mini|hochkant=1.6|1889: Frühe Zeichnung eines Hohlwellenantriebs; die Hohlwelle ist Träger des im Fahrzeugaufbau gelagerten Motorrotors (Achsmotorantrieb); Wellenkupplung mittels zweier Kurbelstangen (Doppelkurbel).Gleichstromachsmotor von 1889 nach S. H. Short, Auszug aus Abb. 9 in: Schweizerische Bauzeitung, 1908, Band LII, Heft 19, S. 248. mini|hochkant=1.6|1927: Hohlwellenantrieb einer Elektrolokomotive der BLS Zwischen den Rädern des Treibradsatzes befindet sich die Hohlwelle mit zwei aufgeschrumpften Großrädern. Die Achswelle verläuft in diesem Bereich innerhalb der Hohlwelle.Die Hohlwelle wird an den hellen Stellen im Fahrgestell des Fahrzeugs gelagert;Feder-Kupplungen verbinden Hohlwelle und Treibräder. mini|hochkant=1.6|2011: Hohlwellenantrieb mit Keilpaketkupplung eines Stadler KISS: Die Treibradsatzwelle wird vom Getriebegehäuse samt hohler Ausgangswelle (rechts) und vom Rohr einer zweiteiligen Keilpaketkupplung (Mitte) umschlossen; links das angetriebene Rad.
Beim Hohlwellenantrieb von Eisenbahn-Triebfahrzeugen ist die Treibradsatzwelle mit reichlichem Spiel, S. 248: ... die Anordnung einer hohlen, die Triebradwelle mit reichem Spiel frei umgreifenden ... Welle. von einer hohlen Welle umgeben, welche die Antriebskräfte vom Motor auf die Treibräder überträgt. Die Hohlwelle wird über Kurbelstangen oder über Federkupplungen beweglich mit den Treibrädern gekoppelt und gehört somit (samt Antriebseinheit) zur gefederten Masse des Fahrzeugs.
Da nur noch der Radsatz ungefedert bleibt, wird der Oberbau durch Schwingungen des Antriebs geringer belastet und die Laufruhe des Triebfahrzeugs erhöht.
In frühen elektrischen Fahrzeugen diente die Hohlwelle zugleich als Rotor des Fahrmotors (siehe die oberste Abbildung). Später trägt die Hohlwelle die Großräder des Zahnradgetriebes (siehe zweite der nebenstehenden Abbildungen). Ihr Innendurchmesser ist ausreichend groß, um der Treibradsatzwelle Spielraum für einen ausreichenden Federweg zu geben.
Zur Kraftübertragung zwischen den sich beim Federn des Fahrzeugs vertikal gegeneinander bewegenden beiden Wellen dient eine radialbewegliche Kupplung. Verschiedene Ausführungen des Hohlwellenantriebs werden häufig nach der Art der verwendeten Kupplung bezeichnet.
In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurde eine große Zahl von Hohlwellenantrieben bzw. von radial nachgebenden Kupplungen für die Verbindung zwischen Hohlwelle und Treibradsatz entwickelt, obwohl keinesfalls alle elektrischen Schienenfahrzeuge – insbesondere nicht die Straßenbahnen – einen Hohlwellenantrieb, sondern oft einen Tatzlagerantrieb bekamen. Diesen modifizierte man zwar ab der Mitte des Jahrhunderts zu einem Hohlwellenantrieb, kam aber nach und nach vom Ideal, dem Treibradsatz keine ungefederten Massen zuzufügen, wieder ab. Begünstigt wurde dieses Vorgehen dadurch, dass inzwischen festere Stähle für den Bau kleinerer und leichterer Getriebe-Zahnräder entwickelt worden waren. Dass das Getriebe – insbesondere sein größeres, also schwereres Abtriebsrad (Großrad) – ungefedert von der Treibradsatzwelle getragen wird, und nur der Fahrmotor wie bisher gefederte Masse ist, war ein ausreichend zufriedenstellender Kompromiss geworden.
Die radial nachgebende Kupplung ist in diesem Fall zwischen dem Fahrmotor und dem Getriebe angebracht. Für große Antriebsleistungen wird eine Kardanwelle benutzt, die aus Platzgründen in der hohl gemachten Motorwelle oder Eingangswelle (Ritzelwelle) des Getriebes untergebracht ist. Die die Treibradsatzwelle umgebende Hohlwelle ist seltener geworden, nicht aber der Begriff Hohlwellenantrieb. Dieser ist unschärfer geworden, weil in ihn auch die Antriebe mit hohler Motor- oder Ritzelwelle eingegangen sind (siehe unten: Motorhohlwellenantrieb und Ritzelhohlwellenantrieb).
