Motorzugforderung auf Schienen Von Ing. Dr. techno Otto Ju dtmann Wien Mit 108 Abbildungen im Text Wien Verlag von Julius Springer 1938 AIle Rechte, insbesondere das der Ubersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten Copyright 1938 by Julius Springer in Vienna Softcover reprint of the hardcover 1s t edition 1938 ISBN-13: 978-3-7091-5657-5 e-ISBN-13: 978-3-7091-5697-1 DOl: 10.1007/978-3-7091-5697-1 Dem Andenken meines verehrten Lehrers t Pro£ lug. Dr. Leopold Orley Vorwort. Bei der standig steigenden Bedeutung der Motorfahrzeuge im Eisen bahnverkehr ist es selbstverstandlich, daB immer weitere Kreise zur Beschaftigung mit jenen ZugfOrderungsfragen gezwungen werden, die sich durch die Indienststellung dieser neuartigen Fahrzeuge ergeben. Es handelt sich dabei einerseits um Ingenieure der Bauanstalten, die Motor fahrzeuge liefern und Planungen fiir Zugforderungen durcharbeiten mussen, anderseits aber um Beamte der Bahnverwaltungen, denen Motorfahrzeuge unterstellt sind, weshalb sie die mit diesen Triebfahr zeugen zusammenhangenden Zugforderungsaufgaben zu lOsen haben. Das vorhandene Schrifttum beschrankt sich entweder auf die Be schreibung ausgefiihrter Fahrzeuge, bei welchen oft gerade die fur die Zugforderung wichtigsten Fragen nur gestreift oder uberhaupt nicht erwahnt werden, oder auf die Behandlung einzelner Aufgaben, die in den verschiedenen Fachzeitschriften zerstreut sind, so daB es dem AuBen stehenden nicht leicht ist, sich in dieses neue Sondergebiet einzuarbeiten. Dazu kommt noch, daB dieses Sondergebiet gewisse Kenntnisse aus dem neueren Motorenbau undo besonders'bei elektrischen Kraftubertragungen auch aus der Elektrotechnik erfordert, die dem Eisenbahntechniker fremd sind, der sich in der Schule und seiner bisherigen Praxis nur mit den Eigenschaften der Dampflokomotive vertraut gemacht hat. Die vorliegende Arbeit solI nun diese Lucke schlieBen und allen jenen, die mit Motorfahrzeugen zu arbeiten haben, eine zusammen fassende Darstellung aller wichtigen Fragen der Eisenbahnzugforderung geben, dabei durch Erlauterungen uber die Verbrennungsmotoren und die Kraftubertragungen die notwendigen Grundlagen fiir deren Ver standnis zu schaffen. Die Darstellung stutzt sich auf eine mehr als ein Jahrzehnt umfassende Tatigkeit auf diesem Sondergebiet, sie enthalt daher die gesammelten Erfahrungen zahlreicher Planungen von Zug forderungen, Erprobungen von Maschinenanlagen und MeBfahrten mit Motorfahrzeugen verschiedenster Art und GroBe von Kleinlokomotiven fiir Industriebahnen an bis zu Schnelltriebwagen groBer Leistung. Nach den einleitenden Abschnitten I bis III bringt der Abschnitt IV die Grundlagen der Eisenbahnzugforderung bei Verwendung von Motor fahrzeugen, aus denen sich die Erorterung der einzelnen Bestandteile VI Vo;rwort. in den folgenden Abschnitten ergibt. Die Beschreibung der Verbrennungs motoren und der Kraftubertragungen, bei denen auch die wichtige, aber bisher recht wenig behandelte Frage der Teillasten eingehend besprochen wird, erstreckt sich auf die Erlauterung der fiir die Zugforderung wichtigen Fragen, da der Zugforderungstechniker weder Verbrennungsmotoren noch Kraftubertragungen konstruieren will. Er muB aber wohl ub~r die verschiedenen Eigenschaften dieser Teile von Motorfahrzeugen unter richtet sein, urn deren Zusammenwirken ganz zu durchschauen und gelegentlich den Konstrukteuren Abanderungs- oder Verbesserungs vorschlage machen zu konnen, fiir welche Bauanstalten dankbar sein mussen, wenn sie nicht selbst Gelegenheit haben, ausgedehnte Betriebs erfahrungen zu sammeln. Gerade auf diesem Sondergebiet ist die Zusammenarbeit aller be teiligten Kreise ein Gebot der Notwendigkeit, da aus dem Zusammenbau guter Maschinen und guter Wagen noch kein vorzugliches Motorfahrzeug entstehen muB, wenn nicht von Anfang an auf ein harmonisches Zu sammenpassen aller Einzelteile geachtet wird. Diese bei der Planung zu leistende Arbeit des gegenseitigen Abstimmens