Die elektrischen Triebwagen der Berliner Stadtbahn. Von Dipl.-Ing. Spies, Berlin-Lichterfelde. SPIES, Die elektrischen Triebwagen der Berliner Stadtbahn. Seit dem ersten ernsthaften Vorschlag für die Umstellung der Berliner Stadt- und Ringbahn auf elektrischen Betrieb, der im Jahre 1899 von der damaligen Union-Elektrizitäts-Gesellschaft der Eisenbahn unterbreitet wurde, sind fast 30 Jahre verstrichen, bis dieser Vorschlag Wirklichkeit wurde: Am 11. Juni 1928 sind die ersten elektrischen Triebwagenzüge im fahrplanmäßigen Verkehr über die Berliner Stadtbahn gerollt, und zwar auf der Strecke Potsdam–Erkner. Zahlreiche Wandelungen hat das Projekt im Laufe der Jahre erfahren, auf die auch der Krieg nicht ohne Einfluß blieb. Gerade vor dem Kriege hatte man die Elektrifizierung der Stadt- und Ringbahn mittels hochgespannten Einphasen – Wechselstromes beschlossen, einer Stromart, die sich in jenen Jahren auf den Probestrecken Mitteldeutschlands bewährte und auch für Fernbahnen in Deutschland, Oesterreich, Schweden, Norwegen und der Schweiz als normal festgelegt ist. Als Triebfahrzeuge sollten unter Beibehaltung des vorhandenen Wagenparkes kleine führerstandslose Maschinen, sogenannte Triebgestelle dienen, die von Führerständen an beiden Enden des Zuges aus gesteuert werden sollten. Nach Kriegsende hatten sich jedoch die Grundlagen für die Elektrifizierung wesentlich verschoben, da ein erheblicher Teil des Wagenparkes infolge der übermäßigen Ausnutzung während des Kriegesausmusterungsreif war. Wenn aber schon ein Ersatz der vorhandenen Fahrzeuge geboten war, erschien es zweckmäßig, an ihrer Stelle Triebwagen zu beschaffen. Eingehende Erwägungen über die bei dieser neuen Sachlage zweckmäßigste Stromart führten zu der Wahl von Gleichstrom, der den Triebwagen in einer Stromschiene mit einer mittleren Spannung von 800 Volt zugeführt wird. Als kleinste selbständige Zugeinheit ist der Viertelzug vorgesehen, bestehend aus einem Triebwagen und einem mit ihm kurzgekuppelten Beiwagen. Trieb- und Beiwagen sind in ihrem mechanischen Aufbau vollkommen gleich. Jeder Wagen ist mit zwei zweiachsigen Drehgestellen ausgerüstet und besitzt an seinem freien Ende einen Führerstand. An elektrischer Ausrüstung enthält der Beiwagen nur die Steuerausrüstung im Führerstand und die Einrichtung für elektrische Beleuchtung und Heizung. Die gesamte übrige elektrische Ausrüstung ist im Triebwagen untergebracht. Hinsichtlich des Wagenteiles der Triebwagen ist bemerkenswert, daß für die besonders hochbeanspruchten Konstruktionsteile im Untergestell und Obergurt des Wagenkastens hochwertiger Siliziumstahl von 0,8 bis 0,9 v. H. Siliziumgehalt verwendet wurde. Hierdurch wurde im Verein mit sorgfältiger Berechnung aller wichtigen Bauteile unter voller Ausnutzung der Festigkeitswerte der gewählten Baustoffe eine erhebliche Gewichtsersparnis gegenüber den Versuchszügen aus dem Jahre 1925 erzielt. Das Leergewicht der neuen Wagen beträgt für einen Triebwagen im Durchschnitt 37,6 t (früher 45,4 t), für einen Beiwagen 21 t (früher 33,9 t). Das Gewicht eines Viertelzuges hat sich also von rd. 79 t auf rd. 65 t herabsetzen lassen. Diese Gewichtsersparnis von 17,5 v. H. bringt eine entsprechende Herabsetzung der Betriebskosten mit sich, da der Stromverbrauch pro Wagenkilometer ebenfalls entsprechend abnimmt. Textabbildung Bd. 343, S. 196 Abb. 1. Fortschaltrelais. Jeder Triebwagen ist mit vier Motoren von 90 kW Stundenleistung, von denen je zwei dauernd in Reihe liegen, und einer selbständigen Steuerung ausgerüstet. Das Wesen einer solchen selbsttätigen Steuerung liegt darin, daß die Regelung der Motoren, d.h. das Abschalten der Anfahrwiderstände und das bei mehrmotorigen Gleichstromfahrzeugen übliche Reihen- und