In Neubauten elektrischer Triebwagen ist die Bogenzahnkupplung (im Prinzip eine besonders kurze KardanwelleDie Bogenzahnkupplung ist im Prinzip eine Kardanwelle. Als kardanische Gelenke dienen zwei Stirnzahnrad-Paarungen aus je einem Zahnrad mit in Breitenrichtung der Zähne bogenförmigen Flanken und Zahnkopfflächen und je einem innenverzahnten Rad. Die beiden Letzteren befinden sich an den Enden einer Hülse, die eine kurze Kardanwelle ist.) zum Standard geworden. Sie findet Platz zwischen dem fest im Rahmen gelagerten Fahrmotor und dem achsreitenden, gekuppelten Getriebe. Insgesamt werden heute bei Neubaufahrzeugen weniger aufwändige Ausführungen als Hohlwellenantriebe – sowohl in ursprünglicher als auch jüngerer Definition – eingesetzt.
Im Folgenden werden die wichtigsten Hohlwellenantriebe in etwa chronologischer Reihenfolge ihres Entstehens dargestellt. Der zweite Teil dieser Aufstellung (siehe Andere Antriebe) enthält die Hohlwellenantriebe in der o. g. abweichenden Bedeutung. Ordnendes Kriterium ist immer die Bauweise der verwendeten Kupplung.
Kupplungsvarianten in den Hohlwellenantrieben verschiedener Hersteller Die verwendete Kupplung muss radialbeweglich, sonst aber von hoher Festigkeit und kleinen Abmessungen sein.: »Die größte Schwierigkeit ... liegt weniger in der Auslegung des Motors selbst als vielmehr in der zweckmäßigen Anlage der Motoranker und Triebräder verbindenden Konstruktionsteile.« Es gibt viele Ausführungen, die fast immer in Verbindung mit dem Namen des Herstellers genannt werden. Eine grobe Zusammenfassung ist unter Bezug auf den verwendeten Werkstoff oder auf die verwendeten Maschinenelemente möglich: Federantrieb: Er enthält meistens Schrauben- oder Blattfedern aus Stahl, neuere Ausführungsvarianten auch Gummielemente. Die entsprechenden Kupplungen sind scheibenförmig und paarweise an den Enden der Hohlwelle angebracht. Gummielemente sind ebenfalls scheibenförmig oder ringförmig zusammengefasst. Sie können an den Enden der Hohlwelle (siehe Federantrieb) oder einer hohlen Gelenkwelle (hohle Kardanwelle, siehe Gelenkwellenantrieb) angebracht sein. Gelenkwellenantrieb (»Kardanantrieb«) Gelenkantrieb (»Verzweigerantrieb«): Er enthält keine elastisch nachgebenden Bauelemente. Die radiale Beweglichkeit der verwendeten Kupplungen wird mittels Gelenk-Stab-Mechanismen mit starren Stäben erreicht.
Unterscheidung nach Einbauort und nach Einzel- bzw. Gruppenantrieb: Die die Treibachswelle umfassende, im Fahrzeugaufbau gelagerte Hohlwelle mit aufgesetztem Getriebe-Großrad kommt in allen nach Einbauort unterschiedenen Bauarten (Achsmotorantrieb, Tatzlagerantrieb und Gestellmotorantrieb) und ebenso bezüglich der Relation zwischen der Zahl der Treibradachsen und der Zahl der eingebauten Motoren (Einzelachsantrieb, Gruppenantrieb) vor. Der Achsmotorantrieb wird aber kaum noch verwendet und ein im Rahmen gelagerter Motor mit hohler Ankerwelle ist eine andere Bauart (siehe Andere Antriebe).
Federantrieb mini|links|Federantrieb, schematisch: Die zwei das Drehmoment übertragenden Federkupplungen (5) sind zur Kompensation der vertikalen Federung der Antriebseinheit (1 bis 4) radial nachgebend.
AEG-Blattfeder-Kupplung mini|hochkant=0.8|1903: AEG-Blattfeder-Kupplung 1903 verwendete die AEG bei Versuchsfahrten, bei denen schon schneller als 200 km/h gefahren wurde, eine Kupplung mit radial an den Hohlwellenenden angebrachten Blattfeder-Paketen (siehe nebenstehende Abbildung). Die kurzen, zwischen den Federspitzen und dem Treibrad kippbar eingefügten Druckstücke machten die radiale Bewegung zwischen der Hohl- und der Treibsatzwelle möglich.
Westinghouse-Federantrieb
mini|hochkant=1.6|Die Federkupplung von Westinghouse (links, 1912) und ihre Weiterentwicklung von Sécheron (rechts, für kleinere Räder, 1927) Der seit 1912 verwendete Westinghouse-Federantrieb war einer der ersten in Serie gebauten Hohlwellenantriebe. Seine Kupplungen (an jedem Ende der Hohlwelle eine) enthielten im Kreis angeordnete Schraubenfedern (siehe zweite der oben stehenden Abbildungen). Ihre axiale Nachgiebigkeit diente dem Dämpfen von Stößen in der Drehmomentübertragung und ihre Nachgiebigkeit quer dazu ergab die erforderliche radiale Beweglichkeit innerhalb der Kupplung.
