1780: James Pickard erhält (k)ein Patent auf eine Kurbel

Leser, die schon frühe Dampfmaschinen gesehen haben, werden das “Sonne+Planeten-Getriebe” kennen (im Englischen »sun and planet gear«). Vielleicht ist auch bekannt, dass Watt dieses Planetengetriebe nutzte, um eine Drehbewegung zu erzeugen ohne eine Kurbel zu benutzen. Selbstverständlich war der Gebrauch einer Kurbel, um aus einer translatorischen Bewegung eine Drehbewegung zu erzeugen, allgemein bekannt. Watt schrieb an seinen Sohn 1:

The real inventor of the rotative motion was the man, be he Chinese, Indian, Arabian, Greek or Goth, who first made a common foot-lathe. The applying it to an engine was merely taking a knive to cut cheese which had been made to cut bread.

Der wirkliche Erfinder der Drehbewegung war der Mann, sei er Chinese, Inde, Araber, Grieche oder Gote gewesen, der die normale fußbetriebene Drehbank gebaut hat. Das dann auf die Maschine anzuwenden, war so, wie man ein Brotmesser nimmt um Käse zu schneiden.

Ganz so leicht war es aber dann doch nicht. Farey beruft sich auf einen Mr. John Stewart, der 1777 einen Vortrag bei der Royal Society hielt, wie folgt 2:

In this paper Mr. Stewart speaks of a crank or winch, as a mode of obtaining the circular motion, which he says naturally occurs in theory, but in practice he thought it would be impossible, from the nature of the motion of the engine, which depends on the force of the steam, and cannot be ascertained in its length ; therefore on the first variation, the machine would be either broken to pieces, or turned back ; Mr. Smeaton entertained the same idea.

In diesem Vortrag erwähnt Hr. Stewart eine Kurbel als eine Möglichkeit, eine Drehbewegung zu erzeugen. Dies sei theoretisch ganz natürlich, in praxi jedoch durch die Art der Maschinenbewegung, die durch die Kraft des Dampfes gegeben und nicht in ihrer Länge zu beschränken sei unmöglich; daher würde bei der ersten Abweichung die Maschine entweder in Stücke gehen oder falsch herum drehen. Mr. Smeaton dachte ebenso.

Man weiß nichts weiter über Mr. Stewart, der bei dieser Gelegenheit seine Lösung vorstellte, in der zwei endlose Ketten zentrale Elemente waren. Farey’s trockene Bemerkung »Mr. Smeaton entertained the same idea.« hat aber Gewicht, da John Smeaton (1724-1792) zu den großen Ingenieuren der Zeit zählte und auch im Maschinenbau Beiträge geleistet hatte. Aussagen Smeatons sind erhalten und finden sich bei Ferguson 3. Es heißt dort:

John Smeaton, in the front rank of English steam engineers of his time, was asked in 1781 by His Majesty’s Victualling-Office for his opinion as to whether a steam-powered grain mill ought to be driven by a crank or by a waterwheel supplied by a pump. Smeaton’s conclusion was that the crank was quite unsuited to a machine in which regularity of operation was a factor. “I apprehend,” he wrote, “that no motion communicated from the reciprocating beam of a fire engine can ever act perfectly equal and steady in producing a circular motion, like the regular efflux of water in turning a waterwheel.” He recommended, incidentally, that a Boulton and Watt steam engine be used to pump water to supply the waterwheel.[7] Smeaton had thought of a flywheel, but he reasoned that a flywheel large enough to smooth out the halting, jerky operation of the steam engines that he had observed would be more of an encumbrance than a pump, reservoir, and waterwheel.[8]

John Smeaton, zu der Zeit in der ersten Reihe der englischen Dampfmaschinen-Ingenieure, wurde 1781 vom Königlichen Proviantamt dazu befragt, ob eine dampfbetriebene Kornmühle mittels einer Kurbel oder durch ein per Pumpe gespeistes Wasserrad getrieben werden solle. Smeaton hielt eine Kurbel für ungeeignet, wenn die Arbeitsmaschine gleichförmig laufen solle. Er schrieb: »Ich befürchte, dass keine Bewegung, die durch den hin- und her gehenden Balancier einer Feuermaschine erzeugt wird, jemals eine so gleichmäßige Drehbewegung erzeugen kann, so wie es das Abfließen des Wassers bei einem Wasserrad vermag«. Smeaton empfahl, eine Dampfmaschine von Boulton und Watt einzusetzen und damit Wasser zu pumpen, um ein Wasserrad zu speisen. Smeaton hatte ein Schwungrad in Erwägung gezogen, allerdings meinte er, dass ein Schwungrad, welches groß genug sei um den stockenden und ruckartigen Gang der Maschine auszugleichen, eine größere Belastung sei als Pumpe, Reservoir und Wasserrad.

