittelt wurde, hat sich als vorteilhaft erwiesen, weil infolgedessen die Verbinderspannung und mit ihr die Kompressionsarbeit des Hochdruckkolbens abnimmt und weil ferner der so entstehende Spannungsabfall zwischen Hochdruckzylinder und Verbinder eine Nachverdampfung niedergeschlagenen Wassers in diesem zur Folge hat. Diese Beweisführung trifft zunächst nur eine gewisse wirtschaftliche Füllung im Hochdruckzylinder von etwa 40%. Würde nur die Forderung maßgebend sein, daß bei Übergang des Dampfes aus dem Hoch- in den Niederdruckzylinder kein Spannungsabfall eintreten solle, so würde zu jeder Vergrößerung der Hochdruckfüllung nur eine sehr mäßige Vergrößerung der Niederdruckfüllung gehören. Die Folge wäre aber rasche Zunahme des Druckes im Verbinder und somit der Kräfte im Niederdrucktriebwerk und des vom Niederdruckzylinder geleisteten Arbeitsanteils sowie des Temperaturgefälles im Niederdruckzylinder. Das letztere würde aber bedeuten, daß die von einer Verbundmaschine erwarteten Vorteile verschwinden würden. Endlich würde infolge der hohen Verbinderspannung im Hochdruckzylinder eine ganz unzulässig hohe Kompressionsarbeit zu großen Arbeitsverlusten führen. Aus allen diesen Gründen muß man zu größeren Hochdruckfüllungen trotz gewisser Verluste durch Spannungsabfall im Verbinder vergrößerte Niederdruckfüllungen zuordnen. Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß im allgemeinen bei Verbundlokomotiven die Füllung im Niederdruckzylinder größer als im Hochdruckzylinder und der Füllungsunterschied um so größer sein muß, je mehr das Zylinderraumverhältnis, 12 Atm. Kesselspannung vorausgesetzt, von dem Wert 1 : 3 abweicht.

1. Die Verbundlokomotiven mit 2 Zylindern. Wie bereits früher erwähnt, ergibt sich die Notwendigkeit eines besonderen Entwurfs für die Niederdrucksteuerung mit größeren Schieberwegen und größerer Höchstfüllung. Man geht etwa bis zu 83%. Man wird im allgemeinen ein größeres Teilungsverhältnis n/m für den Voreilhebel GL (Abb. 198) und eine längere Kulisse, also größere Höchstwerte für u erhalten. Den Exzenterhalbmesser behält man meist bei und wählt statt dessen c kleiner. Hierdurch wird der Kulissenausschlag größer und somit die gleiche Wirkung erzielt, als ob das Exzenter vergrößert wäre. Der Stein in der Kulisse der Niederdruckseite soll von der Mitte aus gerechnet beim Verlegen der S. größere Wege machen als der Stein in der Kulisse der Hochdruckseite, weil erstere Kulisse länger ist und weil beide Steine gleichzeitig in den Endlagen ankommen sollen oder weil, was das gleiche ist, zu jeder Hochdruckfüllung eine größere Niederdruckfüllung gehören soll. Man erreicht das Ziel, indem man den Aufwurfhebel PM (Abb. 198) auf der Niederdruckseite länger ausführt. Bei Verwendung der Kuhnschen Schleife (s. Art. Lokomotive, Taf. I u. Abb. 115) verfährt man in gleicher Weise.

