Wolles-Modellbahn

Zylinder und Kolben

1 - Schwinge 2 - Gegenkurbel (Schwingenkurbel) 3 - Schieberschubstange 4 - Voreilhebel 5 - Kreuzkopf 6 - Steuerzylinder mit Schieber 7 - Dampfzylinder 8 - Steuerstange

Anmerkung: Das animierte Diagramm für die Steuerung zeigt eine Steuerung mit Kolbenschieber. Kolbenschieber-Steuerungen haben im Gegensatz zu Flachschieber-Steuerungen eine innere Einströmung. Hier ist das Diagramm falsch, es zeigt eine äußere Einströmung beim Kolbenschieber. Deshalb stimmt auch die Drehrichtung des Triebwerkes in der Animation mit der Auslage der Steuerung überein, obwohl die Auslage auf rückwärts gestellt ist, während das Triebwerk vorwärts dreht.

Die Anpassung der Leistung, und damit des Dampfverbrauches, an die wechselnden Betriebsbedingungen wird mit einer zusätzlichen Steuerung realisiert. Hauptbestandteil dieser Steuerung sind die an den Arbeitszylinder angesetzten Schieberzylinder und deren Schieberkolben (6). Mit diesen wird die wechselseitige Dampfzufuhr und deren Menge in den Arbeitszylinder (7) gesteuert. Im Betrieb eilen die Steuerschieber der Arbeitskolbenbewegung jeweils wechselnd voraus. Der Schieber öffnet den Zylinder, Dampf strömt ein. Nach ca. 1/3 Kolbenweg sperrt der Schieber die Einströmung ab. Die im Dampf vorhandene Energie Expansion treibt den Kolben weiter bis zu seinem Totpunkt. Die fortlaufend wechselnde Schieberbewegung wird durch ein Steuergestänge bewirkt, das an das Antriebsgestänge angeschlossen ist. Durch variables Einstellen der Steuerung lässt sich z.B. eine hohe Anfahrzugkraft durch lange Dampffüllung über den Kolbenweg erreichen. Durch Verminderung der Füllzeiten bei hoher Geschwindigkeit wird der Dampfverbrauch pro Kolbenhub auf das notwendige Maß reduziert, die Energieausnutzung verbessert sich, da die Dampfdehnung stärker ausgenutzt wird.

Der Lokführer stellt die Steuerung von Führerstand aus mit einer Handkurbel (8) ein, wodurch an der Schwinge (1) der Angelpunkt des Steuerungsgestänges und damit der Arbeitsweg des Schiebers verstellt wird. Das zweite Steuerelement neben der Schieberverstellung ist das Reglerventil auf dem Führerstand, das den Dampfdruck zu den Zylindern einstellt.

Die Steuerung hat damit zwei Endpunkte der Einstellung: zum einen den der voll ausgelegten Steuerung (mit einem Dampfdruck, bei dem die Räder der Lok gerade noch nicht durchdrehen - beim Anfahren wichtig), zum anderen den der nur minimal ausgelegten Steuerung (mit vollem Dampfdruck, um mit der maximal möglichen Expansion in den Zylindern das wirtschaftliche Optimum herzustellen).

Dazwischen liegen zahlreiche Betriebszustände, in denen es der Erfahrung und dem Fingerspitzengefühl des Lokführers überlassen ist, mit der Steuerungseinstellung den optimalen Punkt zur Energieausnutzung zu treffen. Durch Umsteuern der Füllreihenfolge kann die Fahrtrichtung umgekehrt werden. Einen gegengesteuerten Dampfdruck verwendete man auch als Gegendampfbremse.


Massenausgleich

Die hin- und hergehenden Massen der Kolben sowie auch der Kolben-, Treib- und Kuppelstangen verursachen bei der Umsetzung in die Drehbewegung erhebliche Unwuchten, die zu einem zuckenden Lauf der Lokomotive führen. Die Kolbenbewegungen einer zweizylindrigen Maschine gleichen sich dabei nicht gegenseitig aus, weil sie nicht um eine halbe, sondern um eine Viertelperiode versetzt arbeiten. Mit Ausgleichsgewichten an den Rädern können diese Kräfte teilweise, jedoch nicht vollständig ausgeglichen werden.

Die lediglich durch die Kuppelstangen und Kurbelzapfen entstehende Unwucht kann durch Ausgleichsgewichte vollständig aufgehoben werden, so dass das Problem z. B. bei älteren Elektrolokomotiven mit Stangenantrieb nicht auftritt. Zum Ausgleich der hin- und hergehenden Massen einer Kolbendampfmaschine müssen die Ausgleichsgewichte jedoch vergrößert werden, was wiederum zu einer Unwucht der Räder führt, die die Schienen belastet und bei hohen Drehzahlen sogar zum Verlust des Rad-Schiene-Kontakts (Springen der Räder) führen kann. Ein praxistauglicher Kompromiss bei der Auslegung des Massenausgleichs war daher wichtig bei der Konstruktion von schnell fahrenden Lokomotiven. In der Regel wurden nur etwa 30% bis 50% der hin- und hergehenden Massen ausgeglichen. Bei niedrigen Geschwindigkeiten und geringem Komfortanspruch, wie etwa beim Güterverkehr hat man teilweise auch ganz darauf verzichtet. Das Problem des Massenausgleichs kann durch den Bau von Lokomotiven mit mehr als zwei Zylindern verringert werden. Fast alle Schnellfahrlokomotiven hatten deshalb Triebwerke mit drei oder vier Zylindern.