Die Entstehung der Dampfmaschine

Von: Jens Riesner
Rubrik: Entwicklung

a)  Erste Dampfmaschinen

Die Entwicklung der Dampfmaschine im 18. Jahrhundert veränderte die westliche Gesellschaft grundlegend. Auch das Zahnrad war von dieser Entwicklung immer wieder direkt oder indirekt betroffen.
Einer der ersten Wissenschaftler, der sich mit der Dampfmaschine eingehend beschäftigte war der Franzose Denis Papin. Seine Assistenz bei Christiaan Huygens, die er zwischen 1671 und 1675 in Paris absolvierte und der enge Kontakt zu Gottfried Wilhelm von Leibnitz, brachten den eigentlichen Mediziner näher an die Naturwissenschaften. 
Bereits 1690 berichtete Papin während seiner Professorenzeit am Lehrstuhl für Mathematik in Marburg erstmals über die Entwicklung seiner atmosphärischen Dampfmaschine. Er war mit seinen Forschungen schon weit vorangekommen und stand nun vor dem Problem der Kraftübertragung vom Kolben auf die Antriebswelle. Er verwendete hierfür eine Zahnstange, die mit einem Zahnrad verbunden werden sollte, das  auf der Welle saß. 1693 stelle er schließlich seine atmosphärische Dampfmaschine öffentlich vor.
1698 stellte Papin erste Überlegungen für eine Hochdruckdampfmaschine an, als in London das Patent für eine Hochdruckdampfpumpe an Thomas Savery vergeben wurde. Papin unterbrach daraufhin bis 1705 seine Versuche an der eigenen Dampfmaschine, bis er die Pläne von Saverys Dampfpumpe erhielt. Er legte diese  dem Landgrafen von Marburg vor, der ihm den Auftrag für eine ähnliche Maschine gab, mit der die fürstlichen Wasserspiele in den Karlsauen angetrieben werden sollten. Er konnte die Maschine zwar fertig stellen, ein fehlerhaftes Steigrohr verhinderte allerdings die Inbetriebnahme der Anlage. Aufgrund dieses Fehlschlages erkannte Papin die Probleme, die durch den fehlenden Kolben im Arbeitsgefäß der damaligen Dampfmaschinen auftraten.
Auch wenn Dampfmaschinen zunächst nur wenig mit Zahnrädern verband, so hatte Papin doch bereits den Kolben durch eine Zahnstange ersetzen wollen, die über ein Zahnrad die Kurbelwelle antreiben sollte.1
Noch während Denis Papin zunehmend weniger Beachtung fand, griffen andere Erfinder die Idee der Dampfmaschine auf. Auch Thomas Newcomen beschäftigte sich seit Anfang des 18. Jahrhundert intensiv mit diesem Thema. An den gelernten Eisenwarenhändler traten einige Bergwerksfirmen heran, die mit zunehmender Tiefe leistungsfähigere Maschinen benötigten um das eindringende Grundwasser abpumpen zu können. 1710 hatte er bereits eine Einspritzkondensation für seine Dampfpumpe entwickeln können, die ein Vakuum im Kolben erzeugte, bevor er ein Jahr später die Forschungen für eine atmosphärische Dampfmaschine aufnahm. 1712 nahm schließlich die erste seiner Maschinen in Wolverhampton die Arbeit auf.
Newcomen verband Kolben und Balancier nicht mehr über ein Zahnrad, sondern nutzte hierfür eine Kette. Seine Maschine übertraf den Wirkungsgrad von Saverys Anlage bei Weitem, allerdings hatte dieser noch ein Patent auf die Dampfmaschine. Statt wie Papin gegen Savery zu arbeiten, schloss sich Newcomen mit ihm zu einer Partnerschaft zusammen. Auch wenn die Newcomsche Dampfmaschine nur einen geringen Wirkungsgrad hatte, konnte sie dennoch erst durch die neuartige Dampfmaschine von Watt verdrängt werden.
Die Konstrukteure des 18. Jahrhunderts waren zum größten Teil praktisch orientiert und wie Newcomen keine Wissenschaftler. Sie nutzten ihre Erfahrung und verbesserten die bestehenden Maschinen. Dabei gelang es ihnen auch, das laute und sich leicht verklemmende Zahnrad zu vermeiden. Stattdessen wurden Kurbeln oder Ketten verwendet. Erst gegen Ende des Jahrhunderts, als doppelt wirkende atmosphärische Dampfmaschinen aufkamen wurde das Zahnrad wieder interessant und nützlich.
1794 wurde eine solche Anlage für eine Baumwollspinnerei in Manchester entwickelt. Die Verzahnung arbeitete ähnlich wie bereits bei Papins Erfindung. Das Zahnrad saß zwischen zwei Kolbenstangen, die eine Hin- und Herbewegung verursachten und durch ein weiteres Zahnrad in eine Drehbewegung umgewandelt wurde.2
Die Dampfmaschinen des 18. Jahrhunderts leisteten nur beschiedene Arbeit. Sie waren laut, kompliziert und benötigten unheimliche Mengen an Energie. Die Möglichkeit, Dampf wirtschaftlich nutzbar zu machen entwickelte erst James Watt, weshalb er zu Recht als der eigentliche Erfinder der Dampfmaschine bekannt wurde.