Das zuletzt angegebene Mittel genügt häufig noch nicht, um die Füllungsunterschiede auf Hoch- und Niederdruckseite groß genug zu machen. Um sie für Vorwärtsfahrt zu vergrößern, hat man Vorsorge zu treffen, daß bei Mittelstellung des Steines in der Hochdruckkulisse der Stein in der Niederdruckkulisse bereits um einen gewissen Betrag im Sinne der Vorwärtsfahrt verschoben ist. Man erreicht dies durch Kürzung des Hängeeisens MN oder durch Versetzung der Aufwurfhebel PM auf beiden Maschinenseiten oder durch gleichzeitige Anwendung beider Maßnahmen. Bei Benutzung der Kuhnschen Schleife sind lediglich die Aufwurfhebel auf beiden Seiten gegeneinander zu versetzen. Man kann auf diese Weise für Vorwärtsfahrt jede gewünschte Vergrößerung der Niederdruck- gegenüber den Hochdruckfüllungen erreichen. Für die Rückwärtsfahrt kehren sich die Verhältnisse aber um; der Stein auf der Hochdruckseite verläßt die Kulissenmitte, sobald man die S. im Sinne der Rückwärtsfahrt aus der Mitte verlegt. Der Stein auf der Niederdruckseite hingegen, der ja bei Mittelstellung der S. um eine gewisse Weglänge aus der Kulissenmitte im Sinne der Vorwärtsfahrt verschoben ist, muß erst diese Weglänge zurücklegen, um in die Mitte zu gelangen, und erst bei weiterer Verlegung der S. verschiebt er sich im Sinne der Rückwärtsfahrt. Daraus folgt zweierlei: 1. Nahe der Mittellage der S. gibt es Stellungen, bei denen die Hochdrucksteuerung auf Rückwärtsgang, die Niederdrucksteuerung noch auf Vorwärtsgang steht. Diese Stellungen liegen freilich der Mitte so nahe, daß sie ohnedies nicht in Frage kommen. 2. Bis zu einer gewissen Füllungsgrenze sind bei Rückwärtsfahrt die Füllungen im Hochdruckzylinder größer; erst bei weiterer Umstellung überwiegt der Einfluß des auf der Niederdruckseite längeren Aufwurfhebels oder der genannten ähnlichen Maßnahmen: Der Stein der Niederdruckseite überholt nun gewissermaßen den auf der Hochdruckseite, so daß die Niederdruckfüllungen jenseits einer gewissen Füllungsgrenze wieder größer werden, freilich nie in dem Maß wie auf der Hochdruckseite.

Infolge dieser Umstände können bei Lokomotiven mit versetzten Aufwurfhebeln, verschieden langen Hängeeisen od. dgl., die niedrigen[217] Füllungsgrade bis etwa zu 60% im Hochdruckzylinder für Rückwärtsfahrt nicht benutzt werden. Ein entsprechender Vermerk wird meist auf der Füllungsteilung am Steuerungsbock eingetragen.

2. Die Verbundlokomotiven mit 3 Zylindern. Die 3 Dampfzylinder erhalten wie bei Zweizylinderverbundlokomotiven je eine S. für sich. Die beiden Außenzylinder arbeiten als Niederdrucktriebwerk. Die Umsteuerung und Einstellung des Füllungsgrades erfolgt von einer gemeinschaftlichen Steuerwelle aus. Gegenüber den Zweizylinderlokomotiven besteht also kein grundsätzlicher Unterschied. Die dort gegebenen Regeln sind sinngemäß auch hier anzuwenden. Bei Besprechung der S. für Dreizylinderlokomotiven mit einfacher Dampfdehnung (Abschnitt VII) ist eine neue Bauart erwähnt (Abb. 212), die es gestattet, mit 2 Steuerungsantrieben für 3 Zylinder auszukommen. Es wird möglich sein, diese Bauweise der Dreizylinder-Verbundlokomotive anzupassen. Ausführungen liegen bis heute nicht vor.

