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Elektrolokomotive: Buchli-Antrieb

Inhalt

1. Einleitung
2. Die Funktion des Buchli-Mechanismus
3. Anwendung des Buchli-Mechanismus

1. Einleitung

Als Buchli-Antrieb wird eine besondere, von Jacob Buchli konstruierte Verbindung eines Elektromotors mit einem Triebrad einer elektrisch angetriebenen Lokomotive bezeichnet. Die Verbindung (Kupplung) geschieht nicht auf direktem Wege, sondern über einen Mechanismus, der das Auf- und Abfedern der Triebachse erlaubt, obwohl der relativ schwere Elektromotor auf dem Fahrgestell (Lokomotivkasten) fest montiert ist. Der Motor ist auf diese Weise nicht wie die Triebachse den vom Gleis ausgehenden Stößen und Schlägen ausgesetzt. Er ist den sogenannten gefederten Massen zugeschlagen, während die Triebachse eine sogenannte ungefederte Masse bleibt.
Von Straßenfahrzeugen kennt man dieses Prinzip und die zugehörenden Begriffe besser, da diese i.d.R. immer gefedert sind.

Abb.1 drei Buchli-Antriebe an einer Elektrolok (SNCF 2D2 5516), mittlerer Antrieb ohne Verkleidungen, [Wikipedia]

Abb.2  1:5-Modell des BBC-Zahnsegmentantriebs (Buchli-Antrieb), Lok-Ausschnitt (SBB Ae 14/7), [Rudolf Hürlimann]
            BBC = Brown, Boveri & Cie, Schweiz
Abb.3   Buchli-Antrieb: Zeichnung aus US-Patent (patentiert 1919), [US1298881]
            c = Großrad (Zähne nicht gezeichnet); z = eine Kurbel mit Zahnsegment;
            s = eine Koppel; h = Triebrad; a = Welle des Großrades; b = Hohlachse des Triebradsatzes;
            e = halber möglicher Hub des Triebrades

Abb.4  Triebrad mit 2 Lagerbolzen für den Anschluß
            der 2 Koppeln des außen liegenden
            Buchli-Mechanismus und
            Hohlachse mit Hublager-Innenteil ("Stein");
            [R.Hürlimann]


↑ ↑ Abb.5  Triebrad, Außenseite
                 mit Lagerbolzen mit Kugelkopf;   [R.Hürlimann]


2. Die Funktion des Buchli-Mechanismus

Die beiden Räder (Trieb- und Großrad) liegen aufeinander, haben aber keine gemeinsame sondern je eine eigene Drehachse. Ihre parallelen Achsen bewegen sich radial gegeneinander, also in zwei Richtungen. Ihre zueinander relative Beweglichkeit hat den Beweglichkeits- oder Laufgrad F = 2. Die Großrad-Achse ist im Fahrgestell fix, während sich die Triebradachse auf- und abbewegt. Liegen die beiden Koppeln horizontal, so schwenken sie an den momentan unbewegten Kurbeln am Großrad auf und ab und ermöglichen so die vertikale Bewegung der Triebachse. Imnn der anderen Sonderlage - die Koppeln liegen momentan vertikal - schwenken die Kurbeln am Großrad, und die Koppeln bewegen sich gemeinsam mit dem Triebrad auf und ab.

Beim Übertragen des Drehmomentes vom Großrad auf das Triebrad schiebt eine Koppel, und die andere zieht am Triebrad. Der Mechanismus hat aber ohne die gegenseitige Kopplung der Kurbeln eine zu große Bewegungsfreiheit. Er ist nicht zwangläufig, die Gestänge würden sich unkontrolliert bewegen. Die Verzahnung reduziert dieses zu viel an Beweglichkeit und führt zum Laufgrad F = 2. Der Laufgrad muss F = 2 sein, weil der Buchli-Mechanismus zwei Antriebe (an zwei verschiedenen Gliedern) hat: Das Großrad wird vom Motor angetrieben (gedreht), und das Triebrad wird von der Federung "angetrieben" (es wird auf- und abbewegt).

Abb.6  Buchli-Mechanismus: Laufgrad-Bestimmung
           formale Darstellung: Räder nebeneinander

Die Beweglichkeit in einem Mechanismus lässt sich mit einer Gleichung, nämlich der Grübler'schen Gleichung ausdrücken. Der gewünschte Laufgrad kann durch Anwenden dieser Gleichung kontrolliert werden.

