Ueber elektrische Eisenbahnen.Nach einem Vortrag von Ing. E. Egger im elektr. Verein, Wien. Ueber elektrische Eisenbahnen. Die schnelle Entwickelung, welche das elektrische Eisenbahnwesen in den letzten Jahren genommen hat, die zahlreichen theoretischen und praktischen Grundlagen, auf welchen dasselbe nunmehr aufgebaut ist, und die beinahe zahllosen Constructionen, die im Gebiete desselben bekannt geworden sind, bilden eines der interessantesten Gebiete der gesammten heutigen Elektrotechnik. Das Interesse, welches den elektrischen Bahnen heutzutage entgegengebracht wird, ist ja nicht nur elektrischer Natur, sondern ist durch die Fragen des modernen Verkehrswesens überhaupt bedingt. Es ist daher auch von diesem Standpunkte aus nöthig, die Fortschritte zu betrachten, welche gemacht worden sind, um zu beurtheilen, was die Zukunft verlangt. Die ältesten Versuche, die mit Batteriestrom ausgeführt wurden, wurden von Prof. Farmer in Boston angestellt, der im J. 1851 eine kleine Modellbahn baute, bei welcher dem Motor der Strom durch die Schienen zugeführt wurde. Bei allen früheren Versuchen mit Batteriemotoren war die Batterie mitgeführt worden. Ein Patent auf eine Anordnung, ähnlich wie die von Farmer, ist auch schon im J. 1840 einem Elektriker Pinkus in London ertheilt und Patente ähnlicher Art erwarb auch ein Major Bessolo in Oesterreich im J. 1855. Bei seinem System dienten bereits zwei Schienen als Zuleitung, eine dritte als Rückleitung; in einer anderen Anordnung hatte er eine oberirdische Zuleitung und die Schienen als Rückleitung in Vorschlag gebracht. Alle diese Experimente führten aber nicht zum Ziele. Erst die Erfindung der Ringarmatur, der Dynamomaschine und die Entdeckung ihrer Verwendbarkeit als Motor gaben neue Anregung für die elektrische Bahn. Nachdem auf der Wiener Weltausstellung der erste elektrische Motor eine Pumpe getrieben hatte, begann zwei Jahre später George Green in Kalamazoo in Nordamerika mit Versuchen und baute im J. 1878 oder 1879 einen Motorwagen, welcher zwei Personen befördern konnte. Dieser Wagen war noch von Batteriestrom betrieben, da Green keine Dynamo zur Verfügung hatte: es ist jedoch aus seinen Aufzeichnungen klar, dass er eine solche beabsichtigt hatte, ebenso eine oberirdische Zuleitung. Im J. 1879 wurde die erste elektrische Eisenbahn thatsächlich in Betrieb gesetzt und zwar in der Berliner Industrieausstellung durch Siemens und Halske. Diese Bahn kann als der Ausgangspunkt des heutigen elektrischen Eisenbahnwesens betrachtet werden. Die Zuleitung erfolgte durch eine Mittelschiene, die Rückleitung durch die beiden äusseren Schienen. Der Motor war die damalige Siemens-Dynamo, bei der die Achse parallel zum Gleise, die Uebertragung mittels Kegelräder, und zwar mit doppelter Uebersetzung bewirkt wurde. Das Ganze war auf einer kleinen Locomotive montirt, die in einem Anhänge wagen etwa 20 Personen befördern konnte. Die Geschwindigkeit betrug etwa 12 km in der Stunde. Im J. 1880 befand sich auf der Wiener Gewerbeausstellung eine von B. Egger erbaute elektrische Bahn, bei welcher die beiden Schienen allein die Stromleitungen bildeten. Um die gleiche Zeit begann man in Amerika elektrische Bahnen zu bauen; Field, Edison u.a. nahmen bezügliche Patente, ohne jedoch bis zum Jahre 1883 Nennenswerthes zu erreichen, während inzwischen Siemens die Bahn in Lichterfelde in Betrieb gesetzt hatte. Im gleichen Jahre