3. Die Verbundlokomotiven mit 4 Zylindern. A. Mit je einer besonderen Steuerwelle für das Hoch- und Niederdrucktriebwerk. Zu diesen gehören in erster Linie die Mallet-Rimrott-Lokomotiven mit Triebdrehgestell (s. Art. Lokomotive, Bd. VII, Taf. II, Abb. 9), in gewissem Sinne aber auch andere Vierzylinderlokomotiven, deren Zylinder nicht in einer Querebene der Lokomotive liegen und auf verschiedene Achsen arbeiten (ebenda, Abb. 10 u. 11). Hoch- und Niederdrucktriebwerk solcher Lokomotiven erhalten vollkommen getrennte S. Die Steuerwellen für die Hoch- und Niederdrucksteuerungen werden miteinander gekuppelt. Die sinngemäße Änderung der Entwurfsregeln gegenüber den Zweizylinder-Verbundlokomotiven ergibt sich leicht: Die S. werden getrennt entworfen, die Kupplung der Steuerwellen, Bemessung und Aufteilung der Aufwurfhebel u.s.w. erfolgt so, daß bestimmte Füllungsverhältnisse der Hoch- und Niederdruckzylinder erreicht werden.

Da bei den in Rede stehenden Bauarten für Hoch- und Niederdrucktriebwerk getrennte Steuerwellen ausgeführt werden müssen, so liegt der Gedanke nahe, noch einen Schritt weiter zu gehen und auch die Vorrichtungen zum Umsteuern und zur Einstellung der Füllungen auf dem Führerstand getrennt auszuführen. Man erzielt auf diese Weise den Vorteil, zu jeder Hochdruckfüllung die passende Niederdruckfüllung einstellen zu können. Die Führer sind dann in der Lage, auch für verschiedene Belastungen und Geschwindigkeiten die am besten zusammenpassenden Füllungsverhältnisse durch Versuch festzustellen und zu benutzen. Diese Bauweise ist in Frankreich beliebt. Es ist nur eine Kurbel- und Riegelscheibe vorhanden, wie in Abb. 201, aber 2 Steuerungsschrauben. Auf der hinteren Hälfte der einen ist das Gewinde fortgelassen. Über den verbleibenden zylindrischen Kern ist eine zweite hohle Steuerungsschraube geschoben. Die Handkurbel kann durch eine Klinke mit dieser oder jener gekuppelt werden. In Deutschland und den meisten anderen Ländern scheut man die verwickelte Bauart dieser Anordnung. Auch fürchtet man, daß nicht jeder Führer die zweckmäßigsten Füllungsverhältnisse herausfinden wird, und zieht infolgedessen die weiterhin beschriebenen einfachen Bauarten vor.

B. Vierzylinder-Verbundlokomotiven mit gemeinsamer Steuerwelle für das Hoch- und Niederdrucktriebwerk. Zu diesen gehören in erster Linie alle Vierzylinderlokomotiven, deren Zylinder in einer Querebene der Lokomotive liegen. Man sucht dann mindestens einige Steuerungsteile für beide Steuerungen gemeinschaftlich zu benutzen. Bei der üblichen Bauart vierzylindriger Lokomotiven sind die Triebwerke einer Seite um 180° gegeneinander versetzt. Das würde auch eine gegenläufige Schieberbewegung bedingen. Will man z.B. ein Exzenter zur Betätigung beider S. benutzen, so müßte seine Bewegung auf eine S. mit Umkehr der Bewegungsrichtung übertragen werden. Man vermeidet dies meist, indem man einen Schieber mit innerer, den andern mit äußerer Einströmung ausführt.

