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Schule > Geschichte > 18. und 19. Jahrhundert > Das KFZ - anfängliche Entwicklung einer Triebfeder der Industrialisierung

Wegweiser

I Einführende Begrüßung

II Auf dem Weg zum viehlosen Wagen

III Die Entwicklung der verschiedenartigen Antriebstechniken
Der interne Verbrennungsmotor von Lenoir bis Otto
Der elektrische Antrieb auf Straße und Schiene in seinen frühen Anfängen
Abschließender Satz über die Entwicklung der Dampftechnik
Dampf - Explosion - Elektron
Eine Auswertende Betrachtung

IV Grundlegende Entwicklungen am Rande
Der Siemens-Martin-Ofen
Die elektrische Zündung
Die Achsschenkellenkung

V Im Dienst der Industrie: Transport von Material und Personal

VI Was bleibt - Was geht - Was kommt: Meine Erwartungen an die Kraftfahrzeuge der Zukunft



Einführende Begrüßung

Zunächst beschäftigt uns die anfängliche Entwicklung der Kraftfahrzeuge. Danach möchte ich mich den Antriebstechniken nähern, im weiteren Verlauf noch exemplarisch drei grundlegende Entwicklungen am Rande beschreiben.
Alsdann möchte ich noch kurz den Einfluß der Kraftfahrzeuge auf die moderne industrialisierte Gesellschaft umreißen, um zum Abschluß einen Teufelsritt durch die jüngsten Entwicklungen und meine Erwartungen an die Kraftfahrzeuge der Zukunft zu wagen.

Auf dem Weg zum viehlosen Wagen

Schon die großen Forscher der Antike wussten sich die Expansionskraft des Dampfes zunutze zu machen. Doch nach den beiden größten wissenschaftlichen Katastrophen, nämlich dem Brand in der Bibliothek von Alexandria und beinahe 1000 Jahre Deutungshoheit der heiligen katholischen Kirche, kann die wissenschaftliche Leistung der Antike nicht mehr als Auslöser moderner Techniken gelten.

Wir befinden uns also im Jahre 1678. Ferdinand Verbiest erdenkt in Peking eine selbstfahrende Maschine. Unter Umständen konnte diese auch gebaut und in Bewegung versetzt werden. Jedoch ist das nicht mehr nachweisbar.
Und so kommt dem französischen Artillerieoffizier Nicholas Cugnot die Ehre zu, 1769 als erster einen selbstfahrenden Wagen gebaut zuhaben.
Cugnot wurde am 25.09.1725 in Void, Lothringen geboren. Er verstarb am 02.10.1804 in Brüssel und eine Woche später noch einmal in Paris.
Im DB-Museum Nürnberg steht der Nachbau für den Riefenstahlfilm "Das Stahlroß" heute wieder zur Besichtigung. Dieser war an das Tampa Bay Automobile Museum in Clearwater, Florida verliehen worden. Die Amerikaner haben dort einen funktionstüchtigen Nachbau auf die Räder gestellt.

Die nächsten Wagen werden von Richard Trevithick gebaut. Die "London Road Carriage" wurde von einem Maschinenbauer in London zu Werbezwecken betrieben. Jedoch wird das Experiment bald wieder eingestellt. Die hohen Betriebskosten sind dafür nicht entscheidend. Eher die Tatsache, daß der Betrieb den Presseredakteuren nicht einmal eine Randnotiz wert war.

Die weiteren wichtigen Entwicklungen fanden dann auf den damals üblichen wagon ways statt. Jedoch zeigt es sich schnell, daß weder die aus drei Fuß langen Gußeisenelementen zusammengesetzten Schienen für die Pferdebahnen noch der Unterbau dem hohen Maschinengewicht und den fortwährenden Erschütterungen gewachsen sind. Erst mit neuen Entwickungen in der Walztechnik konnten die noch heute üblichen rail ways gebaut werden. Diese zeichnen sich durch gute Lastverteilung und hohe Vibrationsbeständigkeit der Walzschienen aus.
Am 27.09.1825 wird die Stockton and Darlington Railway als erste kommerziell genutzte Bahnlinie in Betrieb genommen. Die Bahnlinie folgt übrigens noch heute zu weiten Teilen dem damaligen Verlauf. Auch die Brücke auf diesem Stich wird noch heute genutzt.
Vom Erfolg der Stockton and Darlington Railway getrieben wird auch die Liverpool and Manchester Railway gebaut. Hier findet das erste mal fahrplanmäßiger maschinengetriebener Personentransport statt. Dieser ist zur Verwunderung der Betreiber sogar profitabel.