Parallelschalten der Motoren bzw. Motorgruppen nicht durch den Führer erfolgt, sondern selbsttätig in Abhängigkeit von einem vom Motorstrom durchflossenen Stromwächter, dem sog. Fortschaltrelais. Dieses ist grundsätzlich ein Minimalrelais, dessen Spule vom Motorstrom durchflössen ist. Ist der Strom groß, z.B. im Augenblick des Weiterschaltens von einer Stufe auf die nächste, so zieht das Fortschaltrelais seinen Anker an und unterbricht somit den Steuerstromkreis für den Antrieb der selbsttätigen Steuerung. Ist jedoch der Motorstrom auf einer Fahrstufe infolge der zunehmenden Geschwindigkeit des Fahrzeuges unter einen bestimmten Grenzwert gesunken, läßt das Fortschaltrelais seinen Anker wieder abfallen und schließt den Steuerstromkreis, in welchem der Antrieb liegt, der die Drehung der Steuerwalze und damit das Einschalten der nächsthöheren Fahrstufe bewirkt. Abbildung 1 zeigt das Fortschaltrelais; der Anker trägt rechts den Steuerkontakt, links ist die aus zwei Flachkupferwindungen bestehende Motorstromspule zu erkennen. Unterhalb von dieser ist eine weitere Spule, die sog. Zugspule angeordnet. Sie wirkt im gleichen Sinn wie die Starkstromspule auf den Anker und wird während des Schaltens von einer Fahrstufe auf die nächsthöhere kurzzeitig eingeschaltet, um ein sicheres Anziehen des Ankers zu gewährleisten; denn es ist mit einer einzigen Spule nicht möglich, zwei Grenzwerte für das Anziehen und das Abfallen eines Relaisankers richtig innezuhalten. Die Zugspule ist aber noch aus einem anderen Grunde unbedingt erforderlich. Es könnte nämlich nach kurzem Abschalten der Fall eintreten, daß die Geschwindigkeit des Fahrzeuges beim Wiedereinschalten noch so groß ist, daß der von den Motoren aufgenommene Strom unterhalb des Abfallwertes des Fortschaltrelais liegt, das Fortschaltrelais also seinen Anker nicht anziehen kann. In diesem Fall würde der Antrieb dauernd an Spannung liegen bleiben und nur einen Hub ausführen können. Schließlich ermöglicht es die Zugspule auch, die Schalteinrichtung im Schuppen, wenn also die Motoren überhaupt nicht stromdurchflossen sind, zu prüfen; denn sie ist so stark bemessen, daß sie auch allein den Anker des Fortschaltrelais anzuziehen vermag. Für den eigentlichen Antrieb, der offenbar den schwierigsten Bauteil einer selbsttätigen Steuerung darstellt, wurden bei den nach dem Kriege zuerst auf elektrischen Betrieb umgestellten nördlichen Vorortstrecken mehrere Bauarten eingehend erprobt, da damals in Deutschland Bau- und Betriebserfahrungen mit selbsttätigen Steuerungen, die sich unter ähnlichen Verhältnissen in Amerika gut bewährt hatten, noch nicht vorlagen. Auf Grund der günstigen Ergebnisse fiel die Wahl der Reichsbahn für die Ausrüstung der gesamten reichsbahneigenen Strecken des Berliner Nahverkehrs auf die von den Bergmann-Elektrizitäts-Werken geschaffene und späterhin von diesen im Verein mit den Maffei-Schwartzkopff-Werken weiterentwickelte Steuerung mittels eines elektro-pneumatischen Klinkwerkes. Dieser Antrieb ist gewöhnlichen Druckluft- oder Elektromotoren überlegen, da er es ohne weiteres ermöglicht, beim Schalten die bei Straßenbahnen übliche und bewährte Bewegungsart: langsames, genau stufenweises Einschalten, schnelles Ausschalten innezuhalten. Um diese Bewegungsart, bei der die Motoren vor Ueberlastungen geschützt sind, zu erzielen, benötigen die anderen Antriebsarten zusätzliche Maschinenelemente, wie Anschläge, ausrückbare Kupplungen, Anlaßeinrichtungen, Verriegelungskontakte usw., die bei einem Klinkwerk vollkommen vermieden sind. Die Bedienung der selbsttätigen Klinkwerksteuerung im Betrieb ist außerordentlich einfach. Der Führer hat bei Fahrtantritt am Führerschalter die Fahrtrichtung und die gewünschte