Abb. 215 zeigt einen Steuerungsantrieb, bei dem zwar jedes Triebwerk mit einem vom Kreuzkopf angetriebenen Voreilhebel versehen ist, hingegen ist nur ein Exzenter und nur eine Kulisse mit Schieberschubstange, u.zw. für die außen liegende Hochdrucksteuerung vorhanden. Die Schieberschubstange ist in A_a an den Voreilhebel angelenkt, also oberhalb des Punktes G_a, an dem die Schieberstange angreift, weil der Schieber innere Einströmung hat (vgl. Abschnitt III, 2, A). Die Bewegung des Punktes A_a wird durch ein Hebelpaar auf Punkt A_i der innen liegenden Niederdrucksteuerung übertragen, der unterhalb G_i liegen muß, weil der Niederdruckschieber Außeneinströmung hat. Die Hebellängen QA_a und QA_i können verschieden gewählt werden Dies wirkt ebenso, als ob Innen- und Außensteuerung mit Exzentern von verschieden großer Exzentrizität angetrieben würden. Man wählt ferner die Teilung n/m für die beiden Voreilhebel verschieden groß und kann endlich den Schiebern verschiedene Abmessungen geben.[218] Man kann jede S. ihrem Zweck gut anpassen. Nur begibt man sich bei dieser Anordnung der Möglichkeiten, die sich bei Besprechung der Zweizylinderlokomotiven durch Versetzung der Aufwurfhebel u.s.w. in Gestalt einer weiteren Vergrößerung der Niederdruckfüllung geboten haben. Man hat es aber verstanden, durch geschickte Benutzung der übrigen Mittel im Niederdruckzylinder etwa 20% größere Füllung als im Hochdruckzylinder herbeizuführen.

Neuerdings geht man sogar noch einen Schritt weiter und führt nur einen Steuerungsantrieb für die beiden Zylinder einer Seite aus. Liegen diese als Außen- und Innenzylinder nebeneinander, so werden Hoch- und Niederdruckschieber entweder in einem Stück vereinigt (s. Art. Dampfzylinder, Bd. III, Abb. 232) oder man überträgt die Bewegung von der außen liegenden S. durch einen Hebel auf den innen liegenden Schieber, während der außen liegende unmittelbar angetrieben wird. Letztgenannte Anordnung ist vorzuziehen, weil sie bei Ausbildung nach Abb. 213 gestattet, den Einfluß der endlichen Triebstangenlänge auch für die mittelbar angetriebene S. des um 180° versetzten Triebwerks zum größten Teil zu beseitigen (vgl. Abschnitt VII, 2). Liegen die Zylinder hintereinander, so sind beide Schieber auf einer gemeinschaftlichen Schieberstange befestigt. Liegen die Zylinder endlich nach der Anordnung Vauclain übereinander, so sind Hoch- und Niederdruckschieber in einem Stück vereinigt. Bei allen diesen Anordnungen kann man verschiedene Füllungen nur durch Verschiedenheit der Schieberabmessungen erzielen. Die Betrachtung der Abb. 186 lehrt, daß durch Verkleinerung der äußeren Überdeckung die Füllung vergrößert wird. Das lineare Voreilen wird aber um jene Verkleinerung der Überdeckung größer. Es darf sich demnach nur um 2–4 mm handeln. Man erreicht dann für 40% Füllung im Hochdruckzylinder nur etwa 46% im Niederdruckzylinder. Man sollte bei Benutzung dieses Verfahrens auf ein möglichst großes Zylinderraumverhältnis hinarbeiten. Selten ist eine Ausführung der Vierzylinder-Verbundlokomotiven, bei der auf der einen Seite innen und außen nebeneinander die Hochdruckzylinder, auf der andern die Niederdruckzylinder liegen. Man kann mit nur 2 S. allen Anforderungen gerecht werden, indem man eine als Hochdruck-, die andere als Niederdrucksteuerung ausführt. Die Regeln sind die gleichen wie für Zweizylinder-Verbundlokomotiven. Sind für jedes Zylinderpaar 2 Schieber vorgesehen, so ist das im Abschnitt VII, 2, Gesagte zu beachten. Die Bauart, u.zw. mit nur einem Schieber findet sich bei den 5/5 gekuppelten Vierzylinder-Verbundlokomotiven der italienischen Staatsbahn, einschließlich der S. beschrieben in der Ztschr. dt. Ing. 1911, S. 928 und in Railw. Eng. 1910, S. 23 ff. (s. auch Art. Lokomotive, Bd. VII, Taf. IV, Abb. 7). Die beiden S. können bei diesen Lokomotiven getrennt eingestellt werden. Man hätte wohl ohne dieses Mittel auskommen können, selbst wenn man bei der als Tenderlokomotive anzusprechenden Bauart gleich gute Dampfverteilung bei Vor- und Rückwärtsfahrt verlangte.

