Die Lentz-Ventilsteuerung an Lokomotiven. Von Dr.-Ing. Max Osthoff, Reg.-Baumeister in Duisburg. Die Lentz-Ventilsteuerung an Lokomotiven. Die vorliegende Arbeit behandelt die Einführung der dem Zivilingenieur H. Lentz in Berlin patentierten Ventilsteuerung in den Lokomotivbau. Lokomotiven mit Ventilsteuerung werden seit einiger Zeit von der Hannoverschen Maschinenbau-Aktien-Gesellschaft (H.M.A.G.) vorm. Georg Egestorff in Linden vor Hannover gebaut. Näheres hierüber findet sich in dem Aufsatz von Metzeltin in der Zeitschrift des Vereins Deutscher Ingenieure (Z.d.V.D. Ing.) 1906, No. 17,21 u. 22. Bei dem Entwurf für mit Ventilsteuerung neu zu bauende Heißdampflokomotiven mit Zwillingswirkung der preußischen Staatsbahnen und zwar für die D (4/4 gek.Es ist hier die neue Bezeichnungsweise der Räder- bezw. Achsenanordnung gewählt, weil dieselbe nicht nur über die Anzahl, sondern auch die Stellung der Lauf- bezw. Treibachsen Aufschluß gibt also vollständig eindeutig ist.) Heißdampf-Güterzuglokomotive von der Gattung G8 wurde in Linden die gesamte Ventilsteuerung einer eingehenden Untersuchung unterzogen, welche im ersten Teil der Arbeit dargestellt ist. Textabbildung Bd. 324, S. 145 Fig. 1. Kolbenschieber. Bei dieser Gelegenheit zeigte es sich, daß das rein zeichnerische Verfahren zur Ermittelung der Ventilbewegungsverhältnisse äußerst unzuverlässig ist. Es wurde daher von mir, teilweise unter Benutzung der Veröffentlichungen von Prof. W. Hartmann in Berlin das im zweiten Teil der Arbeit entwickelte kinematische Verfahren ausgearbeitet, welches für die verschiedenen Arten des Ventilantriebes die Ventilbeschleunigung und damit die erforderliche Federspannung leicht und genau bestimmen läßt. 1. Allgemeine Beschreibung der D (4/4 gek.) Heißdampf-Güterzuglokomotiven mit Kolbenschieber- und Lentz-Ventilsteuerung. Für den Entwurf der Heißdampflokomotiven mit Lentz-Ventilsteuerung war von der preußischen Staatseisenbahnverwaltung vorgeschrieben, daß mit Rücksicht auf die bereits in großer Zahl mit Kolbenschieber ausgeführten Heißdampflokomotiver möglichst wenig Aenderungen an diesen Lokomotivgattungen vorgenommen werden sollten. Die heutige Ausführung der D (4/4 gek.) Heißdampf-Güterzuglokomotiven mit Schmidtschen Rauchkammerüberhitzern von der Gattung G8 zeigt folgende Hauptabmessungen: Zylinderdurchmesser   600 mm Kolbenhub   660 mm Raddurchmesser 1350 mm Dampfdruck „p“     13 atm. abs. Ueberhitzung   350° Celsius Heizfläche   132,3 m2 Ueberhitzerheizfläche     31,7 m2 Gesamtheizfläche   164,0 m2 Rostfläche       2,25 m2 Radstand 4500 mm Größte Geschwindigkeit Vmax     50 km/St. Dienstgewicht 54950 kg Diese Lokomotiven besitzen Heusinger-Steuerung in Verbindung mit dem bekannten Schmidtschen KolbenschieberNeuerdings werden von Schmidt auch Kolbenschieber mit federnden Ringen gebaut., welcher sich ohne federnde Dichtungsringe in geheizten Büchsen bewegt. In Fig. 1 ist der Kolbenschieber zur Hälfte dargestellt. Er besitzt innere, doppelte Einströmung und einfache Ausströmung. Sein Durchmesser beträgt bei allen Gattungen der preußischen Heißdampflokomotiven 150 mm. Für die Heißdampf-Ventillokomotiven wurde die Heusinger-Steuerung mit einigen Abänderungen als Umsteuerung beibehalten. Dieselbe hebt die nebeneinander befindlichen vier Ventile mit lotrechter Achse (in Fig. 2 ist eine derjenigen der Güterzuglokomotive ganz ähnliche