Beschleunigung einzustellen und sodann zum Einschalten der Motoren einen entsprechend kräftig gehaltenen Druckknopf am Führerschalter niederzudrücken. Weitere Handgriffe sind nicht erforderlich, so daß der Führer seiner eigentlichen Aufgabe, der Beobachtung der Strecke und der Signale volle Aufmerksamkeit widmen kann. Das Weiterschalten von einer Fahrstufe zur nächsten besorgt das Fortschaltrelais stets im richtigen Augenblick, so daß unter voller Ausnutzung der Motoren unzulässige Strom- und Zugkraftspitzen und damit Schleudergefahr oder eine Ueberlastung der Motoren nicht auftreten können. Textabbildung Bd. 343, S. 197 Abb. 2. Prinzip des Klinkwerkes. Das elektropneumatische Klinkwerk (Entwurf der Bergmann-Elektrizitäts-Werke) besteht im wesentlichen aus zwei Druckluftzylindern, dem „Arbeits-“ und dem „Rückzugszylinder“. Abbildung 2 zeigt das Prinzip des Klinkwerkes. Jeder der beiden Zylinder ist mit einem Magnetventil ausgerüstet, und zwar der Arbeitszylinder mit einem „positiven“ Magnetventil, das im spannungführenden Zustand Druckluft in den Zylinder eintreten läßt, der Rückzugzylinder mit einem „negativen“ Magnetventil, das im spannungslosen Zustand den Lufteintritt in den Zylinder öffnet. Drückt der Führer den Druckknopf nieder, so bekommen beide Magnetventile Spannung. Das negative Ventil am Rückzugszylinder schaltet also diesen von der Druckluftleitung ab, das positive dagegen läßt Druckluft in den Arbeitszylinder eintreten. Dessen Kolben macht einen Hub und dreht das Klinkrad und somit auch die mit dessen Welle gekuppelte Schaltwalze um eine Zahnteilung entsprechend einer Schaltstufe vor. Textabbildung Bd. 343, S. 198 Abb. 3. Anordnung von Klinkwerk und Schaltwalze unter dem Triebwagen. Gleich nach Beginn des Arbeitshubes schaltet ein von der Vorschubklinke gesteuerter Kontakt die Zugspule ein, so daß das Fortschaltrelais seinen Anker anzieht und den Stromkreis des positiven Magnetventils unterbricht. Um aber die Beendigung des Hubes sicherzustellen, schließt ein weiterer Hilfskontakt einen Stromkreis, der im Nebenschluß zu den Kontakten am Anker des Fortschaltrelais liegt. Dieser weitere Hilfskontakt wird von einer Sperrklinke gesteuert, deren Hauptaufgabe es ist, eine Rückwärtsdrehung des Klinkrades zu verhüten, wenn der Arbeitskolben seinen Rückwärtshub macht. Sie eilt daher der Vorschubklinke vor; in dem Augenblick, in dem sie in die folgende Zahnlücke einfällt, ist der Hub des Klinkwerkes beendet. Das positive Magnetventil wird spannungslos, da beim Einfallen der Sperrklinke auch der von ihr gesteuerte Nebenschlußkontakt unterbricht, so daß der Kolben des Arbeitszylinders in seine Ruhelage zurückgeht. Beim Rückwärtsgang unterbricht die Vorschubklinke den Stromkreis der Zugspule, so daß der Anker des Fortschaltrelais nur noch unter dem Einfluß der Motorstromspule angezogen bleibt. Sinkt der Motorstrom infolge der zunehmenden Geschwindigkeit des Fahrzeuges unter den Grenzwert, so fällt der Anker ab: der Stromkreis zum positiven Magnetventil wird wieder geschlossen, das Klinkwerk macht den zweiten Hub. Dieses Spiel wiederholt sich bis zur letzten Fahrstufe. Schaltet der Führer durch Loslassen des Druckknopfes ab, so läßt das spannungslos gewordene negative Magnetventil Druckluft in den Rückzugzylinder eintreten. Dessen Kolbenstange ist gezahnt und steht mit einem auf der Klinkradwelle aufgekeilten Ritzel in Eingriff. Bei jedem Arbeitshub wird also der Kolben des Rückzugzylinders um einen entsprechenden Weg mitgenommen; für eine ganze Umdrehung des Klinkrades macht er einen ganzen Hub. Strömt beim Abschalten Druckluft in den Rückzugzylinder ein, geht der Rückzugkolben in die Nullage und nimmt das Klinkrad mittels der Zahnradübersetzung mit. Vor