b)  James Watt und das ungeliebte Zahnrad

Mit James Watt entstand eine neue Generation von Dampfmaschinen. Auch er hatte zu Beginn seiner Forschungen nur einfache Pumpmaschinen wie Papin, Savery oder Newcomen entwickelt. Sie enthielten einen Kolben auf der einen und einen Balancier auf der anderen Seite. Ein Zahnrad war auch bei ihm aber noch nicht anzutreffen. Watt konnte diese Maschinen verbessern, indem er dem Kessel einen Kondensator vorschaltete, also eine Kammer in der das Wasser bereits kondensieren konnte, bevor es in den Kessel gelangte. So konnte er die Leistung der herkömmlichen Dampfmaschine deutlich steigern. Watt war sich der Probleme der bestehenden Anlagen bewusst und begann auf Drängen seines Geschäftspartners Boulton mit der Konstruktion einer rotierenden Dampfmaschine. Er ersetzte dabei das Schubgestänge durch eine Kurbel, die nun die Antriebswelle drehen sollte.3 
Als Watt 1781 sein Patent anmeldete, fügte er fünf verschiedene Methoden ein, um eine hin- und her schwingende Bewegung in eine Drehbewegung umzuwandeln. Die letzte Alternative, die er vorstellte, war die Verwendung eines Planetengetriebes. Als sein Kontrahent Washborough von Watts Kurbelidee erfuhr, konnte er noch vor Watt die Verwendung von Kurbeln bei Dampfmaschinen als Patent anmelden. Watt musste nun unfreiwillig auf das Planetengetriebe zurückgreifen, dessen Erfindung auf William Murdock zurückging. Das Umlaufrad konnte entweder innen oder außen auf dem Wellenrad aufgesetzt werden und übertrug die Kraft direkt auf die Welle, während die Kurbel zuerst den Kurbelzapfen ansteuerte. Die Kraftübertragung der Zahnradmethode erreichte zu dieser Zeit sogar das Doppelte an Kraft als die Kurbelvariante. Natürlich wusste Watt bereits zuvor von den theoretischen Vorteilen des Zahnrades, doch die Umsetzung der idealen Verzahnung in die Praxis bereitete ihm und seinen Mitarbeitern aus bekannten Gründen Kopfzerbrechen. Das Rad war zu unzuverlässig und die Verzahnungen zu ungenau.4 
Erst die Veränderung der Zahnform zu Zykloiden brachte den gewünschten Erfolg. Watts erste mit Planetengetriebe versehene Dampfmaschine lief im Juli 1782 und trieb einen Schmiedehammer an. Watt selbst schrieb äußerst erfreut: „Nun vermag die Maschine in unseren Fabriken, Mühlen, und anderen Betrieben Wasser-, Wind- und Pferdekraft zu ersetzen; jetzt braucht die Fabrik nicht mehr zur Kraft zu gehen, sondern diese geht überall dahin, wo es dem Unternehmer am zweckmäßigsten ist.“5 
Als Ingenieur und Techniker war Watt nie mit den gewöhnlichen Mühlenbauern zurechtgekommen und hatte stets Schwierigkeiten seine Dampfmaschine dort einzubringen. Erst John Rennie schaffte es 1788 zwei Watt´sche Dampfmaschinen mit einer Gesamtleistung von 150 PS zusammenzuschließen und 20 Mühlsteine antreiben zu lassen. Die Zahnräder die er verwendete waren zum größten Teil aus Gusseisen, nur einige Kammräder wurden noch aus Hartholz angefertigt. Die Zähne wurden mit Hilfe eines Meisels zu Zykloiden geformt. Watt und Rennie hatten bereits 1785 auf eine Berechnung der Zahnkrümmung verwiesen.
Weil die gute Form der Zahnräder für die Watt´sche Dampfmaschine so wichtig geworden war schrieb Matthew Boulton an Watt, ob es sich nicht lohnen würde, eine Maschine zum Teilen und Schneiden der Zahnräder zu konstruieren, um eine möglichst gleichmäßige Form und hohe Genauigkeit zu erhalten.6
Es war also der Notlage von James Watt, der keine Kurbel mehr verwenden durfte, zu verdanken, die dem Zahnrad eine neue, ungemein wichtige Bedeutung verschaffte und letztlich der endgültige Auslöser für die intensive Forschung nach passenden Zahnformen und dem idealen Getrieben war.