Auf der Straße gelingt der nächste große Wurf 1886. In diesem Jahr läßt sich Carl Benz seine Motorkutsche patentrechtlich schützen.
1888 tritt seine Frau Berta dann ihre Fahrt von Mannheim nach Pforzheim an.

Auf der Straße hat man aber zunächst noch ein erhebliches Problem. Die Fahrzeuge sind kaum lenkbar. Dreiräder haben da noch einen Vorteil, jedoch verbietet sich diese Bauart für schwerere Fahrzeuge. Die ansonsten bei Kutschen übliche Drehschemellenkung kann da keine Abhilfe schaffen. Ernstzunehmende Geschwindigkeiten verbieten sich hier durch die starke Rückmeldung der Lenkung und die außerordentlich hohen Lenkkräfte.

Die Entwicklung der verschiedenartigen Antriebstechniken

Kommen wir zur Antriebstechnik und zurück in das Jahr 1678. Abt Jean de Hautefeuille schlägt eine Möglichkeit zur Förderung von Wasser mit einer schwarzpulverbetriebenen Maschine vor. In diesem Zusammenhang entwickelt er auch die Idee einer wärmebetriebenen Kraftmaschine.
1680 stellt Christiaan Huygens eine auf Hautefeuilles Ideen basierende dampfbetriebene Kolbenkraftmaschine vor.
Robert Street, Phillipe Leobon und viele mehr arbeiten weiter daran.

Der interne Verbrennungsmotor von Lenoir bis Otto

1859 gelang es tienne Lenoir die Dampfmaschine zum leuchtgasgetriebenen Motor weiterzuentwickeln. 1862 läßt er sich einen Viertaktmotor patentieren, baut ihn aber nach meinen Quellen nie.

Nun ist endlich Nicolaus August Otto am Zug. Unter dem Dach der von ihm und Eugen Langen gegründeten N.A. Otto und Cie entwickelt er den lenoirschen Motor zur Nutzbarkeit weiter. Es handelt sich zwar noch immer um einen atmosphärischen Motor. Doch Otto gewinnt während der Arbeiten am lenoirschen Motor wesentliche Erkenntnisse die ihn zum Viertaktmotor mit verdichteter Ladung führen. 1876 läßt er sich Diesen patentieren. Daraufhin bricht Ernst Körting einen Patentrechtsstreit zwischen Otto und Christian Reithmann vom Zaun. Bei diesem Winkelzug übergießt sich keine Seite mit Ruhm.
Heute ist das Geflecht aus Bestechungen, Falschaussagen und Meineid nicht mehr zu lösen. Aber sowohl Otto als auch Reithmann verließen den Prozeß als gebrochene Männer.

Die aus der N.A. Otto und Cie hervorgegangene Deutz AG erlitt bei den Machtspielen zwischen Körting und Langen erheblichen Schaden. Trotzdem konnte sie sich mit ihrem technischen Direktor Gottlieb Daimler und dem Leiter der Motorenkonstruktion Wilhelm Maybach zum wichtigsten Standort der Motorenproduktion entwickeln. Das konnte Körting schlußendlich nicht verhindern.

Der elektrische Antrieb auf Straße und Schiene in seinen frühen Anfängen

Auf der Berliner Gewerbeausstellung 1879 stellen Siemens und Halske die erste gebrauchsfähige el. Eisenbahn vor. Aber schon seit Michael Faradey 1821 den Leitungsmagnetismus beschrieben hat, finden erste Experimente mit elektrischen Motoren statt. Und schon lange vor Benz betreiben Tüftler in Europa und auch Übersee die ersten Elektrokarren.
Im Schatten der Dampfkraft entwickeln sich Elektrofahrzeuge bald auch zu einem wichtigen Faktor der urbanen Entwicklung. Auch die Montanwirtschaft erhält damit ein taugliches Werkzeug.
So sind die schon vor der Jahrhundertwende abgesteckten Einsatzgebiete unter Tage, als U-Bahn und innerhalb von Gebäuden sowie im Kurzstreckenverkehr noch heute die wichtigsten Einsatzgebiete elektrisch betriebener Kraftfahrzeuge.