kann aber nur auf Grund der Kenntnisse der einzelnen Teile befriedigend ge16st werden. Damit ergibt sich die Nutzlichkeit der vorliegenden Darstellung fiir den Studierenden, der sich fur das Gebiet der Eisenbahnzugforderung vorbereiten will, da er sich im Zusammenhang uber die verschiedenen Aufgaben der Zugforderung 'und deren Losung unterrichten kann. Bei der erstmaligen Zusammenfassung dieses groBen Gebietes ist es zu erwarten, daB sich an einigen Stellen Erganzungen als notwendig herausstellen konnen. FUr aIle dahingehenden Vorschlage danke ich im voraus bestens, um sie gegebenenfalls beriicksichtigen zu konnen. Dasselbe gilt auch fiir den geschichtlichen Ruckblick auf die Entwicklung der Motorfahrzeuge, der auf Grund eines eingehenden Studiums des Schrift tums zusammengestellt wurde. Diese Arbeit ist dem Andenken meines verehrten Lehrers, des leider viel zu friih verstorbenen Prof. lng. Dr. Leopold Orley, gewidmet, der mir die Anregung gab, meine Kenntnisse und langjahrigen Erfahrungen ~uf dem Gebiete der Motorzugforderung in zusammenhangender Dar stellung zu veroffentlichen. Auch allen Bauanstalten und Bahnverwal tungen, die mich bei der Abfassung der Arbeit durch "Oberlassung von Unterlagen unterstutzten, sei der beste Dank ausgesprochen. Wien, im Fruhjahr 1938. lng. Dr. techno Otto Judtmann. Inhaltsverzeichnis. Seite I. Kurzer geschichtlicher Riickblick auf die Entwicklung der Motor- fahrzeuge auf Schienen, Hinweis auf das· Schrifttum . . . . . . . . . . . 1 A. Entwicklung der Motorfahrzeuge ......................... 1 B. Hinweis auf das Schrifttum.............................. 7 II. Allgemeines iiber Motorfahrzeuge, ihre Einteilung und Verwendung 8 A. Einschriinkung auf die Schienenfahrzeuge .. . . . . . . . . . . . . . . . 8 B. Einteilung der Motorfahrzeuge ........................... 8 a) Nach der Bauart.................. .. .... ... .......... 8 b) N ach der Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 c) Nach dem Verwendungszwecke .......... ... .. ... ...... 8 d) Nach dem verwendeten Brennstoffe..... ... ... .. ... .... 8 e) N ach der Kraftiibertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 f) Zusammenziehung der Kennzeichnungen in der Praxis. . . 9 C. Verwendung der Motorfahrzeuge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 III. Vbersicht fiber den derzeitigen Stand der Motorisierung des Schienen- verkehrs in einigen europaischen Landern und in Vbersee ...... 12 A. Motorisierung in Europa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Deutsches· Reich, Osterreich, Tschechoslowakei, Ungarn, Hol land, Frankreich, England, Diinemark, Belgien, Italien, Polen, Litauen, Schweden, Rumiinien, Jugoslawien, Ru13land. B. Motorisierung in Amerika und in den iibrigen Erdteilen . . .. 20 Vereinigte Staaten von N ordamerika, Kanada, Argentinien, Japan, Mandschurei, Siam, Tunis, Siidafrika, Australien. C. Schiitzung der Gesamtzahl der Schienenmotorfahrzeuge..... 22 IV. Die Grundlagen der Eisenbahnzugforderung bei Verwendung von Motorfahrzeugen ........................................... 22 A. Ableitung der Grundformel der Zugfiirderung.. . . . . . . . . . . .. 22 B. Fahrwiderstiinde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 23 a) Fahrwiderstand in der Waagrechten .... ............ ... 24 1. Verlauf der Widerstandkurven 24. - 2. Widerstands formeln fUr Wagenziige 25. - 3. Widerstandsformel der Studiengesellschaft 26. - 4. Widerstandsformeln fUr Trieb wagen 27. - 5. Einzelheiten liber den Luftwiderstand 29. b) Steigungswiderstand.................................. 32 c) Krilmmungswiderstand.... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 33 d) Beschleunigungswiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 35 e) Gesamtfahrwiderstand .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 36 f) Bremsneigung......... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 37 VIII Inhaltsverzeichnis. Seite C. Ermittlung der Leistung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 38 a) Leistung am Radumfang, Zugforder. und Motorleistung. 