kam auch in Chicago durch die vereinigten Bemühungen von Field und Edison eine Ausstellungsbahn von etwa 1 km Länge in Thätigkeit. Dieselbe bediente sich dreier Schienen; interessant ist, dass mit den Schienen behufs Erhöhung des Leitungsquerschnitts getrennte Drähte verbunden waren. Von da an ging es in Amerika mit Riesenschritten vorwärts, während die Europäer, die bis jetzt voraus gewesen waren, ganz zurückblieben. Der elektrischen Locomotive war zu dieser Zeit der unbestrittene Vorzug gegeben worden. Van Depoele verwendete die oberirdische Zuleitung, Daft benutzte zur Geschwindigkeitsregulirung bereits die Methode, die Schaltung der Feldspulen entsprechend zu ändern. Einen weiteren Schritt vorwärts bildete die Versuchsbahn von Bentley und Knight in Cleveland; diese benutzten eine unterirdische Zuleitung, indem ein geschlitzter Holzkanal zwischen den Schienen angebracht war. Unterdessen hatte Sprague wesentliche Verbesserungen gemacht, wie z.B. die Art und Weise der Motoraufhängung und zwar mit doppelter und einfacher Zahnradübersetzung. Seiner unermüdlichen Energie war es zuzuschreiben, dass im J. 1888 in Richmond eine Bahn mit 20 Motorwagen (nicht Locomotiven) in dauernden Betrieb kam, und von da an datirt der erstaunliche Aufschwung des elektrischen Verkehrs in Nordamerika, so zwar, dass, während im J. 1888 dortselbst 13 elektrische Bahnen mit 95 Motorwagen bezieh. Locomotiven über etwa 70 km Länge in Betrieb waren, im J. 1892 ebenda 13500 Motorwagen etwa 9000 km Gleise befuhren. Die Leistungen und Bestrebungen der allerletzten Jahre bestanden darin, Motoren von entsprechender Stärke bei möglichst eingeschränkten Dimensionen zu bauen, dieselben entsprechend auf den Wagenuntergestellen unterzubringen, ihre Regulirung bequem und rasch bedienbar zu machen und die Uebertragung der Bewegung von Motorachse auf Wagenachse stossfrei zu gestalten. Die modernen Constructionen bestehen darin, jeden Wagen mit zwei Motoren auszurüsten, von denen jeder eine Achse mittels einfacher Zahnradübersetzung antreibt. Man hat es nunmehr so weit gebracht, dass mit Motorwagen Steigungen bis 13 Proc. in beständigem Dienste befahren werden, und dass Geschwindigkeiten von 30 km in der Stunde mit Leichtigkeit zu erreichen sind. Die Beförderungsfähigkeit der Wagen wurde ausserordentlich erhöht, und es laufen fast in allen amerikanischen Städten einige Wagen mit 80 und mehr Sitzplätzen. Die heutigen Wagenuntergestelle haben ein wesentlich verschiedenes Aussehen von den Untergestellen der Pferdebahnwagen, aus denen sie hervorgegangen sind. Während nämlich diese die beiden Achsen in Lagern laufen haben, welche unter einander in keiner weiteren Verbindung stehen, bemüht man sich, beim Motorwagen die Achsenlager beiderseits durch Trägerconstructionen so zu verbinden, dass ein möglichst fester Rahmen geschaffen wird, auf dem der Motor oder die beiden Motoren aufliegen. In diesem Rahmen können sich die Achsenbuchsen senkrecht auf und ab bewegen; auf ihm sitzt der leicht abhebbare Wagenkasten federnd auf. Die neueren Wagen sind mit zwei Motoren ausgerüstet und zwar mit Hauptstrommotoren; dieselben haben vor den Nebenschlussmotoren den grossen Vortheil, dass sie mit bedeutender Zugkraft zu laufen beginnen. Sie sitzen auf dem Rahmen des Untergestells, an einem Ende federnd, während sie am anderen Ende mittels Buchsen die Wagenachsen umgreifen, so dass jeder Motor