mini|hochkant=1.5|Dampflokomotive mit Antrieb auf ersten Kuppelradsatz (Treibradsatz), die Zylinder sind für das ungehinderte seitliche Ausschwenken der Laufachse geneigt eingebaut; die Steuerung ist innenliegend mini|hochkant=1.5|Elektrolokomotive mit Winterthur-Schrägstangenantrieb der SLM. Die von der Vorgelegewelle ausgehende Treibstange greift hier nicht direkt am Kurbelzapfen eines Treibradsatzes, sondern an der zwei Radsätze verbindenden Kuppelstange an. mini|hochkant=1.5|Dampflokomotive Saxonia mit zwei gekuppelten Radsätzen und Innentriebwerk, der mittlere Radsatz ist der Treibradsatz, die Zylinder liegen unter der Rauchkammer vor der ersten Achse; den Stehkessel stützt eine zusätzliche (Laufachse)
Der Stangenantrieb ist eine Form der Kraftübertragung vom Antrieb wie dem Zylinder bei dampfbetriebenen oder dem Fahrmotor bei elektrischen und thermischen Triebfahrzeugen auf die Treibradsätze.
Bei klassischen Kolbendampflokomotiven (siehe nebenstehend obere Abbildung) wird die Hin- und Herbewegung der Kolben im Zylinder durch Zwischenschalten von Treibstangen (Schubstange) in eine Drehbewegung des Treibradsatzes umgeformt.
Bei elektrischen und thermischen Triebfahrzeugen findet keine Umformung der Bewegungsart statt. Der Motor, die Getrieberäder und die Treibräder führen vollständige Drehungen aus. Anstatt für die Übertragung zwischen Motor und Treibrädern weitere Zwischenzahnräder zu benutzen, werden hier auch TreibstangenAn jeder Fahrzeugseite vervollständigt je eine Treibstange ein Stangengetriebe. Diese Verdopplung ist erforderlich, damit momentane Totlagen (Drehlagen, in denen die Antriebskraft nicht übertragen wird) des einen Getriebes von der momentanen Lauffähigkeit des anderen ausgeglichen wird. Diese Verdopplung wird sowohl beim Antrieb von einem Dampfzylinder aus (Schubkurbel) als auch beim Antrieb von einer Welle aus (Doppelkurbel) angewendet. verwendet. Eine solche kann nämlich die Richtung zwischen ihren Anlenkpunkten ohne Nachteil leicht ändern und somit die Relativbewegung zwischen Antriebswelle und Treibradwelle infolge der Federung des Fahrzeugrahmens ausgleichen. Sie ist nur leicht schräg (siehe nebenstehend untere Abbildung: Schrägstangenantrieb) angeordnet, bewegt sich also vorwiegend horizontal, d. h. vorwiegend senkrecht zur vertikalen Federung und leitet somit deren gelegentliche ruckartige Bewegung nicht zum Fahrzeugaufbau weiter.
Der Stangenantrieb wurde außer zur Verbindung mit der Kraftmaschine von Anfang an auch zur gegenseitigen Verbindung von Treibradsätzen verwendet (siehe nebenstehende dritte Abbildung). Man spricht in diesem Fall von einem Gruppenantrieb. Durch die vermehrte Kraftübertragung über weitere Räder wurde die Gefahr des Durchrutschens auf den Schienen (Schleudern) gemildert.
Andere Möglichkeiten als die Kraftübertragung mittels Stange sind Gruppenantriebe mit Kupplung der Radsätze durch Zahnradgetriebe oder Einzelachsantriebe mehrerer Radsätze mit je eigenem Motor.
Begriffe und Funktionen Der nachfolgend angewendete Begriff …lokomotive gilt sinngemäß auch für Triebwagen und generell auch für Triebfahrzeuge, bei denen eine Drehbewegung in eine andere Drehbewegung umgesetzt wird, also auch für thermische Kraftmaschinen (klassische Dampflokomotiven), deren eindimensionale Bewegung in eine Drehbewegung umzusetzen ist. Die verschiedenen Ausführungen des Stangenantriebs sind Beispiele für technischen Gebilde, die im Allgemeinen Getriebe oder Mechanismen genannt werden. In der Eisenbahntechnik haben die Mechanismen und ihre Einzelteile oft eigene Namen, denen in der folgenden Abhandlung die im Maschinenbau allgemein benutzten Bezeichnungen beigefügt werden.
