Technische Grundlagen

Lokomotiven und Triebwagen

Lokomotiven sind Triebfahrzeuge, die nur zur Erzeugung und Abgabe der Antriebsleistung dienen. In der Lokomotive sind daher die hierzu notwendigen maschinellen Anlagen, deren Hilfseinrichtungen und Bedienungsstände untergebracht. Ein typisches Beispiel für eine Lokomotive ist die Baureihe 1044.

 Bei Triebwagen kommt noch die Beförderung von Nutzlast im Triebfahrzeug hinzu. Dies kann sowohl in Form von Fahrgästen (Personentriebwagen) als auch Gepäck (Gepäcktriebwagen) oder auch von beiden bestehen. Ein typisches Beispiel für einen Triebwagen ist die Baureihe 4010. 

Zugkraft und Reibung

Die Zugkraft ist notwendig, damit eine Last entgegen den auftretenden Widerständen bewegt werden kann. Sie wird in Newton (N) bzw. Kilonewton (kN) angegeben. Auf der Schiene sind zum Bewegen einer Tonne in der Ebene etwa 30 bis 40 N notwendig. Für einen 1000-t-Zug sind also etwa 35 kN Zugkraft vom Triebfahrzeug aufzubringen.

 In Steigungsabschnitten müssen zusätzlich je Promille 10 N pro Tonne aufgebracht werden. Am Semmering mit 25 Promille Steigung benötigt man für einen 1000-t-Zug also etwa 25 * 10 * 1000 + 35000 = 285 kN Zugkraft.

 Die geforderte Zugkraft steigt weiter durch höhere Geschwindigkeit, engere Kurven und das eigene Gewicht der Lokomotive, die schließlich auch bewegt werden muß.

 Diese Zugkraft muß nun von der Rädern auf die Schiene übertragen werden. Die Reibung zwischen Rad und Schiene gestattet, etwa ein Viertel des Triebachsgewichtes zu übertragen. Das bedeutet zum Beispiel, daß eine 80-t-Lokomotive rund 200 kN auf die Schienen bringt. 

Wenn die erforderliche Zugkraft (siehe oben) größer ist als dieser sogenannte "Reibungswert", dann beginnen die Räder sich durchzudrehen. Man nennt das "Schleudern". Unsere 80-t-Lok könnte also den 1000-t-Zug nicht alleine über den Semmering ziehen. Deshalb bedient man sich in der Praxis oftmals mehrerer aneinandergekoppelter Lokomotiven, Doppeltraktion genannt oder man stellt eine Schiebelok an das Ende des Zuges. 

Geschwindigkeit und Leistung

Die Geschwindigkeit ist proportional zur Motordrehzahl, diese hängt von der dem Motor zugeführten Spannung ab. Hohe Spannung bedeutet also große Drehzahl bzw. hohe Geschwindigkeit und umgekehrt. Der Lokführer regelt die Geschwindigkeit, indem er verschiedene Spannungen an den Fahrmotor schaltet.

 Das Produkt aus Zugkraft und Geschwindigkeit ergibt die Leistung, die in Kilowatt (kW) angegeben wird. Die erforderliche Fahrzeugleistung in kW kann nach der Formel Leistung = (Zugkraft * Geschwindigkeit) / 3,6 berechnet werden (3,6 ist dabei der Umrechnungsfaktor der Geschwindigkeit von m/s auf km/h). 

Will beispielsweise unser 1000-t-Zug von vorhin mit 40 km/h über den Semmering fahren, so sind 285 * 40 / 3,6 = 3167 kW erforderlich. 

Bei der kW-Angabe einer Lokomotive ist zu bedenken, daß gewöhnlich die sogenannte Stundenleistung angegeben wird. Diese darf aus technischen Gründen (Überhitzung) maximal eine Stunde lang ausgenützt werden, was aber für das Durchfahren von Steigungen in aller Regel ausreicht. Die sogenannte Dauerleistung hingegen kann unbegrenzt gefahren werden. 

Antrieb und Achsfolge

Die Übertragung der Antriebskraft der Lokomotive zur Schiene wird durch das Laufwerk bewirkt. Man unterscheidet dabei zwischen sogenannten Trieb- und Laufachsen. Triebachsen sind angetrieben und übertragen Zugkraft auf die Schienen. Laufachsen hingegen dienen lediglich dazu, das Gewicht des Triebfahrzeugs auf mehr Achsen zu verteilen und damit den zulässigen Achsdruck nicht zu überschreiten.

 Heute werden praktisch nur noch Triebachsen eingebaut, damit das gesamte Fahrzeuggewicht der Zugkraftübertragung zugänglich gemacht werden kann. Die etwas schlechtere Führung wird durch Drehgestelle und Dämpfsysteme ausgeglichen.

 Zur Definition des Laufwerkes und der Verteilung von Trieb- und Laufachsen dient die Achsfolgekennzeichnung: 

  • Großbuchstaben stehen für Triebachsen, zum Beispiel B = 2 Triebachsen, C = 3 Triebachsen usw. 
  • Ziffern stehen für Laufachsen, zum Beispiel 1 = 1 Laufachse, 2 = 2 Laufachsen usw. 
  • Ist eine Achse nicht im Hauptrahmen, sondern beweglich gelagert, wird das durch ein Apostroph nach dem Zeichen ausgedrückt. 
  • Sind die Achsen einzeln angetrieben, schreibt man hinter dem Großbuchstaben ein kleines o. 
Eine früher typische Achsfolge war 1'C1', also je eine frei bewegliche Laufachse vorne und hinten und in der Mitte drei miteinander verbundene Triebachsen. Heute übliche Lokomotiven haben die Achsfolge Bo'Bo', also jeweils zwei einzeln angetriebene Achsen, die beweglich auf Drehgestellen gelagert sind.