Das wesentliche Unterscheidungsmerkmal bildet bei elektrisch betriebenen Fahrzeugen die Art der Energiezufuhr.
Während bei schienengebundenen Fahrzeugen sowohl Akkumulatorbatterien als auch die Zufuhr über externe Leitungen in Frage kommen, sind freie Fahrzeuge selbstredend auf den Akkubetrieb beschränkt. Lediglich Oberleitungsbusse, wie von Siemens um 1888 vorgestellt, bilden hier noch eine Ausnahme.

Ein wesentliches Problem stellt anfangs noch die Motorsteuerung dar. Während beim Betrieb mittels Gleichstrom die Motorleistung über große Vorwiderstände geregelt wird, sieht man sich bei Dreh- und Wechselstrombetrieb vor große Herausforderungen gestellt. Exemplarisch möchte dafür gelten, daß man beim Betrieb von Asynchronmaschinen dazu übergegangen war, die Leistungssteuerung über Netzfrequenzänderung seitens des Erzeugers durch Änderung der Rotationsgeschwindigkeit des Generators durchzuführen.
Auch an Transformatoren war noch nicht zu denken, da es nicht möglich war, die Netzfrequenz lastunabhängig zu Regeln. Zumindest nicht mit der erforderlichen Präzision.
Und Gebrauch von Hochspannung scheiterte an den damals verfügbaren Isolationsmaterialien.

Ein weiteres Beispiel für die damaligen Probleme möchte ich noch anbringen. Und zwar experimentierte man auch damit, der Maschine den Strom direkt über die Schienen zuzuführen. Brosius und Koch sagen darüber in ihrem Standardwerk "Lokomotivführer" wie folgt aus:
"Bei der Benutzung der Schienen selbst als Leitung für die Elektrizität ist eine möglichst sorgfältige Isolierung der Schienen notwendig ... Geschieht das nicht, so tritt ... der Übelstand ein, daß jedes Tier, welches beim Überschreiten der Bahn beide Schienenstränge gleichzeitig betritt ... durch die durchströmende Elektrizität erschreckt wird"

Bei Akkubetriebenen Fahrzeugen, egal ob frei beweglich oder schienengebunden, war es damals übrigens üblich, die Akkumulatorbatterie bei entsprechender Entladung aus dem Fahrzeug zu entnehmen und gegen eine voll geladene zu tauschen. Die Betreiber der Fahrzeuge hielten dafür spezielle Ladestationen bereit.

Abschließender Satz über die Entwicklung der Dampftechnik

Die Dampfkraft, welche uns schon eingangs als Leitfaden diente, erfährt natürlich im Laufe der Zeit noch erhebliche Verbesserungen. Neue Steuerungen reduzieren den Dampfverbrauch und ermöglichen den Expansionsbetrieb. Dampfüberhitzer verbessern den Wirkungsgrad ebenso wie Verbundmaschinen. Die Einführung von Exhaustoren ermöglicht liegende Kessel mit großer Verdampferfläche durch Rauch- und Feuerrohre. Ölbrenner erleichtern die Bedienung, Kohlestaubfeuerungen erweitern das Brennstoffspektrum. Siedrohrkessel bei freien Fahrzeugen reduzieren die Anheizzeit sowie den Wasser- und Brennstoffverbrauch.
Ebensowichtig sind immer bessere Werkstoffe. Sie ermöglichen, die Kesseldrücke von anfänglich unter 0,3 MPa auf bis zu 6 MPa in den 1930iger Jahren zu steigern. (1 Atü 1kg/cm² 750 Torr 1 Bar = 0,1 MPa)


Dampf - Explosion - Elektron
Eine Auswertende Betrachtung

Die anfänglich hohe Bedeutung der Dampfkraft auch bei freien KFZ ist schnell erläutert. Eine Dampfmaschine kann schon ab der Ruhelage erhebliche Kräfte freisetzen und über einen weiten Arbeitsbereich erhalten. Somit sind Kupplung und Getriebe überflüssig. Und grade Getriebe sind am Beginn der Entwicklung weder stabil noch leicht zu bedienen. Bis nach 1950 stellen Getriebe erhebliche Anforderungen an den Fahrzeugbediener.
Des weiteren sind interne Verbrennungsmotoren, wie von Otto entwickelt, am Anfang weder zuverlässig noch drehmomentstark.
Die Dampfkraft auf der Straße verliert erst spät an Bedeutung. 1924 schließt Stanley (USA) als größter Steamerproduzent im PKW-Bereich die Tore, im Vereinigten Königreich produziert Sentinel noch bis 1938 Schwerlasttransporter mit Dampfantrieb.