Die Grübler'scheGleichung lautet für einen ebenen Mechanismus (ebenes Getriebe):
F = 3·(n -1 - g) + c + 2·d
n = Zahl der Glieder, g = Zahl der Gelenke,
c = Zahl der Gelenke mit Bewegungsfreiheit f = 1,
d = Zahl der Gelenke mit Bewegungsfreiheit f = 2.

Zahlen für den Buchli-Mechanismus:
n = 8  (Großrad, 2 Kurbeln, 2 Koppeln, Triebrad, Gleitstein, Fahrgestell),
g =10 (Fahrgestell/Großrad, Großrad/Kurbel (2x), Kurbel/Kurbel, Kurbel/Koppel (2x), Koppel/Triebrad (2x),
          Triebrad/Gleitstein, Gleitstein/Fahrgestell),
c = 9  (alle Gelenke außer Kurbel/Kurbel),
d = 1  (Kurbel/Kurbel (f=2 = Gleiten+Schwenken zwischen den Zähnen)).

Kontrollrechnung:
F = 3·(8-1-10) + 9 + 2·1 = -9 +9 +2 = 2 ;       F = 2     qed.


3. Anwendung des Buchli-Mechanismus

Der Buchli-Antrieb wurde in der ersten Hälfte des letzten Jahrhunderts gebaut und bis etwa zum Ende des Jahrhunderts benutzt. Mit seiner Hilfe wurden vorwiegend die von den Schienen herrührenden Stöße und Schläge von den Motoren schnellfahrender Loks - d.h. Reisezugloks - ferngehalten. Bei Fahrgeschwindigkeiten über 150 km/h wirkten sich aber die nicht gleichmäßig über den Umfang verteilt bleibenden Kurbeln und Koppeln im Mechanismus ungünstig aus. Diese ungleiche Massenverteilung führte wie eine fixe ungleiche Masseverteilung in rotierenden Körpern zu Unwuchten und war in der Folge davon eine Quelle unerwünschter Schwingungen. Eine diesbezügliche Verbesserung wurde mit dem sogenannten SLM-Universalantrieb (Schweizerische Lokomotiv- und Maschinenfabrik), den ebenfalls Buchli entworfen hatte, erreicht.

Abb.7  SLM-Universalantrieb
           Großrad innen zwischen den Triebrädern
           in dessem Inneren eine sog. Kreuzkupplung
           (Funktionspinzip: Oldham-Kuplung)     [Wikipedia]

In der Regel hatte jede Triebachse einen eigenen Antrieb (Einzelantrieb) mit Bucheli-Mechanismus. Dieser war meistens außerhalb des mit ihm gekoppelten Triebrads angebracht. Eine doppelte Abstützung der Großradachse durch die Triebachse hindurch wurde entgegen der Skizze in Abb.3 offensichtlich nicht vorgenommen (s. Abb.5: das Triebrad ist nicht durchbohrt). Das Großrad war fliegend gelagert.
Es gab aber auch innenliegende Buchli-Mechanismen, wobei das Großrad-Lager am Gestell sehr großen Durchmesser hatte, denn durch sein Zentrum führte berührungsfrei die vertikal schwingende Triebachse.
Es kam auch vor, dass von einem Motor aus beide Triebräder einer Achse mit Hilfe von zwei Mechanismen angetrieben wurden. Eine weitere Lösung waren zwei Motoren und zwei Mechanismen pro Triebachse. Wegen der Überbestimmtheit (zu kleiner Laufgrad) waren die Ritzel drehelastisch mit den Motoren verbunden.

Die Koppeln waren immer an beiden Enden mit Kugelgelenken angeschlossen, damit kein Verklemmen auftreten konnte, wenn die Triebachse sich gegenüber dem Gestell quer neigte. Der Mechanismus war somit immer ein räumliches Getriebe, nicht ein ebenes, wie in obiger vereinfachter Betrachtung. Die Grübler'sche Gleichung hat dafür die Form:
F = 6·(n -1 - g) + c + 2·d + 3·e
e = Zahl der Gelenke mit Bewegungsfreiheit f = 3   (mit 4 Kugelgelenken ist e = 4)
d = 2 (der Gleitstein gleitet und schwenkt senkrecht zur Gleitbahn)
c = 4 (5 weniger als vorher)
Kontollrechnung:
F = 6·(8-1-10) + 4 + 2·2 + 3·4= -18 +4 +4 + 12 = 2 ;       F = 2     qed.

LogoSW Siegfried Wetzel, CH 3400 Burgdorf, November 2020

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