 Die Antriebskraft des Motors wird über ein Getriebe auf die Räder übertragen. Man bezeichnet diese Teile kurz als "Antrieb". Dabei ist zwischen Stangen- und Einzelachsantrieb zu unterscheiden.

 Beim Stangenantrieb ist ein hochgelegener großer Motor vorhanden, der eine im Rahmen gelagerte Blindwelle (im Prinzip eine Achse, aber kein Rad) antreibt. Von dieser Blindwelle werden mittels Stangen die Verbindungen zu den eigentlichen Triebachsen hergestellt. In seiner Gesamtheit erinnert diese Antriebstechnik an die Dampflokomotiven.

 Beim Einzelachsantrieb wird die Fahrzeugleistung auf mehrere kleine Motoren aufgeteilt, die jeweils einer Triebachse zugeordnet sind. Diese Antriebe laufen ruhiger und wartungsfreier, außerdem kann bei Ausfall eines Motors die Lokomotive noch immer verwendet werden. 

Stromsystem

Durch das Stromsystem wird das Triebfahrzeug von außen mit elektrischer Energie versorgt. Ganz allgemein kann sowohl Gleich- als auch Wechselstrom verwendet werden.

 Die Österreichischen Bundesbahnen verwenden Einphasenwechselstrom mit 15000 Volt Fahrdrahtspannung und einer Frequenz von 16 2/3 Hertz. Die einzige Ausnahme stellt die schmalspurige Mariazellerbahn dar: 6500 V und 25 Hz.

 Das von den ÖBB verwendete Stromsystem kommt auch in Deutschland und in der Schweiz zum Einsatz. In Italien hingegen fährt man mit 3000 V Gleichstrom und in Ungarn bzw. der Slowakei mit 25000 V bei 50 Hz. Um den ziemlich umständlichen Lok-Wechsel an der Grenze zu vermeiden, hat man daher in den letzten Jahren begonnen, sogenannte Zweisystemlokomotiven für den grenzüberschreitenden Verkehr zu entwickeln. 

Transformator und Fahrmotor

Über den Stromabnehmer fließt der Strom von der Fahrleitung zum Hauptschalter, der zum betriebsmäßigen Ein- und Ausschalten des Triebfahrzeuges dient. Von dort fließt der Strom weiter zum Transformator.

 Der Transformator übersetzt den hochgespannten Fahrleitungsstrom (sogenannter Primärstrom) in den Sekundärstrom, mit dem die Fahrmotoren betrieben werden. Die Niederspannungswicklungen des Transformators besitzen mehrere Anzapfungen, die die unterschiedlichen Spannungen für die Motordrehzahl liefern.

 Der entnommene Strom wird über eine Umschalteinrichtung für den Fahrtrichtungswechsel den Fahrmotoren zugeführt. Von dort fließt der Strom zurück zum Transformator, der mit der Schiene (Erde) verbunden ist.

 Davon abweichend funktionieren die neuen Thyristortriebfahrzeuge wie die Reihen 1043 und 1044. Deren Transformator hat keine Anzapfungen mit verschiedenen Spannungen, sondern nur einen Ausgang mit der maximalen Motorspannung. Über den Thyristor, eine steuerbare Gleichrichterzelle auf Halbleiterbasis, kann stufenlos die Spannung von 0 Volt bis Maximum geregelt werden. Durch die neue Thyristortechnik ergibt sich eine wesentlich bessere Leistungsausnützung.

 Auch die neue Drehstromtechnik weist Besonderheiten auf. Bei den Baureihen 1063 und 1064 ist an die Sekundärseite des Transformators ein Gleichrichter geschaltet, der einen Gleichstromzwischenkreis mit konstanter Spannung speist. Dieser wiederum versorgt parallel geschaltete Wechselrichter mit dreiphasigen, also Drehstromausgängen. Die Steuerung dieser Wechselrichter erfolgt von Thyristoren.

 Wird ein elektrisches Triebfahrzeug elektrisch gebremst, dann können die Motoren als Generatoren wirken und über den Transformator Strom ins Netz zurückspeisen - ein aktiver Beitrag zum Stromsparen.

 Zur elektrischen Ausrüstung der Lokomotive zählen darüber hinaus noch Ventilatoren zur Kühlung, Ölpumpe und Ölkühler, ein Kompressor zur Drucklufterzeugung (Bremsen) und Beheizungseinrichtungen für Führerstand und Zug. 

Schutzeinrichtungen

Die beiden wichtigsten Schutzeinrichtungen, die hier kurz erläutert werden sollen, sind die Sifa und die Indusi.

 Die Sicherheitsfahrschaltung (Sifa) dient als Schutz gegen Unpäßlichkeit des Lokführers. Er muß dazu während der Fahrt maximal alle 30 Sekunden mittels Pedal oder Drücker Impulse geben. Bleiben diese Impulse aus, so ertönt nach einer bestimmten Zeit ein Summer, dann ein lautes Horn. Reagiert der Lokführer auch auf diese Signale nicht, wird eine Schnellbremsung des Zuges eingeleitet.

 Die zweite Schutzeinrichtung ist die induktive Zugbeeinflussung oder Indusi. Durch sie wird kontrolliert, ob die Stellung der Vor- und Hauptsignale berücksichtigt wird. Im Gleis verlegte Magnete, die durch die Signalstellung beeinflußt sind, wirken dabei auf einen Fahrzeugmagneten ein. Überfährt das Triebfahrzeug ungewollt das Signal "Halt" oder "Vorsicht", so wird ebenfalls sofort eine Notbremsung eingeleitet. Manchmal werden Indusi-Magneten auch an Stellen angebracht, wo aus anderen Gründen die Geschwindigkeit verringert werden muß.