Steuerung dargestellt) vermittels einer wagerecht hin- und herbewegten, mit Hubkurven versehenen Stange, der sogenannten Nockenstange. Geschlossen werden die Ventile durch eine darüber befindliche Schraubenfeder. Da die Auslaßventile nicht unabhängig von den Einlaßventilen bewegt werden können, so ist hier dieselbe Abhängigkeit zwischen Vorausströmung und Kompression einerseits und Voreinströmung und Expansion andererseits, genau wie bei einern gewöhnlichen Schieber vorhanden. Wollte man für alle Füllungen gleich große Vorausströmung und Kompression, wie bei ortsfesten Dampfmaschinen, so müßte noch eine zweite Nockenstange mit besonderem Antrieb angebracht werden, wodurch eine sehr verwickelte und demgemäß für eine Lokomotivsteuerung unzulässige Bauart entstehen würde. Man erkennt aus Fig. 2 ohne weiteres, daß die Ventilsteuerung sich äußerst einfach gestaltet und nicht mehr Platz beansprucht als eine gewöhnliche Schiebersteuerung. Dies ist einer der größten Vorzüge der Lentz-Ventilsteuerung. Textabbildung Bd. 324, S. 146 Fig. 2. Anordnung der Ventilsteuerung. 2. Untersuchung der Heusinger-Kolbenschiebersteuerung mit Hilfe von Schieberellipsen. Um für den Neubau der D (4/4 gek.) Heißdampf-Güterzuglokomotive mit Ventilsteuerung die nötigen Unterlagen zu erhalten, wurde zunächst die Kolbenschiebersteuerung (Fig. 3) mit Hilfe des Zeuner-Diagramms einer Untersuchung unterzogen. Dieses Diagramm wurde deshalb gewählt, weil es sich mit Hilfe des Zeunerschen Schieberkreises äußerst einfach für ganz bestimmte Füllungen, wie dieselben am Steuerungsbock mit einer Abstufung von 10 zu 10% eingeschlagen sind, verzeichnen läßt. Aus den bekannten Größen, dem linearen Voreilen v und der äußeren Deckung a findet man den halben Ausschlag rk des Kreuzkopfes bzw. der Hauptkurbel am Schieber gemessen. Derselbe ist konstant, rk = a + v. Durch die beiden Endpunkte von rk und die jeweiligen Punkte des äußeren Deckungskreises (Fig. 4b), durch welche die den betreffenden Füllungen entsprechenden Strahlen, welche gegen die Kolbenweglinie um ganz bestimmte Winkel geneigt sind, hindurchgehen, sind unter Voraussetzung unendlich langer Schubstange die Zeunerschen Schieberkreise bestimmt. Die Kolbenweg-Linien sind für alle Füllungen die lotrechten Durchmesser in Richtung von rk. Die Konstruktion des Füllungsstrahles ist weiter unten auf Seite 148 angegeben. Ein derartiger Schieberkreis, wie solche für 25, 40, 50 und die größte Füllung von 70% in Fig. 4b angegeben sind, schneidet auf dem zu rk lotrecht stehenden Halbmesser eine Strecke rc ab. In Fig. 4b ist dieselbe für 40% Füllung mit rc40 bezeichnet. Da der Kreuzkopf bzw. die Hauptkurbel, und die Kulisse bzw. Gegenkurbel um 90° gegeneinander versetzt sind, so stellt rc den am Schieber gemessenen wagerechten Ausschlag des Kulissensteines dar. Auch wenn, wie in Fig. 5 angegeben, die Hauptkurbel und Gegenkurbel um einen Winkel 90-γ gegeneinander versetzt sind, so ist der Winkel zwischen rk und rc im Diagramm Fig. 4b doch stets 90°, weil die Kulissenmittellage (Fig. 5) lotrecht zu den Hauptkurbeltotlagen Tv – Th ist, und in diesem Augenblick die Gegenkurbel lotrecht zu ihren Totlagen Tv' – Th' steht. Benutzt man noch (Fig. 3) die Beziehungen: 1. r_k=a+v=R\cdot \frac{n}{m+n}, 2. wagerechter Ausschlag des Kulissensteines 2\,p=2\,r\cdot \frac{u}{c}, 3. senkrechter Ausschlag des Kulissensteines 2\,u=28\cdot \frac{g}{h}\cdot \frac{k}{0}, worin 2s gleich dem Hub der Steuerschraube, k = BE und o = BD ist, so lassen sich die äußeren geometrischen Abmessungen eine neu zu entwerfenden Heusinger-Steuerung leicht ermitteln, sobald man in die obige Formeln die Werte einsetzt, welche der größten Füllung entsprechen. Vereinigt man rk und rc nach dem Parallelogramm der Bewegungen (Fig. 4b), so hat man in r_r=\sqrt{r_k^2+r_e^2} den Halbmesser des resultierenden Exzenters. Ein einfaches Exzenter mit diesem Halbmesser rr, welches unmittelbar am Schieber angreift, ersetzt für die betreffende Füllung die ganze Steuerung. Das Zeuner-Diagramm wird (Fig. 4b) in der bekannten Weise vervollständigt. Da der Kolbenschieber für Einlaß doppelte Einströmung besitzt, so werden die Strahlen, welche die Einstömöffnungen darstellen, mit 2 multipliziert, wie dies in Fig. 4b z.B. für die größte Füllung geschehen ist. Textabbildung Bd. 324, S. 146 Fig. 3. Steuerungsschema der D (4/4 gek.) Güterzug-Heißdampflokomotive. Im Zeuner- und ebenso im Müller-Diagramm sind die Schieberöffnungen auf den Kurbelwinkel bezogen dargestellt. Um die Dampfgeschwindigkeiten in den Steuerungsorganen zu berechnen, müssen wir entweder die Kolbengeschwindigkeiten auch auf den Kurbelwinkel beziehen, oder besser und übersichtlicher, die Schieberöffnungen auf den Kolbenweg beziehen. Sobald die Schieberöffnungen, deren Kurve man nach bekanntem Verfahren punktweise konstruieren kann, für mehrere Füllungen, wie in unserem Falle, zu ermitteln sind, ist es zweckmäßig, dieselben mit Hilfe der vollständigen Schieberellipsen nach dem im folgenden dargestellten Verfahren zu bestimmen. Die Konstruktion der Schieberellipse, z.B. für 40% Füllung, möge an den Fig. 6a und 6b erläutert werden. Durch die Punkte A und B der Fig. 6a, welche den Kolbenendstellungen entsprechen und welche von dem wagerechten Durchmesser den konstanten Abstand rk = a + v besitzen, gehen sämtliche Ellipsen, da bei konstantem linearen Voreilen v die Scheitelkurve der Heusinger-Steuerung eine Gerade ist. Die Gerade AB, welche die Projektion sämtlicher resultierenden Durchmesser und zugleich die Ellipse für Null-Füllung darstellt, ist also ein allen Ellipsen gemeinsamer Durchmesser. Textabbildung Bd. 324, S. 147 Fig. 4a u. 4b. Heusinger-Kolbenschiebersteuerung. Die Richtung der zu AB konjugierten Durchmesser aller Ellipsen ist C'D', weil die Tangenten in A und B parallel C'D' sind. Betrachten wir 2rr = EN (Fig. 6b) als Kolbenweglinie, so stellt AB (Fig. 6a) die Projektion von EN dar. Drehen wir EN um einen Viertelkreis = 90° nach rechts, so daß OE nach OP gelangt, so rückt der Kolben nach links in die Mitte seines Hubes, in Stellung C'D'. Die Projektion m von OP liefert die Länge 2m = 2O'D = CD des konjugierten Durchmessers für die betreffende Füllung. Nach Hütte 1902, S. 97, finden wir die Brennpunkte der Ellipse, indem wir m von A aus auf dem Lot AM nach H und G abtragen, den Winkel HO'G halbieren, auf der Halbierungslinie (Richtung der großen Achse) in O' das Lot (Richtung der kleinen Achse) errichten, bis zum Schnittpunkt J mit dem Lot in A und von J aus mit JG = JH einen Kreisbogen schlagen. Dieser schneidet die große Achse in den Brennpunkten F und F'. Mit Hilfe eines lose zu einer Schleife geknoteten Fadens, welche sich noch leicht auseinanderziehen bzw. mit Hilfe der überstehenden Enden zusammenziehen