38 b) Beispiel .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 40 D. Reibungsgewicht und Haftreibungswerte .................. 42 E. Hochstbefahrbare Steigung............................... 44 F. Theoretische untere Geschwindigkeitsgrenze aus Reibung und Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 G. Begriindung der folgenden Abschnitte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 V. Die Verbrennungsmotoren ................................... 47 A. Beschrankung auf Kolbenkraftmaschinen, Hinweis auf Otto und Diesel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 47 B. Einteilung nach Arbeitsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 a) Viertaktmotoren ..................................... 48 b) Zweitaktmotoren ..................................... 49 c) Allgemeine Angaben. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 C. Einteilung nach Gemischbildung und Ziindung ............ 50 a) Allgemeines iiber Otto· und Dieselmotoren ............. 50 b) Gegeniiberstellung der Eigenschaften von Otto· und Diesel· motoren............................................. 51 1. Bildung des Brennstoff-Luftgemisches; 2. Ziindung des Brennstoff-Luftgemisches 52. - 3. Brennstoffe; 4. Ver dichtungsverhiUtnis E; 5. Theoretischer thermischer Wir kungsgrad des Kreisprozesses 1Jt; 6. Giitegrad des Kreis prozesses 1Jg 53. - 7. Innerer oder indizierter Wirkungs grad 1Ji; 8. Mechanischer Wirkungsgrad 1Jm; 9. Wirtschaft· licher Wirkungsgrad 1Jw 54. - 10. Verdichtungsdruck; 11. Verbrennungsdruck; 12. Verhaltnis des Verbrennungs. druckes zum Verdichtungsdruck; 13. Erste Annahme fiir den Verlauf des Kreisprozesses; 14. Tatsachlicher Verlauf des Kreisprozesses 55. - 15. Zusammenhang zwischen Leistung und Drehmoment 56. - L6. Zahlentafel der derzeit gebrauchlichen effektiven Mitteldriicke; 17. Leistung in P S iiber der Drehzahl; 18. Drehmomente M iiber der Dreh zahl 57. - 19. Kennzeichnende Schaubilder des Brennstoff verbrauches 58. - 20. Spezifischer Brennstoffverbrauch 60. - 21. Theoretischer Luftbedarf fiir die Verbrennung; 22. Praktischer Luftbedarf fiir die Verbrennung; 23. Energie. schaubilder 61. - 24. Praktische Brennstoffverbrauchs· zahlen; 25. Brennstoffverbrauch bei wechselnder Dreh zahl 62. - 26. Einflul3 der Luftdichte 63. D. Vorverdichtung oder Aufladung .......................... 63 E. Anlassen ............................................... 64 F. Leistungsgewichte ausgefiihrter Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . .. 65 G. Hubraumleistung in PS je Liter......................... 65 H. Bauarten............................................... 65 J. Forderungen an einen Fahrzeugdieselmotor................ 66 K. Ausfiihrungen von Verbrennungsmotoren .................. 68 a) Maybach.Dieselmotor GO 6 ........................... 68 Inhaltsverzeichnis. IX Seite b) Simmeringer Dieselmotor R 8 ....................... " 70 c) Hinweis auf VerOffentlichungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 73 VI. Allgemeines tiber Krafttibertragungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 A. Unmittelbarer Antrieb.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 B. Die Eigenschaften der Verbrennungsmotoren und die For- derungen der Zugforderung .............................. 73 C. Seltenere Kraftiibertragungen ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 D. Beurteilung der Kraftiibertragungen .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 76 E. Allgemeingiiltige Beziehungen... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 77 a) Zusammenhang zwischen Drehmoment eines Triebmotors und Zugkraft am Radumfang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 b) Zusammenhang zwischen der Fahrgeschwindigkeit und der Drehzahl des Triebmotors ............................ _ 78 c) Zusammenhang zwischen Drehmoment und Zugkraft .... 