eine Achse antreibt. Die Uebersetzung ist eine einfache; ein kleines Zahnrad sitzt auf der Armaturwelle, das entsprechende grosse auf der Wagenachse. Bei den älteren Constructionen war die Uebersetzung eine doppelte, so dass ein Vorgelege eingeschaltet war, bevor der Antrieb auf die Wagenachse geschah. Die Regulirung dieser Motorwagen mit zwei Motoren erfolgt durch einen Schaltapparat, welcher es ermöglicht, unter Anwendung von Widerständen dieselben stufenweise parallel oder hinter einander zu schalten. Eine Regulirung mittels Combination der Feldspulen lässt sich bei Zweimotoren-Systemen schwer durchführen. Die Schaltapparate, mit welchen die verschiedenen Schaltungen der Wagenmotoren hergestellt werden, arbeiten in der Weise, dass beim Anfahren beide Motoren unter Vorschaltung eines entsprechenden Widerstandes in Serie geschaltet werden. In dem Maasse, als mehr Geschwindigkeit und weniger Zugkraft erforderlich wird, also der Wagen die Reibung der Ruhe bereits überwunden hat, wird auf die Parallelschaltung beider Motoren übergegangen. Da die Schaltapparate stets den gesammten Strom führen und auch bei verschiedenen Schaltungsübergängen Inductionsfunken sich ergeben, so müssen diese in ihrer Construction gegen Funkenbildung ganz besonders geschützt sein. So sind z.B. die neuesten „Controller“ der Westinghouse Co. ganz auf einer Porzellanwalze montirt, während diejenigen der General Electric Co. einen grossen Elektromagnet als Funkenlöscher besitzen. Wenn man die Wirkungsweise des Hauptstrommotors als Bahnmotor betrachtet, so ist dieselbe in den verschiedenen Stufen der Bewegung eine ganz und gar verschiedene. Beim Anfahren, wo man gezwungen ist, ganz langsam zu fahren, bei Geschwindigkeitsverringerungen beim Bergauffahren u.s.w., wird bei grosser Stromstärke wenig Spannung gebraucht, da ja eben diese maassgebend für die Geschwindigkeit ist. Es muss daher die elektromotorische Kraft der Linie im Anker entsprechend verringert werden, um eine gewisse geringe Geschwindigkeit zu erzielen. Dies erfolgt durch vorgeschaltete Widerstände und ist also ein directer Verlust; derselbe ist beim Zweimotoren-System natürlich geringer als beim Einmotoren-System. Auch bei denjenigen Systemen, welche, wie das Sprague'sche, die Regulirung des Motors durch Aenderung der Feldspulen erzielten, war ein ziemlicher Verlust in diesen selbst vorhanden. Je schneller der Hauptstrommotor zu laufen hat, desto günstiger stellt sich seine Nutzleistung im Bahnbetrieb, indem dann die ganze Spannung der Linie benutzt werden kann. Aus dem Vorhergehenden ergibt sich, dass bei gleicher Belastung ein Eisenbahnmotor für jede Geschwindigkeit annähernd die gleiche Arbeit verbraucht, weshalb der elektrische Betrieb noch unwirthschaftlich ist; thatsächlich beträgt der durchschnittliche Wirkungsgrad der Motoren mit einfacher Uebersetzung kaum einige Procent. Im Momente des Anfahrens, wo eine drei- bis vierfache Stromstärke gebraucht wird, dagegen fast keine Spannung, sinkt der Wirkungsgrad oft unter 10 Proc., bis der Wagen eine Geschwindigkeit von ⅓ m in der Secunde erreicht hat. Die Anwendung einer einfachen Uebersetzung hat darin seinen Grund, dass der Zahnradtrieb grossen Lärm verursachte, weil zu jener Zeit die Herstellungsmethoden noch nicht so entwickelt waren, dass man, wie es jetzt der Fall ist, geräuschlose Zahnrädertriebe herstellen konnte. Trotzdem blieb man bei der