Die Zeitgenossen waren also wohl der Ansicht, daß eine atmosphärische Maschine nicht so ohne weiteres - also nicht mit einer Kurbel - eine Drehbewegung erzeugen könne. Dabei sollte man nicht vergessen, dass die Newcomen-Maschine prinzipiell einfach wirkend war - der Luftdruck drückte den Kolben hinab. Hinauf ging es normalerweise durch das große Gewicht der Pumpe und ihres Gestänges. Ferner ist zu bedenken, dass die Zahl der Hübe gering war, u.U. weniger als 10 und sicherlich nur in Ausnahmen mehr als 15 pro Minute. Auch die frühen Watt’schen Maschinen waren einfachwirkend, auch hier war die Hubzahl niedrig, wenn auch vielleicht geringfügig höher. Dennoch waren die Zweifel auch hier gerechtfertigt - aber es gab eine Reihe von Versuchen, eine Drehbewegung zu erreichen.

Matthew Wasbrough (1753-1781) baute 1779 eine atmosphärische Maschine für eine Mühle in Birmingham. Diese erhielt einen »pawl-and-ratchet«-Mechanismus, um eine Kreisbewegung zu erzeugen 4. Wasbrough erhielt im gleichen Jahr das Patent 1213 auf seinen Mechanismus. Wie dieser ausgesehen hat, ist mir bislang nicht klar geworden. »pawl« läßt sich genauso wie »ratchet« als Knarre, Ratsche oder Klinke übersetzen. Ferguson schreibt, Patent 913 zitierend: 5:

Matthew Wasbrough, of Bristol, the engineer commonly credited with the crank patent, made no mention of a crank in his patent specification, but rather intended to make use of “racks with teeth,” or “one or more pullies, wheels, segments of wheels, to which are fastened rotchets and clicks or palls….” He did, however, propose to “add a fly or flys, in order to render the motion more regular and uniform.” Unfortunately for us, he submitted no drawings with his patent specification.

Matthew Wasbrough aus Bristol, der Ingenieur, dem man normalerweise das Kurbel-Patent zuschreibt, erwähnt keine Kurbel in seinem Patentantrag. Statt dessen beabsichtigte er »Zahnstangen«, »ein oder mehrere Rollen, Räder sowie Segmente von Rädern, an denen Klinken und Sperrklinken oder Rasten befestigt werden« zu benutzen. Jedoch schlug er vor, »ein oder mehrere Schwungräder zu verwenden, um eine gleichförmige Bewegung zu erzielen.» Leider fügte er seinem Patentantrag keine Zeichnung bei.

Bleibt also festzuhalten, dass dieses Patent sich nicht auf die Kurbel erstreckte, wohl aber ein Schwungrad erwähnt. Wasbrough scheint mit seinem Mechanismus (Watt nennt ihn »rick rack«) keinen großen Erfolg gehabt zu haben, es gab immer wieder Störungen. Nach einem Umbau, bei dem das »rick rack« durch eine Kurbel ersetzt wurde, schreibt Watt an Boulton (November 1780) 6:

Matthew Wasbrough has got a (single) crank to Snow Hill engine and it does very well, better than the rick rack. … I think you should call on Matthew as you return and let him know that we will dispute his having an exclusive right to these cranks.

Matthew Wasborough hat die Snow Hill Maschine nun mit einer (einfachen) Kurbel versehen. Das funktioniert gut, besser als das rick rack … Mir scheint Sie sollten bei Ihrer Rückkehr mit Matthew sprechen und ihm mitteilen, dass wir ihm eine exklusive Nutzung dieser Kurbeln streitig machen werden.