c)  Kugellager und Schnellläufer

Als im Jahr 1800 das Watt´sche Patent auf die Dampfmaschine auslief und somit jeder Wissenschaftler die Möglichkeit hatte, die Ideen zu übernehmen und zu verbessern, entstand eine Vielzahl neuer Konstruktionen. Das Ziel der meisten Konstrukteure war die Leistungssteigerung der Dampfmaschinen. Sie sollten schneller und effektiver werden.
Einer der Ersten, die in der Lage waren eine Hochdruckdampfmaschine zu bauen war der US-Amerikaner Oliver Evans. Er hatte seine Erfindung bereits 1784 beendet, konnte die Maschine aber erst 1812 bauen. Ihm zuvor kam Richard Trevithick, der seine Konstruktion bereits 1801 fertig stellte. Die neuen Maschinen waren in ihrer Technik sehr anspruchsvoll. Zum einen mussten die Maschinenteile überaus passgenau sein, so dass die Metallbearbeitung und Maschineneteileherstellung steig verbessert wurde. Zum anderen bestand bei den Hochdruckmaschinen ständig die Gefahr, dass der Kessel explodieren könnte. Als weiteres Problem erwies sich die rasche Abnutzung der Antriebswellen an den beweglichen Teilen. Durch die hohe Geschwindigkeit konnten diese Bereiche nicht mehr in notwendiger Weise geschmiert werden. Hier half eine Idee, die bereits Leonardo da Vinci aufgebracht hatte, das Kugellager.7 
1794 tauchten das erste Mal Kugellager an Achsen auf. Das Patent hierfür hatte der Engländer Vaughan erhalten. Doch erst 1850 erfand Friedrich Fischer in Schweinfurt das moderne Kugellager.
Mit den neuen Hochdruckdampfmaschinen waren neue Anwendungsmöglichkeiten entstanden. Um die entstandene Technik aber effektiv nutzen zu können mussten nicht nur die Maschinen in ihrer Zusammensetzung überprüft, sondern auch deren Bestandteile kontinuierlich verbessert werden. Dazu gehörte vor allem das Zahnrad. Jahrhunderte lang hatte man an der Form und der Herstellungsweise nur wenig verändert, aber die Forschungen von Huygens oder Euler brachten die Überlegungen über spezielle Zahnformen weiter voran.
Daneben versuchte man die Dampfmaschine in verschiedensten Fahrzeugen und Fabriken einzusetzen. Sie wurde zur Allzwecklösung der Industrie. Besonders revolutionär aber waren die mit Dampfkraft betriebene Schiffe und Wägen, die seit Ende des 18. Jahrhunderts den Wissenschaftlern vorschwebten. Ihr Auftreten revolutionierte die gesamte Gesellschaft. 