läßt, zieht man die Ellipsen um F und F'. Das Verfahren ist so genau, daß die Ellipse durch die sieben schon bekannten Punkte (A, B, D, C, Ex und die beiden Berührungspunkte der wagerechten Tangenten) scharf hindurchgeht. Nicht berücksicht sind hierbei die Fehler, welche durch die endlichen Stangenlängen hervorgerufen werden. Doch weichen bei zweckmäßiger Lage (die in der Regel am Steuerungsmodell in natürlicher Größe ermittelt wird) des Angriffspunktes J (Fig. 3 u. 5) der Exzenterstange an der Kulisse die wirklichen Schieberellipsen von den mathematischen nur unwesentlich ab. Man vergleiche den Aufsatz von Pfitzner in Z.d.V.D. Ing. 1905, S. 483. Es sollten eigentlich von jeder Steuerung Schieberellipsen von 10 zu 10% Füllung steigend am Modell aufgenommen werden. Dieselben geben ein viel übersichtlicheres Bild als die sogenannten Steuerungsresultate in Form von Tabellen und ersetzen dieselben vollständig. Der mittlere Kanalumfang des Kolbenschiebers (Fig. 1) beträgt \frac{\pi}{2}\,(15+12,_6)-\frac{6\cdot 0,_6}{2}=41,_6 cm. Der freie Einlaßquerschnitt ist also: Oeffnungsordinate mal Kanalumfang. Statt diese Multiplikation auszuführen, betrachten wir die Oeffnungsordinaten in Fig. 4a gleich als freie Querschnitte. Der Maßstab ergibt sich dann wie folgt. Bei der Kanalbreite e = 1,3 cm ist der größte Einlaßquerschnitt fsmax = 2 . 1,3 . 41,6 = 108 cm2, dargestellt in Fig. 4a, deren Original im Maßstab 2 : 1 gezeichnet ist, durch 2 . 2 . 1,3 = 5,2 cm. Also ist der Maßstab: 1 cm Ordinate =\frac{108}{5,_2}=20,_8 cm2 Einlaßquerschnitt. Textabbildung Bd. 324, S. 147 Fig. 5. Die Dampfgeschwindigkeit vs in der üblichen einfachen Betrachtungsweise findet man aus der Formel F c = fs . vs . F bedeutet den Kolbenquerschnitt, c die Kolben-Geschwindigkeit. Der mittlere Kolbenquerschnitt beträgt 2782 qcm. Die Umfangsgeschwindigkeit U des Kurbelzapfens ergibt sich bei Vmax = 50 km/st, dem Kurbelhalbmesser R = 0,33 m und dem Treibraddurchmesser D = 1350 mm zu U=\frac{88,_5\cdot V}{D}\cdot \pi\cdot R=6,_{77}\mbox{ m/Sek.} U ist auch, gleich R . w, wo w die Winkelgeschwindigkeit der Kurbel bedeutet. w=\frac{U}{R}=\frac{6,_{77}}{0,_{33}}=20,_{57}. Unter der Voraussetzung unendlich langer Schubstange ist die Kolbengeschwindigkeit c = U . sin α = R . sin α . w. Wir benutzen als Geschwindigkeitsdiagramm einfach den Halbkreis über dem Kolbenweg als Durchmesser und multiplizieren nach der Gleichung c = R . sin α . w die Ordinaten R . sin α desselben mit w. Textabbildung Bd. 324, S. 148 Fig. 6a u. 6b. Schieberellipsenkonßtruktion. Für α = 90° und sin α = 1 ist: cmax = R . w = 0,33 . 20,57 = 6,77 = U. Dieses cmax wird dargestellt in Fig. 4a, deren Original im Maßstab 2 : 1 gezeichnet ist, durch 13 cm. Also ist der Maßstab: 1 cm Halbkreisordinate =\frac{6,_{77}}{13}=0,_{513} m/Sek. Kolbengeschwindigkeit c. Die zusammengehörenden Einlaßquerschnitte fs und Kolbengeschwindigkeiten c liegen in Fig. 4a sehr übersichtlich untereinander und ergeben, mit den betreffenden Maßstäben multipliziert und in die Formel v_e=\frac{F\cdot c}{f_s} eingesetzt die Einlaßdampfgeschwindigkeiten vs in m/Sek. Man vergleiche übrigens den Aufsatz von Prof. J. Obergethmann in Z.d.V.D. Ing., 1903, Seite 300, wo die Dampfgeschwindigkeiten einer ähnlichen Lokomotive in Form einer Tabelle angegeben sind. Die mittleren Einlaßdampfgeschwindigkeiten vsm für die verschiedenen Füllungen ergeben sich aus der Formel v_{zm}=\frac{F\cdot c_m}{f_{zm}}. cm und fsm sind die planimetrierten Flächen, multipliziert mit den zugehörigen Maßstäben und dividiert durch die Länge der Grundlinie oder, was dasselbe bedeutet, die Höhen der in ein Rechteck verwandelten Flächen. 