einmal gewählten einfachen Uebersetzung, was theoretisch eher als ein Rückschritt zu betrachten ist. Bei dem doppelten Zahnradgetriebe betrug das Hebelverhältniss zwischen Armatur und Radachse 1 : 10; beim einfachen Getriebe ist es kaum 4½. Es muss daher im letzteren Fall die Zugkraft das Doppelte des ersteren Falles betragen. Dies wurde auch erreicht hauptsächlich durch das kräftigere geschlossene magnetische Feld gegenüber den früheren Constructionen. Auch das Gewicht der Motoren ist ausserordentlich gewachsen, eine doppelmotorige Wagenausrüstung wiegt heute 2500 bis 4000 k; im Trambahnverkehr, wo heute das weiteste Feld des elektrischen Bahnwesens ist, also in der Beförderung einzelner Wagen, ist nur ein geringeres Gewicht zur nöthigen Adhäsion erforderlich, so dass jedes übergrosse Gewicht gleichbedeutend mit einer Beförderung todter Last ist. Wie oben beschrieben, besitzen die Wagenuntergestelle senkrechte Führungen, in denen die Achsenbuchsen sich bewegen können. Dies findet bei allen Unebenheiten, beim Ueberfahren von Schienenstössen u.s.w. statt. Da nun der Motor mit dem einen Ende mit den Wagenachsen direct verbunden ist und nur am anderen Ende federnd am Untergestelle hängt, so folgt daraus, dass alle Stösse durch das Motorgewicht besonders verstärkt werden. Es rührt daher das starke Stossen und Hämmern der elektrischen Wagen. Die Schienen leiden dadurch sehr und muss man zu immer schwereren greifen, so dass man auf den amerikanischen Strassenbahnen langsam von der leichtesten Pferdebahnschiene von 16,6 k Gewicht für 1 m bis zu Gewichten von 35 und 40 k vorgeschritten ist. Ausserdem kommt hinzu, dass der heutige Hauptstrommotor stets Strom, auch beim Bergabfahren, verbraucht. Die hauptsächlichste Geschwindigkeitsregulirung erfolgt nun durch die Handbremse. Diese verursacht eine derartig starke Beanspruchung der Räder, dass diese oft schon innerhalb eines Jahres ausgewechselt werden müssen. Mit dem Princip der heutigen Eisenbahnmotoren sind eng die Einwirkungen auf Schiene und Rad verbunden. Folgende Ziffern geben über die wirthschaftlichen Verhältnisse von elektrischen Bahnen, die mit den gangbarsten Doppelmotoren-Systemen und verschiedenen Wagengrössen ausgerüstet sind, Aufschluss: Die Kosten des elektrischen Betriebs für das Wagenkilometer betragen in amerikanischen Städten, je nach den Kohlenpreisen und Lohnverhältnissen, von 5 bis 15 Cts., das sind 21 bis 63 Pfg. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass unsere Kohlenpreise bedeutend höher, die Löhne jedoch wesentlich billiger sind. Der Kabelbahnbetrieb stellt sich trotz höherer Anlagekosten billiger als der elektrische, da es viele Bahnen gibt, wo das Wagenkilometer einschliesslich Zinsen 7 Cts., also 29 Pfg. kostet. Nach sehr ausführlichen Berechnungen von Higgins stellen sich besonders bei kleineren Bahnen in Städten bis etwa 50000 Einwohnern die Gesammtbetriebs- und Erhaltungskosten sammt Zinsen durchschnittlich auf 75 Proc. der totalen Einnahmen. Es entspricht dies einer 5procentigen, sehr selten 7procentigen Verzinsung des Anlagekapitals; doch gibt es genug elektrische Bahnen, welche sich kaum mit über 3 Proc. verzinsen. Eine interessante Thatsache ist, dass die Stromkosten nur etwa 10 Proc. der gesammten Betriebskosten ausmachen. Im Allgemeinen stellen sich die reinen Betriebskosten ungefähr folgendermaassen: Angenommen ist der Fall, bei dem für