IX. Die Ventilsteuerungen.

Das Bestreben, die Schieber durch Ventile zu ersetzen, erklärt sich aus ähnlichen Gründen wie bei den ortsfesten Maschinen. Die Bewegung der Ventile läßt sich leicht so einrichten, daß sie schnell öffnen und schließen. Die Drosselungsverluste werden geringer, die Diagramme voller. Man erhofft ferner von den Ventilen bessere Dampfdichtigkeit an den Dichtungsflächen, den Ventilsitzen, weil diese nicht, wie die Schieberspiegel, einer Abnutzung[219] durch Reibung unterworfen sind. Aus dem gleichen Grund darf man eine Verminderung der Ausbesserungskosten, wie sie bei Schiebersteuerungen durch Nacharbeiten an Schiebern und Schieberspiegeln entstehen, erwarten. Bei ortsfesten Maschinen trennt man Ein- und Auslaßventile und die zu ihnen führenden Kanäle meist vollständig. Der Frischdampf durchströmt nicht den eben vom Abdampf durchflossenen Kanal und ist nicht den hierdurch verursachten Abkühlungsverlusten ausgesetzt. Eine solche Trennung ist bei Lokomotiven aus räumlichen Gründen im allgemeinen nicht durchführbar.

Abb. 216 zeigt eine von der Hannoverschen Maschinenbau-Aktiengesellschaft ausgeführte Ventilsteuerung Bauart Lentz.

Sie ist bei D-Güterzug-Verbundlokomotiven ausgeführt, die 1912 für die oldenburgische[220] Staatsbahn geliefert wurden, und stellt die Fortbildung einer älteren, aus dem Jahre 1908 stammenden Form dar. Die Nockenstange wird wie ein Schieber durch eine Heusinger-Steuerung bewegt. Sie hebt bei dieser Bewegung durch Vermittlung der in den Spindelköpfen gelagerten Rollen die Ventile. Der Ventilschluß wird durch die über den Spindelköpfen sichtbaren Federn gesichert. Ein- und Auslaßventile sind so angeordnet, daß sie durch den Dampfdruck mäßig stark auf ihre Sitze gepreßt werden, u.zw. jene durch den Druck des Dampfes in der Frischdampfleitung, diese durch den Druck des Dampfes im Zylinder. Das rechts sichtbare kleine Ventil bildet den wesentlichen Bestandteil der Anfahrvorrichtung für Verbundlokomotiven Bauart Ranafier. Es ist mit Spindel, Spindelkopf und Rolle gewöhnlich durch eine Feder nach oben gegen seinen Sitz gepreßt und so der Einwirkung der Nockenstange entzogen. Setzt der Führer dagegen den Raum über dem Ventil durch die von links herkommende Leitung unter Dampfdruck, so öffnet es sich, falls die augenblickliche Stellung der Nockenstange es zuläßt, und läßt Dampf hinter den Hochdruckkolben und somit auch zum Niederdruckzylinder treten. Die Nockenstange steuert das Ventil so, daß Dampf nur in den Hochdruckzylinder strömt, wenn der Niederdruckkolben am Hub steht, nicht aber dann, wenn er nahe am Totpunkt steht. Im letzteren Fall würde der Hilfsdampf nur einen schädlichen Gegendruck auf den Hochdruckkolben[221] hervorrufen. In gewissen Kurbelstellungen muß der Führer durch eine weitere Hilfsleitung dem Niederdruckzylinder unmittelbar Frischdampf zuführen.