Freie Elektrofahrzeuge sind anfangs versprechender als die internen Verbrenner. Jedoch werden diese bald von der Akkutechnologie in die Schranken gewiesen. Lediglich im Kurzstreckenbetrieb und in Fällen, wo weder Abgas noch Abdampf geduldet werden kann, behaupten sich diese.

Die wesentliche Triebfeder für die internen Verbrennungsmotoren ist die Luftfahrt. In diesem Gebiet zählt jedes Gewicht. Und schon am Anfang der Entwicklung wird klar, daß auf lange Sicht lediglich die Motoren nach Ottos Bauart das benötigte geringe Leistungsgewicht erreichen können.
Als eine Krone dieser Ehe dürfte hier mit Sicherheit der Pratt & Withney double wasp mit seinen 2500PS (ANSI) gelten, bevor sich Strahltriebwerke endgültig in der Luftfahrt durchsetzten.
Experimente mit Turbinen waren bei Landfahrzeugen bisher fast immer Fehlschläge. Der hohe Grundverbrauch ist nur zu entschuldigen, wenn es auf die Verträglichkeit von schlechtesten Kraftstoffen ankommt.


Grundlegende Entwicklungen am Rande

Jetzt möchte ich euch den größten Wegbereiter der Industiealisierung nahebringen. Ich dachte, diese Erfindung unterschlagen zu können, aber ihre Relevanz verbietet dieses.

Der Siemens-Martin-Ofen

1865 läßt sich Friedrich Siemens die Regenerativfeuerung patentieren. Dabei nutzt man die heißen Abgase, um die Verbrennungsluft und das Generatorgas vorzuwärmen. Damit sind sehr hohe Temperaturen bei gleichzeitiger Brennstoffeinsparung erreichbar.
Leider schmelzen die damals für die Ausmauerung verwendeten Materialien schon bei 1600°C, sodaß an die spätere Bedeutung in der Stahlproduktion noch nicht zu denken ist.
Friedrich Siemens wird damit aber in der Glasproduktion groß.
Emilé Martin und sein Sohn Pierre-Emilé entwickeln eine neue Ausmauerung und machen den Regenerativofen für die Stahlproduktion nutzbar. Jetzt können erstmals Temperaturen von 1900°C in der Schmelze erreicht werden.
Am 08.04.1864 wenden sie diesen Ofen erstmals für die Produktion von Schmiedeeisen an.
1867 ist der Siemens-Martin-Ofen der große Renner auf der Pariser Weltausstellung. Denn mit ihm ist es erstmals möglich, große Mengen Schmiedeeisen bei gleichbleibender, hoher Qualität zu produzieren.

Die 1. Generation konnte wohl schon bis zu 10 Tonnen Stahl veredeln.
Außerdem wurde hier das erste mal Schrotteinsatz in der großtechnischen Produktion möglich.
Der erste Siemens-Martin-Ofen in Preußen wird von Krupp in Essen 1869 in Betrieb genommen. Der letzte Siemens-Martin-Ofen auf dem Gebiet der BRD stellt 1993 in Brandenburg (Stadt) den Betrieb ein.

Nähern wir uns nach diesem kurzen Ausflug wieder dem Kraftfahrzeug an. Zunächst müssen wir über die Zündung sprechen.
tienne Lenoir zündete seine Leuchtgasmotoren mit einer durchgehend brennenden Zündflamme. Nachdem das zündfähige Gemisch angesaugt ist öffnet die Motorsteuerung eine Klappe, durch welche die Zündflamme jetzt das im Brennraum befindliche Gemisch entzünden wird.
Ottos Motoren arbeiten aber bereits mit verdichteter Ladung. So ist es nichtmehr besonders praktikabel eine Klappe zu öffnen, da ja so die Verdichtung zunichte gemacht würde. Zunächst experimentierte er mit der Glührohrzündung. Hier läßt sich der Zündzeitpunkt jedoch nicht präzise genug bestimmen.

