Transmission

Eine Transmission führt die Leistung einer einzigen Kraftmaschine zu vielen Arbeitsmaschinen. Eine lange, drehende Welle unter der Decke einer Fabrik oder Werkstatt treibt jede Maschine über Riemenscheiben und Flachriemen an, sodass ein Wasserrad, eine Dampfmaschine oder ein Elektromotor einen ganzen Saal betreibt. Eine Wandmalerei von 1167 im Yanshan-Tempel in Nordchina zeigt ein Wasserrad, dessen lange Welle zugleich Stampfen und einen Mahlgang antreibt. In Europa trieb in der um 1721 nach italienischem Vorbild gebauten Seidenmühle von Derby ein einziges Wasserrad die Maschinen von fünf Stockwerken an.

Was es ist

Eine Transmission führt die Leistung einer einzigen Kraftmaschine zu vielen Arbeitsmaschinen. Eine lange, drehende Welle läuft unter der Decke einer Fabrik oder Werkstatt, ruht in Lagern und trägt eine Reihe von Riemenscheiben. Von diesen Scheiben laufen Flachriemen hinunter zu den Maschinen oder zu kürzeren Wellen, die sie antreiben. So kann ein einziges Wasserrad, eine Dampfmaschine oder später ein Elektromotor alle Maschinen eines Saals oder eines mehrstöckigen Gebäudes betreiben.

Bis ins späte 19. Jahrhundert arbeiteten die meisten Fabriken so. Eine typische Anlage hatte in jedem Stockwerk eine Welle aus Eisen oder Stahl von etwa 3 Zoll (7,6 cm) Dicke über die ganze Länge, dazu parallel aufgehängte Vorgelegewellen, von denen jede Drehbank, jede Bohrmaschine und jeder Webstuhl ihren Antrieb nahm. Die Maschinen standen deshalb in Reihen unter den Wellen, und von jeder lief ein Riemen hinauf zur Transmission.

Wie es funktioniert

Die Kraftmaschine treibt die Hauptscheibe an einem Ende der Welle an, über einen Riemen oder über Zahnräder. Die Welle besteht aus Stücken von Eisen oder Stahl, die durch Kupplungen verbunden sind, und hängt an den Deckenbalken in gusseisernen Hängelagern. Ein Tropföler über jedem Lager versorgte es mit Öl, und meist füllten und stellten die Arbeiter an den Maschinen diese Öler täglich nach. Riemenscheiben auf der Hauptwelle geben die Leistung an Vorgelegewellen weiter, kürzere, parallel aufgehängte Wellen, und von diesen an die Maschinen.

Die kleine Scheibe dreht sich dreimal so schnell wie die große; das gezogene Trum ist straff, das andere hängt durch.

Ein Flachriemen treibt durch Reibung. Um zwei Scheiben gelegt und gespannt, haftet er an ihren Kränzen; das Trum, an dem die treibende Scheibe zieht, ist straff, das andere locker. Der Riemen läuft über beide Kränze mit derselben Geschwindigkeit, also dreht sich eine kleine Scheibe schneller als eine große, im Verhältnis ihrer Durchmesser: Eine Scheibe, die ein Drittel so groß ist wie die treibende, dreht sich dreimal so schnell. Stufenscheiben auf Vorgelege und Maschine erlauben, die Drehzahl zu wechseln, indem man den Riemen auf ein anderes Stufenpaar legt. Die Kränze sind leicht gewölbt, und ein Flachriemen wandert auf den höchsten Punkt der Wölbung und bleibt dort. Der Mühlenbauer William Fairbairn aus Manchester gab in seinem Werk über Mühlen und Triebwerke von 1863 Riemengeschwindigkeiten von 25 bis 30 Fuß (etwa 8 bis 9 m) pro Sekunde an.

Das ganze Netz lief vom Anlassen der Maschine am Morgen bis zum Abstellen am Abend. Um eine einzelne Maschine ein- oder auszuschalten, trug ihr Vorgelege zwei gleich große Scheiben nebeneinander: eine Festscheibe, auf die Welle gekeilt, und eine Losscheibe, die sich frei auf ihr dreht. Lag der Riemen auf der Losscheibe, stand die Maschine still. Eine Gabel, über einen Hebel bewegt, schob den Riemen auf die Festscheibe, und die Maschine lief an. Fairbairn betont, dass die Gabel auf das Trum wirken muss, das auf die Scheiben zuläuft, und dass der Riemen anfangs rutscht und die Maschine so ohne Stoß auf Drehzahl bringt.

Die Reibung in all diesen Lagern und Riemen verbrauchte einen Teil der Leistung, auch wenn nur wenige Maschinen arbeiteten. Brach die Kraftmaschine oder eine Welle, stand ein ganzer Saal oder sogar die ganze Fabrik bis zur Reparatur still. Riemen dehnten sich und mussten gekürzt und neu verbunden werden. In mehrstöckigen Gebäuden liefen Riemen durch Öffnungen in den Decken, durch die sich ein Feuer ausbreiten konnte, und wurden oft in teuren Riemenschächten eingeschlossen.