der Rückwärtsbewegung des Klinkrades müssen jedoch die beiden Klinken ausgehoben werden. Zu diesem Zweck ist in die Verbindungsleitung vom negativen Magnetventil ein „Aushebezylinder“ angeordnet, dessen Kolben gegenüber dem Rückzugkolben mit Voreilung arbeitet und die Klinken aushebt. Um ein weiches Arbeiten zu erzielen, sind der Arbeits- und der Rückzugzylinder mit je einem koaxial zu ihnen liegenden Dämpfungszylinder ausgerüstet. Mit Rücksicht auf die in der Stromschiene zu erwartenden Spannungsabfälle müssen die Grenzen, innerhalb deren das Klinkwerk arbeitet, recht groß gesetzt werden; es ist daher vorgeschrieben und auch erreicht worden, daß das Klinkwerk zwischen 45 und 90 Volt (bei normal 75 Volt) und zwischen 3 und 6 at einwandfrei arbeitet. Die von dem Klinkwerk angetriebene Schaltwalze kann von beliebiger Bauart sein, etwa wie eine Kontrollerwalze mit Schaltringen und Kontaktfingern. Für die Berliner Stadtbahn wurde jedoch eine Nockenschaltwalze (Entwurf der Maffei-Schwartzkopff-Werke) gewählt. Bei dieser werden die einzelnen Schaltverbindungen des Motorstromkreises durch Druckschalter hergestellt, die von auf der Welle sitzenden Nockenscheiben ein- und von entsprechenden Kurvenscheiben ausgerückt werden. Jedoch sind die Kurvenscheiben nur auf denjenigen Schaltstufen vorgesehen, auf denen das Hängenbleiben eines Druckschalters zu Beschädigungen der Motoren führen könnte. Auf den Widerstandsstufen z.B. sind sie weggelassen. Abbildung 3 zeigt die Anordnung des Klinkwerkes (links) und der Schaltwalze (rechts) unter dem Triebwagen. An Fahrstufen sind 14 vorgesehen, nämlich: 8 Reihenstellungen, 1 Ueberschaltstellung, 5 Parallelstellungen. Auf der Uebergangsstellung ist es wünschenswert, um große Stromspitzen zu vermeiden, bei einem tieferen Grenzwert als auf den anderen Stufen weiter zu schalten. Diesem Zweck dient die oberhalb der Motorstromspule am Fortschaltrelais (s. Abb. 1) vorgesehene Spule. Sie wird auf der Uebergangsstufe von einem auf der Klinkradwelle angeordneten kleinen Nockenschalter geschlossen und wirkt in gleichem Sinn wie die Motorstromspule, so daß der Anker erst bei niedrigerer Stromstärke abfallen kann. Am Führerschalter sind für die Fahrtrichtungs- und Beschleunigungseinstellung folgende Stellungen vorgesehen: Rückwärts-Rangier, Null, Vorwärts-Rangier, Vorwärts ½, Vorwärts 1/1. Auf den Rangierstufen macht das Klinkwerk nur den ersten Hub. Die Motoren liegen in dieser Fahrstellung in Reihe mit sämtlichen Widerständen. Für die Stufe Vorwärts ½, entsprechend einer mittleren Beschleunigung von etwa 0,4 m/sec2 wurde der Schaltvorgang oben erklärt. Auf der Stufe Vorwärts 1/1 , entsprechend einer mittleren Beschleunigung von etwa 0,52 m/sec2 wird die rechts am Fortschaltrelais angeordnete Spule miteingeschaltet. Sie wirkt der Motorstromspule entgegen, bewirkt also ein Abfallen des Relaisankers und somit ein Weiterschalten stets bei höherer Stromstärke. Der Führerschalter läßt sich mit Rücksicht darauf, daß er außer dem Druckknopf nur die Kontakte für die Fahrtrichtungs- und Beschleunigungseinstellung und außerdem nur noch einige Kontakte für die Luftpumpeneinschaltung zu enthalten braucht, in recht kleinen baulichen Abmessungen halten, wie es der Blick in den Führerstand (Abb. 4) zeigt. Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß die Anwendbarkeit der beschriebenen selbsttätigen Steuerung sich nicht auf Gleichstrom 800 Volt beschränkt; vielmehr ist nach geringen Abänderungen, die sich auf Verwendung höherwertiger Isolation und Aenderung der Schaltwalzenabwickelung erstrecken, die Steuerung auch für Gleichstrom höherer Betriebsspannung oder Wechselstrom geeignet. Textabbildung Bd. 343, S. 199 Abb. 4. Blick in den Führerstand.