d)  Dampfschiffe und Eisenbahnen

Die Entwicklung der Dampfmaschine brachte Forscher und Ingenieure auf immer neue Ideen zur Anwendung des revolutionären Apparates. Die Maschine sollte nun nicht mehr stationär in Fabriken stehen und Produktionseinheiten antreiben, sie sollte auch die Transportmöglichkeiten verbessern. Sie wurde in Kutschen ebenso eingebaut, wie in Schiffe oder in Schienenfahrzeuge.
1807 begann mit der Dampfmaschine von Robert Fulton die Ära der Dampfschifffahrt. Bereits 1803 hatte der Amerikaner in Paris auf der Seine erste Versuche mit seinem Dampfschiff unternommen. Allerdings erreichten diese Experimente in Europa nur geringe Erfolge. Erst in den USA konnte er sich mit seinem Dampfschiff „Claremont“ endgültig durchsetzen. Auf dem Hudson River eröffnete das 20 PS starke Dampfschiff schließlich den Linienverkehr. Auch Fulton verwendete Zahnräder als Vorgelege, um ein Schwungrad anzutreiben, das als Kraftausgleich dienen sollte.8
Auch sein Landsmann John Stevens verwendete für sein Dampfboot ein Zahnradgetriebe mit gusseisernen Zähnen. Das erste europäische Dampfschiff „Comet“ von Bell war 1812 ebenso auf den Antrieb mit Hilfe von Zahnrädern angewiesen. Den Erfindern dieser Zeit war es nicht möglich gewesen auf das Zahnrad zu verzichten und dennoch die nötige Energie für den Schiffsantrieb zu erzeugen. Allerdings verursachten die noch sehr ungenau gefertigten Zahngetriebe einen solchen Lärm, dass es nicht möglich war, auf dem Schiff verständliche Befehle zu geben. Erst die Einführung von leistungsfähigen Hochdruckdampfmaschinen konnte das Zahnrad in der Dampfschifffahrt durch Kurbeln ersetzen. Die stark verbesserten Zahnräder des 20. Jahrhunderts  fanden schließlich wieder bevorzugte Verwendung in der Dampfschifffahrt.
Ein ähnliches Schicksal wie in der Dampfschifffahrt ereilte das Zahnrad auch in der Entwicklung der Dampfwagen und der Dampfeisenbahn. Anfangs spielte das Zahnrad eine wichtige, ja fast unumgängliche Rolle. Mit zunehmender Forschung aber lernte man auf das Zahnrad zu verzichte. Es trifft die Situation des 19. Jahrhunderts wohl am besten, wenn man das Zahnrad als notwendiges Übel bezeichnet, das man versuchte, möglichst zu umgehen.
Der Vater der Dampfwagen war zweifelsohne Richard Trevithick, der Weihnachten 1801 sein Fahrzeug auf seine erste Testfahrt schickte und sogar Personen transportieren konnte. Sein „Feuerdrachen“ funktionierte mit Hilfe einer Zahnradübersetzung, die von der Antriebswelle ausgehend mit beiden Achsen über eine Verzahnung verbunden war und diese damit antreiben konnte. Die Räder waren wegen ihrer Größe sehr beeindruckend, alleine das Treibrad der Konstruktion maß zweieinhalb Meter im Durchmesser.9
Vor Trevithicks hatten bereits andere Wissenschaftler versucht die Dampfmaschine als Fahrzeugantrieb zu nutzen. Nicholas Cugnot 1769 und William Murdoch 1784 hatten schon Jahre zuvor ihre Erfindungen zum Fahren gebracht.10 

Fußnoten

1 Universitätsbibliothek Marburg: 300 Jahre Denis Papin – Naturforscher und Erfinder in Hessen; Marburg, 1987; S. 13

2 Matschoß, Conrad: Geschichte des Zahnrades; Berlin, 1940; S. 45f3

3 Sittauer, Hans L.: James Watt; aus der Reihe: Biographien hervorragender Naturwissenschaftler, Techniker und Mediziner, Band 53; Leipzig, 1981; S. 45

4 Sittauer, Hans L.: James Watt; aus der Reihe: Biographien hervorragender Naturwissenschaftler, Techniker und Mediziner, Band 53; Leipzig, 1981; S. 86f

5 Carnegie, Andrew: James Watt ; New York, 1905; Chapter three

6 Encyclopaedia Britannica: John Rennie (www.britannica.com)

7 Wußling, Hans-Ludwig: Fachlexikon Forscher und Erfinder; Hamburg , 2005; S. 567

8 Schmitt, Klaus: Robert Fultons erstes Dampfschiff; Herford, 1986

9 Fachlexikon Forscher und Erfinder; S. 567

10 Vetter, Klaus J.: Alles über die Dampflok; München, 2007; S. 23