Treibradsatz (in der Schweiz Triebradsatz) oder Treibachse (in der Schweiz Triebachse): Diese Bezeichnung ist insbesondere bei Dampflokomotiven für den direkt angetriebenen Radsatz üblich und wurde bei den wenigen Diesel- und elektrischen Lokomotiven mit Stangenantrieb übernommen.Die Bezeichnung Treibradsatz wird aber auch bei Diesel- und elektrischen Lokomotiven mit anderem als Stangenantrieb für angetriebene Radsätze (Gegenteil: Laufradsatz) verwendet. Bei Drei- und Vierzylindermaschinen können Außen- und Innenzylinder auf unterschiedliche Radsätze wirken, so dass es in diesen Fällen zwei Treibradsätze gibt. Ein Treibradsatz fällt gegenüber einem Kuppelradsatz (s. u.) durch die stärkeren und fallweise auch längeren Treibzapfen an den Rädern und die massiveren Kuppelstangen (s. u.) auf, weil mit ihnen die gesamte Antriebsleistung zu übertragen ist. Die Ausgleichsmassen in den Radsternen sind wegen der größeren Masse der Treibstangen ebenfalls größer.
Kuppelradsatz oder Kuppelachse: Ein Kuppelradsatz ist ein von einem Treibradsatz über Kuppelstangen (s. u.) indirekt angetriebener Radsatz. Sein Antrieb kann auch von einer Blindwelle (s. u.) aus erfolgen.
Treibstangen (in der Schweiz Triebstangen) (Koppel, Schubstange in einer Schubkurbel, s. u.) verbinden die Kraftmaschine mit dem Treibradsatz. In der Frühzeit des elektrischen Eisenbahnbetriebes wurden die Fahrmotoren aus Platz- und Wartungsgründen oberhalb des Fahrzeugrahmens eingebaut, damit wurden für den Ausgleich des Höhenunterschiedes schräg verlaufende Treibstangen erforderlich (Schrägstangenantrieb, s. u.). Im Gegensatz zu Kolbendampflokomotiven mit geneigt angeordneten Zylindern, bei denen sich das Federspiel durch eine geringfügige Vergrößerung des schädlichen Raumes ausgleichen lässt, erfordert die Übertragung der Rotationsbewegung eines Elektromotores die Zwischenschaltung einer auf Achslagerhöhe im Rahmen gelagerten Blindwelle. Der Mechanismus zur Umwandlung einer Schiebebewegung in eine Rotation heißt allgemein Schubkurbel Der Mechanismus zur gegenseitigen Umwandlung von Rotationen heißt allgemein Doppelkurbel.
Kuppelstangen (Koppel) verbinden die Räder zweier Radsätze miteinander. Ihre Funktion ist prinzipiell gleich wie die einer Treibstange. Der Mechanismus zur gegenseitigen Umwandlung von Rotationen ist hier eine Sonderausführung einer Doppelkurbel mit der allgemeinen Bezeichnung Parallelkurbel. Dieser elegante Mechanismus hat den Nachteil, dass er mit großer Genauigkeit gefertigt und montiert werden muss, um in Strecklage nicht zu klemmen.
Die Kuppelstange kann am Kurbelzapfen der Antriebswelle oder der Blindwelle befestigt sein und treibt die Kuppelachsen an. Kuppelstangen können einen mit der Treibstange gemeinsamen Treibstift haben. Im Einzelfall Winterthur-Schrägstangenantrieb trägt die Kuppelstange den Treibstift für die Treibstange (siehe unten).
mini|hochkant=1.5|Doppellokomotive der Pennsylvania Railroad, 1911; Jeder der zwei Fahrmotoren wirkte mit beidseitigen Schrägstangen auf eine Blindwelle, diese mit Treibstangen auf den Treibradsatz und weiter mit Kuppelstangen auf einen Kuppelradsatz Als VorgelegewelleAls Vorgelege wird im Allgemeinen eine zusätzliche Zahnradstufe in einem Getriebe bezeichnet, mit deren Hilfe die Motordrehzahlen kleiner, schnelllaufender Motoren auf die erforderlichen Drehzahlen der Radsätze reduziert wird. wird die Ausgangswelle des Rädergetriebes bezeichnet, das sich zwischen Motor und Kurbel der die Radachsen antreibenden Stange befindet.
Eine Blindwelle ist eine zusätzliche, zwischen der Antriebswelle und dem Treibradsatz eingefügte Welle. Der Antriebsmechanismus wird um zwei Teile (Blindwelle und eine weitere Antriebsstange) erweitert. Eine Blindwelle gehört in der Regel zur gefederten Masse.
Massenausgleich: Bei stangengetriebenen Diesel- und elektrischen Lokomotiven ist der Massenausgleich wegen des Rotierens ihrer Kraftmaschinen durch an Wellen und Rädern mitrotierende Ausgleichsmassen nahezu vollständig erreichbar, bei Dampflokomotiven mit Zweizylindertriebwerk und den hin- und herbewegten Massen von Kolben und Kolbenstangen dagegen nur bis zu einem bestimmten Grad möglich. Die Stangen und Ausgleichsmassen der Gegenseite tragen dazu nichts bei, da die gegenseitig verdrehte Anlenkung (Kurbelversatz, s. u.) an den beiden Rädern einer Treibachse nicht 180°, sondern 90° ist. Bei Dreizylinderlokomotiven mit etwa 120° Kurbelversatz ist der Masseausgleich deutlich besser zu lösen, bei Vierzylinderlokomotiven ist ein nahezu vollständiger Ausgleich der hin- und hergehenden Massen erzielbar, allerdings um den Preis eines wartungsaufwändigen und schlecht zugänglichen Innentriebwerks.