X. Die Gleichstromlokomotiven.

Bei den Ventilsteuerungen in der für Lokomotiven möglichen Ausführungsform bleibt, wie eben gezeigt, der Übelstand bestehen, daß die Kanäle abwechselnd vom Frischdampf und vom Abdampf durchflössen werden. Bei der Gleichstrommaschine Bauart Stumpf (Abb. 217) ist nur ein Ventilpaar für die Dampfeinströmung vorhanden. Der Abdampf verläßt den Zylinder durch die vom Kolben gegen Ende seines Hubes in der Zylindermitte freigelegten Auslaßschlitze. Der Kolben muß, um diese Aufgabe für Hin- und Rückgang ausführen zu können, eine gewisse Länge erhalten. Der Vorteil der Anordnung liegt nicht nur in dem Fernhalten des Abdampfes von den Einströmungskanälen, sondern auch in der Richtung des Dampfstroms im Zylinder selbst. Befindet sich der Kolben nur wenig vom Hubende entfernt, so steht der Dampf noch unter hoher Spannung und Temperatur, also nehmen auch die Wandungsteile an dieser Stelle eine höhere Temperatur an als die in der Nähe der Schlitze, denn diese werden vom Kolben erst dann freigelegt, wenn der Dampf infolge der Dehnung nur noch geringe Temperatur hat. Diese Teile der Zylinderwandung kommen niemals mit Dampf von hoher Temperatur in Berührung. Vorteilhaft ist nun, daß die ganze Menge des abgekühlten Dampfes nach Öffnung der Auslaßschlitze nur über diese kalten Wandungsteile hin wegstreicht und so wenig Gelegenheit hat, den heißen Wärme zu entziehen. Vorteilhaft ist auch der Fortfall besonderer, den Auslaß steuernde Teile. Nachteilig dagegen ist, daß die Kompression unveränderlich früh beginnt, u.zw. um ebensoviel Prozente des Kolbenhubs nach Verlassen des Totpunktes, als die Vorausströmung vor Erreichung des Totpunktes beginnt. Dieser Übelstand ist beim Anfahren besonders lästig, weil er die Widerstände im ungeeignetsten Zeitpunkt erhöht. Nachteilig ist auch das wegen der großen Zylinderlänge vergrößerte Zylindergewicht und die ebendarum vergrößerten Abkühlungsflächen.

Der Dampfeinlaß kann bei der Gleichstrombauart auch durch Kolbenschieber erfolgen. Man hat in diesem Fall neuerdings die Anordnung so gewählt, daß die Kolbenschieber auch einen Teil des Abdampfes steuern. Hierdurch wird der soeben behandelte Nachteil der großen Kompression behoben, aber auch der Grundgedanke des Gleichstroms durchbrochen.

XI. Die Drehschiebersteuerungen.

Sie sind aus ähnlichen Erwägungen wie die Ventilsteuerungen entstanden und gestatten außerdem eine Verkleinerung des schädlichen Raumes bis auf 4%. Im Art. Dampfzylinder, Bd. III, Abb. 230, 231 ist ein Dampfzylinder mit Drehschiebern für eine ortsfeste Maschine dargestellt. Als Lokomotivsteuerung ist eine Drehschiebersteuerung Bauart Durant-Lancauchez auf der Orléansbahn eingeführt worden. Die Einströmungsschieber liegen oberhalb, die Ausströmungsschieber unterhalb des Zylinders. Der Antrieb erfolgt durch eine Kulissensteuerung Bauart Gooch, später Stephenson. Weitere Verbreitung haben diese und ähnliche S. nicht gefunden.

