Grundlagen: Was macht eine Dampflokomotivsteuerung überhaupt? - bzgl. Schieberbewegung

Die Steuerung sorgt dafür, dass der Steuerschieber immer zum richtigen Zeitpunkt den Dampfeinlass am richtigen Zylinderende öffnet und schließt, ebenso den jeweiligen Dampfauslass.

Wenn der Dampfwechsel immer an den Kolbentotpunkten stattfinden soll, reicht dazu eine Steuerschieber-Bewegung, die gegenüber der Kolbenbewegung um 90° phasenversetzt stattfindet, und der Dampfeinlass je Zylinderende öffnet immer gleichzeitig mit dem Schließen des Dampfauslasses.
Ob der Phasenversatz +90 oder -90° ist, hängt von der Fahrtrichtung ab und davon, ob der Steuerschieber äußere oder innere Einströmung hat.

Auch materiell kann die Schieberanlenkung ebenfalls 90° phasenversetzt zur Kolbenanlenkung von der Treibachse abgegriffen werden. Sobald die Hauptbewegungsrichtungen von Steuerschieber-Abgriff und Kolben-Abgriff parallel sind, entspricht der materielle Versatz der beiden Abgriffe an der Treibachse dem genannten Phasenversatz von 90°, ansonsten ergibt sich ein materieller Versatz ungleich 90°.

Wenn man unter diesen Voraussetzungen eine Diagrammkurve mit der Kolbenposition auf der X-Achse und der Steuerschieberposition auf der Y-Achse zeichnet, ergibt sich eine waagrecht liegende Ellipse. Unabhängig davon, wie groß der Steuerschieber-Hub ist, liegen die Ein- und Auslasspunkte immer am äußersten linken und rechten Punkt der Ellipse.
In einem geeigneten Programm kann man dies simulieren, indem man die obere Länge des Voreilhebels der Heusingersteuerung auf Null setzt.

Soll der Dampfeinlass schon vor Erreichen der Kolbentotpunktlage geschlossen werden und zudem die Kolbenposition beim Schließen veränderlich sein, aber beim (tatsächlich meist "kurz nach dem") Öffnen des Dampfeinlasses immer gleich bleiben, dann hat es sich schon früh bewährt, der Steuerschieberbewegung zusätzlich zum Phasenversatz um 90° gegenüber der Kolbenbewegung eine zusätztliche Bewegungskomponente hinzuzufügen, die proportional zur Kolbenbewegung ist, und die Steuerkanten am Steuerschieber entsprechend zu verschieben, damit die Schieberposition beim Öffnen des Dampfeinlasses stimmt.

Die Bewegungskomponente des Steuerschiebers proportional zur Kolbenbewegung ergibt für sich genommen im obigen Diagramm eine diagonale Gerade.
In einem geeigneten Programm kann man dies simulieren, indem man (bei einer Steuerung mit üblichen Voreilhebel-Längen) die Umsteuerung der Heusingersteuerung auf Null auslegt; dies reduziert die um 90° phasenversetzte Komponente auf Null.

Wird nun die Umsteuerung verstellt, dann wird aus der diagonalen Geraden eine schräg liegende Ellipse mit veränderlicher Höhe, und die Schieberposition (Y-Koordinate des zugehörigen Diagrammpunkts) in Kolbentotpunktstellung (mit Voreinströmung nicht ganz identisch mit dem Einlassbeginn) bleibt immer gleich, aber die Kolbenposition beim Schließen des Dampfeinlasses ändert sich.

Mit einer solchen Steuerung kann nie ein Füllungsgrad von 100% (Einlass schließt erst am Ende des Kolbenhubs) erreicht werden. Üblicherweise wurde für einen Füllungsgrad von rund 80% konstruiert, bei Lokomotiven mit sehr gleichförmiger Belastung wie Zahnradlokomotiven auf Strecken mit nahezu konstanter Steigung auch deutlich weniger (für das Zahnradtriebwerk, aber natürlich nicht für das Adhäsionstriebwerk, wenn dieses gesondert bestand), da die Belastung beim Anfahren nur wenig höher als bei konstanter Geschwindigkeit in der Steigung war, - um in den vorherrschenden Betriebszuständen einen niedrigeren Austrittsdruck und somit einen höheren Wirkungsgrad zu erreichen. Dazu mussten die Zylinder des entsprechenden Triebwerks natürlich dann etwas größer ausgeführt werden.
Je nach Lage der Ausströmkanten am Steuerschieber wurde der Lauf von Dampflokomotiven unter etwa 40% Füllungsgrad wegen der zunehmenden Kompression nach dem Schließen des Auslasses unruhig; außer bei Steuerschiebern, die flach auf dem Schieberspiegel auflagen und sich bei zu hohem Kompressionsdruck abheben konnten.

Bei Interesse: Für ein ideales Gestänge mit den obigen Merkmalen ergäbe sich bei 80% Füllungsgrad und ohne Voreinströmung für die um 90° phasenversetzte Bewegungskomponente des Steuerschiebers eine Amplitude, die genau doppelt so groß ist wie die Amplitude der zur Kolbenbewegung proportionalen Bewegungskomponente.

Diese Erläuterungen gelten nicht nur für die Heusinger-, Goelsdorf-, Helmholtz- und Bakersteuerung usw., wo der um 90° phasenverschobene Bewegungsanteil des Steuerschiebers auch materiell getrennt vom proportionalen Bewegungsanteil erzeugt wird, sondern auch für Steuerungen, wo die resultierende Steuerschieber-Bewegung aus einem Anteil mit fester proportionaler und fester positiver 90°- Komponente und einem Anteil mit fester proportionaler und fester negativer 90°-Komponente variabel zusammengemischt wird, so dass ebenfalls die resultierende proportionale Komponente unverändert bleibt (im Idealfall).