78 VII. Die meehanische Kraftiibertragung mit Zahnradstufengetrieben. . 78 A. Grundsatzlicher Aufbau ................................. 78 B. Ausnutzungsziffer und Wahl der Stufen................... 80 C. Wirkungsgrad und Zugforderleistung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 82 D. Einflu/3 der Zugkraftunterbrechung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 83 E. Ausfiihrung von Stufengetrieben.......................... 84 a) Myliusgetriebe ....................................... 85 b) Ardeltgetriebe........................................ 88 F. Ermittlung der Fahrzeugkennlinien eines diesel-mechanischen Triebwagens............................................ 91 G. Zusammenfassung .... _.................................. 94 VIII. Die hydraulische Kraftiibertragung .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 A. Allgemeines ............................................ 95 B. Die Kreislaufe und ZubehOr ............................. 96 a) Wandler und Marschwandler .......................... 96 b) Fliissigkeitskupplung.................................. 10 1 c) Kiihlung des Getriebes ............................... 103 d) Fiillung und Entleerung der Kreislaufe ................. 104 C. Beschreibung eines Voith-Maybach-Turbogetriebes mit Marsch- wandlern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 104 D. Ermittlung der Fahrzeugkennlinien eines diesel-hydraulischen Triebwagens ............................................ 107 E. Zusammenfassung ....................................... 112 IX. Die elektrische Kraftiibertragung ............................. 112 A. Grundsatzliche Anordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 112 B. Allgemeines iiber Gleichstrommaschinen und deren Zubehor 114 a) Aufbau, Grundformeln, Schaltungen ................... 114 b) Wirkungsgrade und Verluste .......................... 11 7 c) Erwarmung und Temperaturbestimmung ............... 118 d) Zubehorteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 120 1. Fahrtrichtungsschalter; 2. Anla/3wicklungen; 3. Hills- x Inhaltsverzeichnis. Selte einrichtungen; 4. Vielfachsteuerung 120. - 5. Sicherheits fahrschaltwerk 121. C. Die Hauptstromfahrmotoren ............................. 121 a) Grundformeln ........................................ 121 b) Kennlinien .......................................... 122 c) Achsantriebe ......................................... 124 d) Zahl der Fahrmotoren ................................ 125 e) Reihenschaltung und Feldschwachung .................. 125 D. Die Fahrzeuggeneratoren ................................ 126 a) Grundformeln und Kennlinien ......................... 126 b) Schaltungen fiir Motorfahrzeuge ....................... 128 RZM 128. - Gebus, Lemp 129. - Leistungswachter von BBC, Ward Leonard; Hyperbelsteuerungen von Westing house und Siemens-Schuckert 131. - AEG-Vollastschal tung 132. - "Torque"-System, Oldruckfeldreglersteuerung von BBC 133. E. Das Zusammenarbeiten von Generatoren und Fahrmotoren .. 135 a) Kennlinien eines Generators unter Beriicksichtigung der Antriebsleistung eines Verbrennungsmotors ............. 136 1. Vollastkennlinien 136. - 2. Teillastkennlinien 138. b) Zusammenhang von Generator- und Fahrmotorkennlinien 140 c) Ermittlung der Zugkraft-Geschwindigkeitskurve aus den Schaublattern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 144 F. Rechnerische Ermittlung der Zugkraft-Geschwindigkeits- kurven ................................................ : 145 G. Ermittlung der Fahrzeugkennlinien eines diesel-elektrischen Triebwagens ............................................ 148 H. Elektromechanische Kraftiibertragungen... . . . . . . . . . . . . . . .. 149 a) Vorlaufer wie Entz, Porsche u. a ...................... 149 b) Das System Sousedik ................................ 151 1. Grundsatzlicher Aufbau 151. - 2. Leistungsaufteilung, Wirkungsgrade und Kennlinien 152. J. Zusammenfassung....................................... 