3. Bestimmung des Beginnes der Vorausströmung und der Kompression im Zeuner-Diagramm. Auf eine besondere Eigenschaft des Zeunerschen Schieberdiagramms möge hier hingewiesen werden. Es wird gewöhnlich als ein Nachteil des Zeuner-Diagramms gegenüber dem Müller-Diagramm bezeichnet, daß sich in ersterem (Fig. 4b) die Vorausströmung V.A. und die Kompression Co nur sehr ungenau bestimmen lassen durch die Schnittpunkte des i Kreises (Kreis mit der inneren Ueberdeckung i als Halbmesser) mit dem AuslaßschieberkreisIn Fig. 4b war eine genauere Bestimmung von V.A. und Co deshalb überflüssig, weil sich diese Größen durch die Konstruktion der Schieberellipsen in Fig. 4a ebenso genau ergaben, wie etwa im Müller-Diagramm.. Betrachten wir nun das Zeuner-Diagramm für 40% Füllung in Fig. 6b näher, so stellt die Strecke 2rr = NE nach Größe und Richtung die Kolbenweg-Linie des Müller-Diagramms für die betreffende Füllung dar. Wir ziehen daher im Abstand – i zum wagerechten Durchmesser die Parallele und loten von ihren Schnittpunkten mit dem Kreis vom Durchmesser 2rr herab. Die so gefundenen Abschnitte stellen, bezogen auf 2rr als Kolbenweglinie, die Vorausströmung und Kompression in Prozenten des Kolbenwegs dar. Jedoch ist für V.A. und Co der Umdrehungssinn: V.E. – Ex. – V.A. – Co dem des Zeuner-Diagramms entgegengesetzt. Von der Richtigkeit vorstehender Konstruktion überzeugt man sich leicht, wenn man das Diagramm in Fig. 6 nach Müller weiter vervollständigt. Dies ist in einem dem vorigen ähnlichen Diagramm mit positivem i in Fig. 7 geschehen. Hier ist auch die Konstruktion des auf Seite 146 erwähnten Füllungsstrahles O-Ex angegeben. Man schlägt um O einen Kreis mit 100 mm als Durchmesser (in Fig. 7 als Hundertkreis bezeichnet) und trägt auf seinem wagerechten Durchmesser von links nach rechts die gewünschte Füllung in Millimetern z.B. 80% Füllung = 80 mm ab. Durch den Schnitt -punkt des im Endpunkt der Strecke von 80 mm errichteten Lotes mit dem Hundertkreis und dem Mittelpunkt O ist der Füllungsstrahl bestimmt. Ein solcher hat z.B. für 80% Füllung gegen die Kolbenweglinie eine Neigung β80 von rund 53°. Textabbildung Bd. 324, S. 148 Fig. 7. Vereinigtes Zeuner-Müller-Diagramm. Mit Hilfe eines solchen Diagramms ließen sich sehr schön die Anfahrdiagramme von 2 B 1. (⅖ gek.) 4 zyl. Schnellzug-Verbundlokomotiven, wo es auf genaue Kenntnis des Beginnes von V. E, Ex, V. A und Co ankommt, bestimmen. Ein derartiges wie in Fig. 7 vereinigtes Schieberdiagramm hat dem Zeunerschen gegenüber den Vorteil, daß man sehr genau V.A. und Co ermitteln kann. Dem Müllerschen Diagramm gegenüber besteht der Vorteil darin, daß man leicht mit Hilfe des Zeunerschen Schieberkreises den resultierenden Exzenterhalbmesser rr für eine ganz bestimmte Füllung (entsprechend der Teilung am Steuerbock, oder der bei neu zu entwerfenden Steuerungen stets vorgeschriebenen größten Füllung) bestimmen kann. Ueberträgt man noch V.A. und Co aus dem Müller- in das Zeuner-Diagramm, so kann man ebenso leicht wie im reinen Zeuner-Diagramm die endliche Länge der Schubstange berücksichtigen. (Fortsetzung folgt.)