So geht’s

Die Welle des Modells: ein Stab, der sich in zwei Ständern dreht und von einer Kurbel angetrieben wird.

Ein kleines Tischmodell zeigt das ganze System und wird von Hand betrieben. Befestigen Sie auf einem etwa 60 cm langen Brett zwei Ständer aus Hartholz von etwa 30 cm Höhe. Bohren Sie beide nahe der Spitze so, dass sich ein Stahlstab von 6 bis 8 mm Dicke oder ein Hartholzrundstab frei darin dreht; etwas Kerzenwachs hilft. Das ist die Transmissionswelle. Bringen Sie an einem Ende eine Kurbel an: eine auf den Stab geleimte Holzscheibe mit einem Zapfen als Griff.

Sägen Sie mit einer Lochsäge Scheiben aus Sperrholz in zwei oder drei Größen und leimen Sie sie auf die Welle. Schleifen Sie jeden Kranz leicht rund, in der Mitte am höchsten, oder wickeln Sie ein schmales Klebeband um seine Mitte. Die Riemen nähen Sie aus Baumwollband zu Schlaufen, oder Sie nehmen breite Gummiringe, straff genug, um zu greifen, ohne die Welle zu biegen.

Setzen Sie unter der Welle zwei kurze Spindeln in kleine Holzklötze auf dem Brett, parallel zur Welle. Auf die erste leimen Sie eine kleine Scheibe und eine Kartonscheibe mit farbigen Feldern, damit man sie drehen sieht. Auf die zweite leimen Sie eine Scheibe, die Festscheibe, und schieben daneben eine gleich große zweite Scheibe, die sich frei dreht und von einer Unterlegscheibe gehalten wird. Geben Sie dieser Spindel einen kleinen Holznocken, der einen kleinen Hammer an einem Scharnier anhebt und fallen lässt. Biegen Sie aus steifem Draht eine Gabel, die den Riemen kurz vor den Scheiben umgreift, und befestigen Sie sie an einem Stab, der auf dem Brett drehbar gelagert ist: Bewegt man den Stab, wechselt der Riemen von einer Scheibe zur anderen.

Drehen Sie die Kurbel und zählen Sie: Eine kleine Scheibe, die von einer dreimal größeren angetrieben wird, macht drei Umdrehungen auf eine Umdrehung der Welle. Schieben Sie den Riemen auf die Losscheibe, bleibt der Hammer stehen, während sich die Welle weiterdreht; schieben Sie ihn zurück, arbeitet er wieder.

Auch ein langsames Modell kann quetschen. Gefährlich ist die Stelle, an der ein Riemen auf eine Scheibe aufläuft: Dort zieht er Finger, Haare, weite Ärmel, Schnüre und Schmuck hinein. Binden Sie lange Haare zusammen, krempeln Sie die Ärmel hoch, halten Sie die Finger von Riemen und Scheiben fern, solange sich die Welle dreht, und verschieben Sie Riemen nur mit der Gabel. Halten Sie die Kurbel an und warten Sie, bis alles stillsteht, bevor Sie etwas einstellen. Treiben Sie das Modell nur von Hand an, nie mit einer Bohrmaschine, einem Netzmotor oder einem Verbrennungsmotor, und beaufsichtigen Sie Kinder. Echte Transmissionen in Museen oder alten Werkstätten können verstümmeln oder töten: Bleiben Sie hinter den Absperrungen und fassen Sie nie einen laufenden Riemen an.

Geschichte und Entwicklung

Eine Wandmalerei im Yanshan-Tempel bei Fanshi in Shanxi, 1167 unter der Jin-Dynastie von den Malern Wang Kui, Wang Dao und anderen vollendet, zeigt eine Mühle an einem Bach. Ein einziges großes, senkrecht stehendes Wasserrad dreht eine lange Holzwelle, die unten in einem strohgedeckten Schuppen Stampfen zum Enthülsen von Getreide hebt und zugleich im Stockwerk darüber einen Mahlgang antreibt. Gao Ce und Xu Yanhong, die das Bild vor Ort untersuchten, deuten den Antrieb des Mahlgangs als zwei rechtwinklig ineinandergreifende Zahnräder; Shi Xiaolei stimmt zu, dass ein Rad Stampfen und Mühle zugleich treibt, bezweifelt aber ihre Deutung des Mühlenaufbaus.

In seinem Buch über die Landwirtschaft, dessen Vorwort auf 1313 datiert ist, beschrieb der chinesische Beamte Wang Zhen eine Mühle für schnell fließendes, reichliches Wasser. Ihr Rad war hoch und breit, und die Welle, so dick, wie ein Mann mit den Armen umfassen kann, wurde so lang gemacht, wie es nötig war. Drei Zahnräder auf der Welle trieben je einen großen Mühlstein an, der am Umfang Holzzähne trug, und jeder dieser Steine trieb zwei weitere, sodass das eine Rad neun Mahlgänge bewegte. Das Zahnrad am Kopf der Welle schlug außerdem auf eine tiefer liegende Welle, die mehrere Stampfen hob. Wang Zhen hatte solche Mühlen in Jiangxi und anderswo gesehen, wo sie Tee verarbeiteten: Die Stampfen zerstießen die Blätter, bevor sie auf die Mühlsteine kamen.