153 X. Anfabrt, Streckenfahrt, Bremsung ............................ 154 A. tTberschu.f3zugkraft ......................................" 154 B. Steigfahigkeit........................................... 155 a) Erlauterung und Formeln ............................. 155 b) Steigfahigkeit eines 425 PS diesel-hydraulischen Triebwagens 155 c) s-V-Kurven .......................................... 157 d) Steigungs-Geschwindigkeitstafeln ....................... 158 C. Beschleunigung ......................................... 159 D. Anfahrschaulinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 159 a) Anfahrzeit und Anfahrweg ............................ 159 b) Abschnittsweise Berechnung ........................... 159 1. Erlliuterung des Verfahrens 159. - 2. Anfahrt eines 425PS diesel-elektrischen Triebwagens 160. - 3. Verzoge rung bei Einfahrt in eine Steigung 162. - 4. Verwendung von Fluchtlinientafeln 163. Inhaltsverzeichnis. XI Seite c) Verfahren von Kothen, Ehrensberger und Klein ........ 166 d) Vereinfachtes analytisches Verfahren von Kinkeldei ..... 168 e) Naherungsformel des Verfassers fUr mittlere Beschleunigung 170 1. Ableitung 171. - 2. Beispiel; 3. Schaublatter 172. f) Rechnerisch·zeichnerisches Verfahren von E. Meyer. . . . .. 174 g) Zeichnerische Verfahren............... . . . . . . . . . . . . . . .. 175 1. Allgemeines 175. - 2. Verfahren von Lipetz-Strahl mit Beispiel 176. - 3. Verfahren von Nu13baum 181. E. Einflu13 der Zuglange .................................... 181 F. Bremsung .............................................. 182 a) Verzi:igerung ......................................... 182 b) Reibung zwischen Rad und Bremsklotz ................. 182 1. Allgemeine Erlauterung 182. - 2. Zahlenwerte 183. - 3. Bestimmung mittlerer Gleitzahlen aus Bremsversuchen 184. c) Zusammenhang zwischen Raddruck, Bremskraft und den Gleitzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 185 d) Veranderung der Bremskraft in Abhangigkeit von der Geschwindigkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 186 e) Mittlere Bremsverzi:igerung, Vorbereitungszeit, Bremsweg 188 f) Bremszeiten und Bremswege in Abhangigkeit von Geschwin- digkeit und Verzi:igenmg .............................. 189 g) Bremstafeln ......................................... 189 h) Bauarten der Reibungsbremsen ........................ 190 i) Elektromagnetische Schienenbremse .................... 190 1. Allgemeines 190. - 2. Beschreibung einer Schienen bremse nach Jores-Muller 191. - 3. Anpre13druck und Gleitzahlen 192. - 4. Beispiel einer Bremsung 193. G. Die Wucht eines in Bewegung befindlichen Fahrzeuges ..... 194 XI. Der Brennstoffverbrauch von Motorfahrzeugen. . . . . . . . . . . . . . . .. 195 A. Zusammenhange und Ermittlungsverfahren ................ 195 B. Verbrauch wahrend der Anfahrt .. : ...................... 197 a) Bei Flussigkeitsgetrieben mit Wandlern ................ 197 b) Bei Flussigkeitskupplungen mit Kupplungen und Stufen- getrieben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 197 c) Bei elektrischer Kraftubertragung... . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 198 C. Mehrverbrauch fUr die Fahrt mit Haltestellen ............. 201 D. Erganzung des 8-V-Schaubildes durch die Brennstoffver- brauchskurven fJ ...... '. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 204 a) eines diesel-hydraulischen Triebwagens ................. 204 b) eines diesel-elektrischen Triebwagens ................... 206 c) eines diesel-mechanischen Triebwagens .... , ............ 206 E. Verfahren von Eberan-Eberhorst ......................... 211 F. Arbeiten von Richter, Kamm und Berndorfer ............. 212 G. Naherungsformel des Verfassers fUr den Brennstoffverbrauch ill Gramm je Tonnenkilometer ........................... 213 a) Ableitung fUr die Vollaststufe der elektrischen Kraftuber- tragung ............................................. 213