Die elektrische Zündung

Ottos Motor benötigte aber schon damals einen präzisen Zündzeitpunkt. Diesen erhoffte er vermittels Elektrizität sicherstellen zu können. In enger Zusammenarbeit entwickelten Otto und Robert Bosch 1884 zunächst die
Abreißzündung.
Bei der Abreißzündung wird ein in einem Hufeisenmagneten befindlicher T-Anker nach Bauart Siemens zunächst von der Motorsteuerung gegen eine Feder gespannt. Im entscheidenden Moment gibt die Steuerung den Spannhebel frei und der Anker schnellt, getrieben von der Federkraft, in seine Ausgangslage zurück und darüber hinaus. Im Moment des Überschreitens der Ausgangslage öffnet der Anker zusätzlich einen im Brennraum befindlichen Kontakt. Der vom Anker frei nach erzeugte Strom wird unterbrochen und zieht einen starken Lichtbogen.

Die Grenze der mechanischen Belastbarkeit und die Trägheit des Federmechanismus schränken natürlich auch die Drehzahlen erheblich ein.

Durch Fortschritte auf dem Gebiet der elektrischen Isolationsmaterialien wird aber bald auch Hochspannung beherrschbar. Und so dauert es nicht lange, bis Robert Bosch seine noch heute gebräuchliche Unterbrecherzündung vorstellt.
Hier wird die Stromversorgung von einem dauerhaft mitlaufenden Dynamo, dem "Zündmagneten", sichergestellt. Der Unterbrecherkontakt sitzt nun vor einem Transformator, der "Zündspule". Wird der durch die Niederspannungsspule des Trafos fließende Strom unterbrochen, so induziert das zusammenbrechende Magnetfeld auch eine Spannung in der Hochspannungsspule. An den in den Brennraum hineinragenden Kontakten der Zündkerze springt jetzt der Zündfunke über.

Die Achsschenkellenkung

Aus den Ideen von Erasmus Darwin entwickelt Georg Lankensperger als Hofwagner in München die 1816 Achsschenkellenkung. 1817 läßt er selbige durch Rudolf Ackermann auch in England Patentieren. Deshalb ist die Achsschenkellenkung im Bereich des Vereinigten Königreiches auch als A-steering oder Ackerman-steering bekannt.
Andernorts nimmt davon niemand Notiz. Ob Carl Benz 1891 das bayrische bzw. englische Patent bekannt war ist nichtmehr nachzuvollziehen. Und auch der Franzose Amédeé Bolleé erfindet 1875 wenn schon nicht das Rad, dann zumindest die Lenkung neu.
Was macht jetzt die Achsschenkellenkung so besonders?
Es gibt drei wesentliche Unterschiede zur Drehschemellenkung. Zum einen kippt das Fahrzeug bei starkem Lenkeinschlag nichtmehr kommentarlos um. Des Weiteren ist die Rückmeldung von Seitens der Lenkung nichtmehr geneigt, den Wagenlenker einfach umherzuwirbeln. Auch die auftretenden Lenkkräfte sind wesentlich geringer.
Damit sind den Kraftfahrzeugen jetzt auch größere Geschwindigkeiten erlaubt. Der Daimler Mercedes Simplex 45PS erreicht 1905 schon Geschwindigkeiten von 120 km/h.

Jahre nachdem Bollée nun schon erfolgreich nicht nur Glocken gießt verwendet Benz die Achsschenkellenkung in seinem Modell Viktoria. Im Nachfolger seiner dreirädrigen Vorgänger wird hier die Achsschenkellenkung erstmals in einem echten Großserienfahrzeug eingesetzt. Zwischen 1893 und 1900 verkauft sich der Wagen über 1000 mal.