das Wagenkilometer reine Betriebskosten von 34 Pfg. betragen. Stromkosten   4,3 Pfg. Reparaturen an Wagenmotoren   2,9 „          „           „   Wagenkasten und    -Untergestellen   2,0 „ Reparaturen an Leitung   1,2 „ Erhaltung des Unterbaus   3,1 „ Gehalt für Wagenführer und Conducteur 12,8 „ Regiespesen   6,0 „ Unfallentschädigung   1,7 „ ––––––––– 34,0 Pfg. Dieses Beispiel ist einer amerikanischen, gut geleiteten elektrischen Bahn entnommen, welche nur normale Wagen mit etwa 30 Personen Fassungsraum laufen hatte. Bei uns würden sich, bei ungefähr gleichem Summenbetrag, einige Posten ändern, und zwar die Stromkosten steigen, die Personalauslagen fallen. Im Grossen und Ganzen ist also das elektrische Bahnwesen noch nicht so rentabel, wie man oft glaubt. Die Gründe sind nach dem Vorhergehenden folgende: 1) Unwirthschaftliches Arbeiten der Motoren, zu hohes Gewicht, zu geringe Tourenzahl; 2) kostspielige Anlage des Unterbaus; 3) theure Erhaltung des Unterbaus; 4) theure Erhaltung der gesammten Betriebsfahrmittel. Dem ersten Punkte hat man in Bezug auf wirkliche Wirthschaftlichkeit wenig Aufmerksamkeit geschenkt; vielleicht weil eben die Stromkosten nur einen geringen Procentsatz der Gesammtbetriebskosten ausmachen. Eickemeyer, Rae, Sperry und Short wenden seit Kurzem wieder einen einzigen Motor von etwa 30 an, derselbe entspricht wohl den schwierigsten Anforderungen. Um eine stossfreie Lagerung zu erzielen, wurde vorgeschlagen, den Motor über dem Wagenboden hervorstehen zu lassen und denselben offen auf der Plattform anzubringen oder innerhalb des Wagens durch Sitze zu verdecken. Bei einem Motor müssten natürlich beide Wagenachsen getrieben werden. Um mit Motoren zu arbeiten, die einen besseren Nutzeffect für elektrische Bahnen besitzen, wird Folgendes maassgebend sein: Eine dauernd laufende Armatur, welche während des Wagenstillstandes ausgerückt wird und leer mitläuft, wäre beim Anfahren von grösstem Werthe und könnte eine grosse Stromersparniss bewirken. Hätte diese Armatur gleichbleibende Geschwindigkeit und wäre sie mit einer veränderlichen Uebersetzung auf die Wagenachsen versehen, so könnte bei irgend einer Wagengeschwindigkeit deren gleichbleibende Geschwindigkeit voll ausgenutzt werden. Beim Langsamfahren würde ausser der Stromverschwendung das Bremsen auf Räder u.s.w. wegfallen; die Einrichtung der Schaltapparate wäre viel einfacher. Beim Bergabfahren würde eine elektrische Bremsung in der Weise eintreten, dass das Bremsen am Rade entfällt, ausserdem kein Strom unnöthig verzehrt wird. Alle diese Bedingungen erfüllt der Nebenschlussmotor. Derselbe hält annähernd gleichbleibende Geschwindigkeit, sein Feld beim Anfahren kann genügend stark gemacht werden, während die veränderliche Uebersetzung noch durch Aenderung der Felderregung in ihrer Wirkung unterstützt werden kann. Künstlicher Widerstand in der Armatur entfällt, ausser beim Einschalten, ganz. Beim Bergabfahren wirkt der Nebenschlussmotor in dem Augenblicke, wo er seine Geschwindigkeit überschreitet, als Stromerzeuger und dient daher als Bremse. Alle diese Eigenschaften machen den Nebenschlussmotor zu einem höchst wünschenswerthen Motor für elektrische Strassenbahnen, und wären, um denselben dazu geeignet zu machen, zwei Hauptaufgaben zu lösen, nämlich 1) die Schaffung eines entsprechenden Nebenschlussmotors mit veränderlichem Getriebe und 2) dessen stossfreie Lagerung.