Sécheron-Federantrieb Die gesamte Antriebseinheit von Westinghouse wurde ab 1922 von Sécheron in Genf in Lizenz gebaut und die Federkupplung wurde nach einiger Zeit weiterentwickelt. Die Schraubenfedern wurden außerhalb des Rades anstatt zwischen dessen Speichen angebracht. Somit konnten längere, d. h. weichere Federn verwendet oder die Räder verkleinert werden. Die Anwendung für kleinere Räder machte den Einsatz in Drehgestellen von Triebwagen möglich.
Der Antrieb wurde in der Schweiz erstmals bei den 1926 gebauten BLS Ae 6/8 und später bei den Be 4/4-Lokomotiven verwendet, die Anfang der 1930er Jahre an die Bodensee-Toggenburg-Bahn geliefert wurden. Eine weitere Anwendung war bei den Triebwagen CFe 2/4, die an die Emmentalbahn, Burgdorf-Thun-Bahn und die Solothurn-Münster-Bahn gelieferten wurden. In Österreich wurde der Antrieb bei den Baureihen 1045, 1145, 1245 und 1040 der Österreichischen Bundesbahnen eingesetzt.
Federtopfantrieb Bei den bisherigen Federantrieben wurden die Schraubenfedern in den Kupplungen bei radialer Ausgleichsbewegung quer gebogen (S-förmig, wenn an den Enden befestigt), wodurch sie bruchempfindlich waren. Eine Verbesserung wurde erreicht, als die radiale Bewegung andersartig ausgeglichen werden konnte.
Den Federn wurde an den Enden je eine hutförmige Kappe („Federtopf“) übergestülpt, sodass sie sich nur noch axial elastisch verformen können. Zusammen mit ihren beiden Töpfen bildet eine solche Feder jetzt lediglich einen elastisch verkürzbaren Stab. Die Stäbe befinden sich an ihren Enden querverschieblich in Mitnehmerlücken am Treibrad (oder am Großrad). Radial werden sie an im Großrad (oder am Treibrad) angebrachten Lagerböcken, in denen sie axialverschiebbar (tangentialverschiebbar bezüglich des Rades) sind, gehalten. In der gegenseitigen Mittellage der beiden Wellen (Hohl- und Treibrad) und Leerlauf (kein Antriebsdrehmoment) liegen die Stäbe an den Wänden der Mitnehmerlücken an. Bei gegenseitiger Auslenkung der Wellen bewegen sie sich in den Mitnehmerlücken, wobei sie (unabhängig von der Stabzahl, die i. d. R. 5 oder 6 ist) an einer Lückenwand anliegend bleiben und sich verkürzen. Am anderen Ende heben sie von der Lückenwand ab. Bei Drehmomentübertragung verkürzen sich zwei bzw. drei der Stäbe weiter und übertragen die Umfangskräfte. Die anderen Stäbe dehnen sich wieder aus. Nur bei kleiner Auslenkung und/oder großem Drehmoment können sie an ihren entgegengesetzten Enden anliegend bleiben oder wieder Kontakt aufnehmen und auch kleinere Umfangskräfte übertragen. Bei Drehmomentübertragung und Mittellage verkürzen sich alle Stäbe gleichsinnig und übertragen gleich große Umfangskräfte.Helmut Bendel u. a.: Die elektrische Lokomotive. transpress, 1981, Zeichnungen und Bewegungsschemata für den AEG-Kleinow-Federtopfantrieb auf Seite 327, Bild 19.4/17
Die ersten Federtopfkupplungen enthielt der Ende der 1920er Jahre entstandene „AEG-Kleinow-Federtopfantrieb“,: Beschreibung und drei Abbildungen mit dem die Deutsche Reichsbahn einige Prototypen und anschließend serienmäßig die Lokomotiven der Baureihen E 17 (ab 1928), E 04 (ab 1933), E 18 (ab 1935) und E 19 (ab 1938) ausrüstete.
In der Schweiz entstanden etwa zehn Jahre später mehrere der AEG-Lösung prinzipiell entsprechende Ausführungen (siehe nebenstehende Bildergalerie).
In anderen Ländern entstanden einfachere Lösungen. Die Federtöpfe entfielen und die Schraubenfedern wurden durch einen Zylinder aus Gummi ersetzt.
Gelenkantrieb (»Verzweigerantrieb«) mini|links|Gelenkantrieb, schematisch: Die zwei das Drehmoment übertragenden Gelenkkupplungen (5) sind zur Kompensation der vertikalen Federung der Antriebseinheit (1 bis 4) radial frei beweglich.