XII. Die Ausführung der Einzelteile.

Exzenter verwendet man meist nur für Innensteuerungen. In der Regel wird die eine Ringhälfte mit der Exzenterstange aus einem Stück ausgeführt (s. Art. Lokomotive, Taf. II, Abb. 3 u. Taf. III, Abb. 1), seltener die letztere durch Verschraubung mit dem Ring befestigt (Abb. 218). Die gleitenden Flächen zwischen Scheibe und Ring werden in Weißguß oder Rotmetall ausgeführt. Wird eine S. mit 2 Exzentern als Außensteuerung ausgeführt, so werden die beiden Scheiben in der Regel als ein Stück gegossen (Abb. 219). Diese Exzenter werden auf eine Gegenkurbel, seltener – bei Außenrahmen – auf den Hals der Triebkurbel gesetzt. Bei der fast stets außen liegenden Heusinger-Steuerung ersetzt man das Exzenter durch ein einfaches Stangenlager. Die Stangen mit Ausnahme der Schieberstange erhalten rechteckigen Querschnitt; alle Stangen werden aus Flußstahl von 50–60 kg Festigkeit und[222] 20% Dehnung, die mit dem Schieberrahmen aus einem Stück gefertigten Schieberstangen aus Flußeisen von 34–41 kg Festigkeit und 25% Dehnung ausgeführt. In alle Bolzenlöcher werden Büchsen aus Phosphorbronze oder im Einsatz gehärtete Stahlbüchsen eingepreßt. Auch die Bolzen werden im Einsatz gehärtet. Bolzen und Büchsen werden auf Maß geschliffen. Die Bolzen sollen nicht durch Nasen od. dgl. an der Drehung verhindert werden, weil sie sich sonst einseitig abnutzen. Die Kulissen, auch Schwingen oder Schleifbogen genannt, werden aus Flußeisen von 31–41 kg Festigkeit und 25% Dehnung hergestellt und an den Gleitflächen des Steines sowie den Zapfen im Einsatz gehärtet. Man unterscheidet Schlitzkulissen (Abb. 195, 197, 220), Taschenkulissen (Abb. 196, 198) und Klotzkulissen (Abb. 221). Die Kulissensteine werden aus Stahl angefertigt. Jede S. muß die Möglichkeit zur Regulierung der Schieberstellung gewähren. Bei der Heusinger-Steuerung ist diese Vorrichtung an der Gradführung G der Schieberstange angebracht (Abb. 198). Um das Umsteuern zu erleichtern, werden die zu hebenden Gestängegewichte durch ein Gewicht oder eine Feder (Abb. 198) ausgeglichen.

Literatur: Außer den im Art. Dampfschieber, Bd. III und Lokomotive, Bd. VII genannten Quellen: Westrén-Doll, Berechnung und graphische Ermittlung der Heusinger-Steuerung für Lokomotiven. Glasers Ann. 1910, II, S. 89. – Obergethmann, Die Dreizylinderlokomotive und ihre Steuerung. Ebenda 1914, II, S. 25. – Die Ventillokomotiven der Großherzoglichen Eisenbahndirektion Oldenburg. Hanomag-Nachrichten 1915, S. 80.

Jahn.

Abb. 177 a., Abb. 177 b.

Abb. 178.

Abb. 179.

Abb. 180.

Abb. 181.

Abb. 182.

Abb. 183.

Abb. 184.

Abb. 185.

Abb. 186.

Abb. 187.

Abb. 188.

Abb. 189.

Abb. 190.

Abb. 191.

Abb. 192.

Abb. 193.

Abb. 194.

Abb. 195.

Abb. 196.

Abb. 197.

Abb. 198.

Abb. 199.

Abb. 200.

Abb. 201.

Abb. 202.

Abb. 203.

Abb. 204.

Abb. 205.

Abb. 206.

Abb. 207.

Abb. 208.

Abb. 209.

Abb. 210.

Abb. 211.

Abb. 212.

Abb. 213.

Abb. 214.

Abb. 215.

Abb. 216. Anordnung der Ein- und Auslassventile (Hochdruckseite) Bauart Lentz für D-Güterzuglokomotiven der Pldenburgischen Eisenbahnen.

Abb. 217. Zylinder und Ventilanordnung Bauart Strumpf für Gleichstrom-Heißdampflokomotiven.

Abb. 218.

Abb. 219.

Abb. 220.

Abb. 221.

Quelle:

Röll, Freiherr von: Enzyklopädie des Eisenbahnwesens, Band 9. Berlin, Wien 1921, S. 195-223.

Permalink:

http://www.zeno.org/nid/20011427310

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