Der Bauherr der Snow Hill Mühle war James Pickard, ein Knopfmacher aus Birmingham, also wohl ein Wettbewerber Boulton’s. Nach dem Einbau der Kurbel lief die Maschine wohl recht störungsfrei. Damit wäre ja nun eigentlich alles klar, jedoch trat nun der Bauherr auf den Plan und beantragte im August 1780 seinerseits ein Patent, welches im Dezember auch eingetragen wurde (British Patent 1263). Zum Gegenstand des Patentes schreibt Farey 7:

… states that a short lever or crank, is to be fixed on the extreme end of the axis which is to be turned round, and the extremity of that crank is to be united by a pin, to the lower end of a rod, which is jointed to the end of the great working lever (or which may, in some cases, be jointed to the piston itself) but in such manner as to turn the crank once round, at every stroke of the engine : and if a regular motion is required, a cog-wheel is to be fixed on the axis of the crank, in order to turn another cog-wheel of half the size, fixed on a second axis, which will make two revolutions for each stroke of the engine. A heavy balance weight is to be fixed to the circumference of this second wheel, in such a position as will cause the weight to be raised upwards, whenever the crank is at or near the horizontal position, so as to be capable of receiving an effectual impulse from the connecting rod ; and consequently the weight will act by its descent, so as to impel the machinery, whenever the crank is at or near the line of the direction of the connecting rod, in which position it is incapable of receiving any effective impulse therefrom. A figure is given of the crank with the two cog-wheels, and the revolving balance weight ; but the engine is not represented, nor is any mention made of the application of a fly-wheel.

.. beschreibt, dass ein kurzer Hebel oder eine Kurbel an dem einen Ende der Welle, die gedreht werden soll, befestigt wird und dass das andere Ende der Kurbel mit einem Zapfen mit dem unteren Ende einer Stange zu verbinden ist, die am Ende des großen Arbeitshebels [gemeint ist der Balancier] angreift (oder u.U. auch am Kolben direkt) und zwar so, dass die Kurbel einmal bei jeden Hub der Maschine gedreht wird; falls eine gleichförmige Bewegung benötigt wird, wird ein Zahnrad an der Kurbelwelle befestigt, welches ein zweites Zahnrad mit halber Größe treibt auf einer anderen Achse treibt, wodurch dieses dann zwei Umdrehungen bei jedem Hub macht. An diesem zweiten Rad wird ein schweres Gewicht am Umfang derart befestigt, dass wenn die Kurbel fast waagerecht steht das Gewicht gehoben wird, wohingegen beim Erreichen eines Totpunktes das Gewicht die Maschine darüber hinweg treibt. Ein Bild mit Kurbel und zwei Zahnrädern sowie dem Gewicht ist beigefügt. Die Maschine als solche ist nicht dargestellt, ein Schwungrad wird nicht erwähnt.

Zu dem Bild siehe Bild @fig:1780-1.

Patentzeichnung Pickard 1780{#fig:1780-1 width=12cm}

Nun gab es also zwei Patente, eines, in dem ein »Klapperatismus« mit Schwungrad patentiert war und ein zweites, in dem eine Kurbel mit Zahnrädern ohne Schwungrad patentiert war.

In der Literatur wurden diese Themen intensiv diskutiert. Es gab Behauptungen, Wasborough und Pickard hätten Absprachen bzgl. ihrer Patente getroffen 8, es hieß, dass Watt Mitarbeitern vorwarf, Betriebsgeheimnisse verraten zu haben 9. In jedem Fall hat es keine gerichtliche Auseinandersetzung gegeben. Boulton & Watt verzichteten darauf, das Patent Pickard’s anzufechten und nutzen rund 20 Jahre das Planetengetriebe, um so die Verwendung einer Kurbel zu umgehen.

Farey: Darstellung einer atmosphärischen Maschine mit Drehbewegung{#fig:1780-2 width=9cm}

Wenn auch es bzgl. der Kurbel Unklarheiten gibt, so kann man doch festhalten, dass Matthew Wasborough der erste war, der mit Erfolg ein Schwungrad einsetzte. Muirhead zitiert Watt wie folgt 10:

… but Matthew has added a fly-wheel , which, as far as I know, was the first time that had been employed for that purpose.

… aber Matthew fügte ein Schwungrad hinzu, meiner Meinung nach das erste Mal zu diesem Zweck.

Stand: 30.8.2018