Im Dienst der Industrie: Transport von Material und Personal

Die moderne Wirtschaft steht und fällt mit dem schnellen und wirtschaftlichen Transport von Personal und Material. Allein die nun vor den Toren der großen Städte entstehenden Fabriken benötigen eine verläßliche Personal- und Materialversorgung. Am Beispiel der Entwicklung Berlins kann man den Einfluß der 1877 fertiggestellten Ringbahn gut erkennen. Das steht exemplarisch für alle nun wachsenden Industriezentren.
Ab 1900 finden die ersten Kraftfahrzeuge Verbreitung. Für den Individualverkehr sind hier die wichtigsten Träger die Krafträder. Grade die Führerscheinfreie 125cm²-Klasse aber auch die günstig verfügbaren Hilfsmotoren für Fahrräder tragen nach dem 1. Weltkrieg erheblich zur Massenmotorisierung bei.
Als Henry Ford sein Modell T (Tin-Lizzy) ab 1914 an Fließbandstraßen fertigt werden auch mehrspurige Fahrzeuge langsam erschwinglich.
Der Opel Laubfrosch ist 1924 der erste in der Weimarer Republik gefertigt Wagen vom Fließband.
Doch weiterhin und bis in die 50iger Jahre (BDR) beziehungsweise 60iger Jahre (DDR) trägt das Kraftrad mit seinen Erweiterungsmöglichkeiten die Hauptlast des Individualverkehrs.

Zur Güter- und Materialversorgung der Industrie und der Gewerbewirtschaft bleiben zunächst Schienengebundene Fahrzeuge der Hauptträger. Lediglich im Kurzstreckenverkehr finden Lastkraftwagen Anwendung. Mit zunehmender Verbesserung der Infrastruktur wird aber grade der Stückgutverkehr auf der Schiene unwirtschaftlich. Heute findet der Schienengebundenen Last- und Güterverkehr nur noch Anwendung, wenn Ganzzüge entsprechend hohe Ladungsmengen regelmäßig zwischen 2 Punkten umschlagen können.

Was bleibt - Was geht - Was kommt:
Meine Erwartungen an die Kraftfahrzeuge der Zukunft

Die noch verbleibenden Mineralölreserven sind immer schwieriger zu bergen. Auch das Verkehrsvolumen wird in Zukunft weiter anwachsen, daraus resultierend auch die Luftbelastung. Diese Umstände machen es unumgänglich, alternativen zum Verbrennungsmotor zu finden.
Grade im Kurzstreckenverkehr bieten dank neuster Entwicklungen im Bereich der Energiespeicher Elektrofahrzeuge heute wieder eine brauchbare Alternative. Am MIT forscht man aktuell an Li-O2-Zellen, welche eine hohe Lebensdauer bei extremen Ladeströmen versprechen.
Es währe natürlich auch hilfreich, wenn sich die Hersteller endlich auf einen Standard einigen könnten, welcher das alte System Wechselakku wieder möglich macht.

Auch für die weiterhin ansteigende Verkehrsdichte und die länger werdenden Wege hält die moderne Wissenschaft schon einige interessante Entwicklungen bereit.
So finden sich schon jetzt in einigen KFZ Systeme, welche dem voraus fahrenden Fahrzeug eigenständig folgen können.
Spurhalteassistenten verhindern das ungewollte Verlassen der zugedachten Fahrbahn, Bremsassistenten erkennen Notbremssituationen aus den Informationen moderner Radarsensoren im Fahrzeug und erhöhen die Bremskraft selbständig bis an die physikalischen Grenzen. Auch auf Seitenwind können die Systeme schon reagieren.
Lediglich der Gesetzgeber hat an dieser Stelle noch keine Rechtssicherheit für den Einsatz entsprechender technischer Hilfsmittel geschaffen.

Doch wie uns die Geschichte lehrt braucht Entwicklung Zeit. Vergingen vom 1. Selbstfahrenden Wagen bis zum 1. Automobil in Serienfertigung circa 130 Jahre. Beim Verbrennungsmotor waren es sogar 200 Jahre.

Zusätzlich bedingen Entwicklungen einander und wachsen in gegenseitiger Abhängigkeit. So währe ohne günstige, hochqualitative Stähle ein weitverbreiteter interner Verbrennungsmotor grundsätzlich undenkbar. Das selbe gilt für erschwingliche Kraftfahrzeuge.

Nun möchte ich mich für Ihr Gehör bedanken. Wer es mir nur geliehen hatte kann es sich jetzt im Sekretariat wieder abholen.

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