In Italien datiert Mario Grassi die Bologneser Seidenmühlen, in denen ein einziges Wasserrad die Zwirn- und Spulmaschinen über eine gemeinsame Welle antrieb, auf das späte 16. Jahrhundert. Die Seidenmühle von Derby in England war eine Kopie dieser italienischen Mühlen. Eine frühere wassergetriebene Mühle mit holländischen Maschinen, für Thomas Cotchett auf einer Insel im Derwent gebaut, war gescheitert. John Lombe, der für Cotchett gearbeitet hatte, brachte aus Italien Zeichnungen der piemontesischen Zwirnmaschinen und eine Gruppe italienischer Arbeiter mit, und am selben Ort baute sein Halbbruder Thomas, der 1718 ein Patent erhalten hatte, mit ihm eine neue Mühle.

Nach Angaben der Welterbestätte Derwent Valley Mills begann der Bau 1721, das Historic Environment Record von Derbyshire nennt dafür sowohl 1718 bis 1722 als auch 1717 bis 1721. Die Mühle war fünf Stockwerke hoch und stand auf Steinbögen, und alle ihre Maschinen erhielten ihre Kraft von einem einzigen unterschlächtigen Wasserrad. William Hutton, der dort sieben Lehrjahre verbracht hatte, schrieb 1791, das Rad drehe sich etwa zweimal pro Minute. Jedes der zahllosen Teile lasse sich nach Belieben anhalten und abkoppeln, doch das Ganze, über fünf große Säle verteilt, sei eine einzige Maschine, die zusammen anlaufe und stillstehe.

In Mühlen mit Zahnradantrieb brachte eine senkrechte Welle die Kraft durch das Gebäude zu einer Welle in jedem Stockwerk.

In britischen und frühen amerikanischen Mühlen lief die Kraft vom Rad eine senkrechte Welle hinauf und über Zahnräder zu einer Deckenwelle in jedem Stockwerk. Zu Beginn des 19. Jahrhunderts, erinnerte sich Fairbairn, waren diese Wellen schwer und langsam, vierkantig, aus Gusseisen und schlecht gekuppelt, und in manchen Mühlen brauchte man fast so viel Kraft, um sie zu drehen, wie für die Maschinen selbst. Nachdem er sich 1817 in Manchester mit James Lillie zusammengetan hatte, ersetzten die beiden Mühlenbauer sie durch leichte schmiedeeiserne Wellen, die dreimal so schnell liefen und Eisen wie Kraft sparten. Nach seiner Rechnung musste eine Welle mit 50 Umdrehungen pro Minute etwa dreimal so schwer sein wie eine schnellere, um dieselbe Arbeit zu übertragen.

In den Vereinigten Staaten ersetzten Riemen einen großen Teil der Zahnräder. Um die Jahrhundertmitte kennzeichneten sie die amerikanischen Spinnereien, und 1863 schrieb Fairbairn, die Amerikaner zögen Lederriemen und große Riemenscheiben vor. In manchen amerikanischen Baumwollspinnereien trieb eine riesige Trommel an der Hauptwelle die Wellenstränge über zwei bis drei Fuß (etwa 60 bis 90 cm) breite Riemen an, sodass die ganze Fabrik ohne Zahnräder lief. Die Mühlenbauer in Lancashire und Yorkshire blieben bei Zahnrädern und leichten, schnellen Wellen und nutzten Riemen vor allem, um die Kraft von den Wellen zu den Maschinen zu bringen. Fairbairn räumte ein, dass Riemen ruhig und geräuschlos liefen, meinte aber, dass sie durch Reibung in den Lagerzapfen mehr Kraft verloren und oft repariert werden mussten.

Elektromotoren traten zunächst einfach an die Stelle der Dampfmaschine, am Ende derselben langen Wellen. Der Ingenieur H. C. Spaulding wies auf die Reibungsverluste hin und darauf, dass die ganze Transmission lief, gleich wie viele Maschinen arbeiteten. Die Fabriken teilten die Wellen daraufhin in Gruppen mit je einem eigenen Motor. Im Werk von General Electric in Schenectady drehten 43 Motoren 5260 Fuß (etwa 1600 m) Wellen in rund 40 Werkstätten. Die Wellen wurden kürzer, in vielen Maschinenwerkstätten 30 bis 50 Fuß (9 bis 15 m), und verschwanden schließlich, als jede Maschine ihren eigenen Motor bekam. Nach Warren Devine stellten Elektromotoren 1929 etwa 78 % der Antriebsleistung für Maschinen in der amerikanischen Industrie.