Kurbelversatz: Treib- und Kuppelstangen können nur eine in Stangenrichtung wirkende Kraft auf die Kurbelzapfen der Räder übertragen. Der Übertragungswinkel ist optimal (μ = 90°), wenn die Stange am Rad in Umfangsrichtung angreift. Wenn er mehr als halbiert wird (μ < 45°)Man rechnet immer mit dem kleineren der beiden aneinanderliegenden Winkel, deren Summe 180° ist., ist er praktisch nicht mehr ausreichend groß. Bei μ = 0° ist überhaupt keine Kraftübertragung mehr möglich. Der Mechanismus befindet sich jetzt in einer Totlage. Zum Vermeiden dieses Mangels sind die Kurbeln auf beiden Seiten in Umfangsrichtung i. d. R. gegeneinander um 90° bzw. 270° versetzt, so dass immer eine Seite einen ausreichenden Übertragungswinkel hat. Eine Totlage kann immer nur einer der beiden Antriebe einnehmen. Bei Dreizylinderdampflokomotiven wurde 120° Versatz gewählt. Das ist günstiger als beim Zweizylindertriebwerk, denn der praktisch wirksame Versatz tritt mehrmals mit 60° auf (beim Zweizylindertriebwerken mehrmals 90°). In einer Totlage steht hier immer nur einer von drei Zylindern.
Dampflokomotiven und Dampftriebwagen Bei Dampflokomotiven werden bis auf seltene Ausnahmen immer Treib- und Kuppelstangen zur Kraftübertragung verwendet, der Stangenantrieb ist hier praktisch Standard. Weitere Einzelheiten siehe in Dampflokomotive. Die Entwicklung von Einzelachsantrieben kam für Dampflokomotiven zu spät, damit wurden nur wenige Prototypen ausgerüstet.
Elektrische und thermische Lokomotiven und Triebwagen mini|Doppellokomotive DD 1 der Pennsylvania Railroad (PRR), 1911 Die ersten größeren, mit Diesel- oder Elektromotoren angetriebenen Lokomotiven hatten zur Kraftübertragung vom Fahrmotor zu den Treibradsätzen und zum Ausgleich des Federspieles meist ein Gestänge, üblicherweise eine oder mehrere Treib- und Kuppelstangen. Mit dem Aufkommen hydraulischer und elektrischer Kraftübertragungen bezeichnete man die Lokomotiven mit Stangenantrieb zur begrifflichen Abgrenzung auch als Stangenlokomotiven.
Schrägstangenantriebe Schrägstangenantrieb mit hochliegendem Motor mini|hochkant|links|DR-Baureihe E 52, eine Stangen-Elektrolokomotive der DR mit Schrägstangen auf Blindwellen mini|hochkant|SBB Be 4/6 12303-12342, eine Stangen-Elektrolokomotive der SBB mit flachen Schrägstangen auf Triebachsen Die ersten leistungsfähigen Elektrolokomotiven (insbesondere bei Wechselstrom) besaßen langsamlaufende Repulsionsmotoren. Diese nahmen wegen ihrer Größe nahezu den ganzen Querschnitt des Lokomotivkastens ein. Für die Übertragung der Antriebskraft wurden vielfach in einem Winkel von ungefähr 45° angeordnete Treibstangen angebracht. Es gab aber auch Lokomotiven mit fast senkrechten Treibstangen.Die Treibstangen übertrugen die Kraft in den meisten Fällen auf eine auf Höhe der Achslager liegende Blindwelle, von der die Kraft mittels Kuppelstangen auf die benachbarten Radsätze übertragen wurde. Beispiele dafür sind die Preußische EP 235 oder die DR-Baureihe E 06. Auch nach der Einführung von kleineren, schnelllaufenden Gestellmotoren in Verbindung mit Vorgelegegetrieben wurde die Anordnung beibehalten, beispielsweise bei den Lokomotiven der DR-Baureihe E 52 und den Ge 2/4 (vor Umbau) der RhB.
Flacher Schrägstangenantrieb
Dieser Antrieb ist ebenfalls ein Antrieb mit zwei Fixpunkten, die aber fast bis ganz horizontal gelegt sind. Die Vorgelegewelle treibt dabei die Treibachse ohne Zwischenelement an. Beispiele dafür sind Fb 2x2/3 11302 der SBB, Be 4/6 12303-12342 der SBB und die Dampfturbinenlokomotive DR-Baureihe T 18.10.
Winterthur-Schrägstangenantrieb