Stoomlocomotieven met aandrijfas werden met name gebruikt in ruige gebieden. Denk dan aan de bosbouw (bomen rooien) en de mijnbouw. De locs zijn specifiek gebouwd voor inzet in zwaar oneffen terrein. Ze bezitten hiervoor een grote trekkracht, trekken gemakkelijk op vanuit stilstand. Kunnen verschil in hoogtes (klimmen en dalen) goed aan. Zijn bijzonder geschikt om over wankele spoortrajecten te rijden. En kunnen korte bochten maken. Door het toevoegen van tenders konden er veel voorraden (brandstof en water) worden meegenomen.

Kenmerkend voor dit type aandrijving zijn de aandrijfassen die onder of naast de locomotief lopen. Deze assen lopen vaak over de gehele lengte van de locomotief en tender(s) door. Het zijn geen starre assen, maar bevatten veel scharnierpunten.

Aandrijfas locomotieven waren niet ontwikkeld voor snelheid. Deze was dan ook eigenlijk best laag, soms zelfs een maximum snelheid van 16 kmh. Heisler locs waarin hierin nog de snelste.

Bij aandrijving met een aandrijfstang (klassieke stoomlocomotief zoals we die in Europa kennen) worden de wielen aangedreven op een kruk via een heen-en-weer gaande beweging van de zuigerstang. Bij aandrijving met een aandrijfas echter wordt de heen-en-weer gaande beweging van de zuigerstang omgezet in een roterende (draaiende) beweging van de aandrijfas.

Deze aandrijfas loopt vaak langs meerdere draaistellen van de locomotief en de tender(s). De locomotieven bevatten normale stoomcilinders voor de overbrenging van de drukkracht van stoom naar beweging van de as. De aandrijfas drijft per wielas de wielen aan. In het schema hieronder is de aandrijfas in rood. De aandrijving van de krukas zit in het paarse deel. De overbrenging van de beweging van de as op de wielen gebeurd bij de blauwe knopen. De groene verbindingstukken zijn punten waarop de as kan schanieren.

Op onderstaande foto de kenmerkende verticale plaatsing van de cilinders van een Shay aandrijfas locomotief. Ik heb wat onderdelen met kleuren aangegeven. De cilinder is hier rood. Deze staat vertikaal. Vanuit de cilinder loopt de blauwe zuigerstang vertikaal omlaag. Je kunt hiervan enkel het onderste stukje zien op deze foto. De blauwe zuigerstang gaat dus omhoog en omlaag (heen-en-weer). Aan de bovenkant en maakt aan de onderkant een draaiende beweging. Aan de onderkant maakt de zuigerstang ook dezelfde op/neer beweging maar ook nog draaiend aan de groene krukas. Deze loopt nog verder naar voren en achteren.

Om flexibiliteit tussen de verschillende draaistellen te krijgen zijn in de aandrijfassen kruiskoppelingen (vergelijk met cardan-koppelingen) opgenomen. Hierdoor kunnen de draaistellen onafhankelijk van elkaar bewegen (bochten maken en hoogteverschillen overbruggen) maar kunnen tegelijkertijd worden aangedreven door de dezelfde ronddraaiende aandrijfas.

Door draaibewegingen van de trein kan de onderlinge afstand tussen de draaistellen veranderen. De kruiskoppelingen hebben dan ook een mechanisme om dit afstandsverschil op te vangen. Hiertoe zit er op de (vierkant) aandrijfas een holle vierkant buis geschoven. Deze zit aan een kant vast gelast op de aandrijfas. Het andere eind van de aandrijfas kan in deze aandrijfbuis op en neer schuiven en vangt hiermee afstandsverschillen op.

De overbrenging van de ronddraaiende beweging op de rode aandrijfas gaat via 2 tandwielen in het tandwiel-overbreng-mechanisme. Op de rode aandrijfas zit het groene tandwiel gemonteerd. Deze loopt tegen het witte tandwiel welke op de gele as is gemonteerd. Op de gele wielas zijn ook de wielen gemonteerd, die natuurlijk op de roestbruine rails staan.

Als de rode as gaat draaien, dan zal ook het groene tandwiel in hetzelfde tempo draaien. Een keer rond voor de rode aandrijfas, is ook een keer rond voor het groene tandwiel. Als aan het groene tandwiel 20 tanden zitten, dan zal het grote witte tandwiel ook 20 tanden draaien. Aan het witte tandwiel zitten misschien wel 60 tanden. Er zijn dan 3 omwentelingen van het groene tandwiel nodig om het witte tandwiel een (1) keer rond te laten gaan.

Dat lijkt mogelijk vreemd. De eerste indruk is om dit gelijk te houden (een omwenteling van de rode as is dan een omwenteling van de gele as) maar bedenk dat deze locomotieven werden ontwikkeld voor zware lasten. Als we naar het 20-60 voorbeeld kijken dan zien we dat de rode as 3x rond moet voordat de gele as eenmaal rond is gegaan. De rode as moet veel en snel draaien. Iedere keer beweegt het witte tandrad een klein beetje. Door snel te draaien is de rode aandrijfas beetje bij beetje in staat om het witte tandwiel rond te laten gaan. Er is niet veel kracht voor nodig, wel meer snelheid. De rode as draait een hogere omwentelsnelheid dan de wielassen. Weliswaar met minder snelheid, maar gestaag (met meer kracht) duwt het groene tandwiel het witte tandwiel rond.

Er is dus relatief weinig kracht nodig om de gele as in beweging te zetten! Het tandwieloverbrenging mechanisme is dus ideaal voor het zware ladingen. En aangezien ieder wielstel meerdere aangedreven assen heeft, is er veel trekkracht.

De aanhechting van het witte tandwiel kan buiten de wielen zitten (zoals ondermeer bij Shay locomotieven) of tussen de wielen (bij Climax en Heisler locomotieven). Het principe van aandrijving blijft hetzelfde.

Op de foto hierboven de overbrenging van de beweging van de aandrijfas (van links naar rechts) op de wielassen (vertikaal) van een model Climax locomotief. Boven en onder in beeld zijn de wielen te zien. De overbrenging is tussen de wielen. Hier heeft de fabrikant echter gesmokkeld omdat de aandrijfas niet over de gehele lengte doorloopt, maar iedere keer kleine stukjes. Dit is in model wel mogelijk, bij grootspoor is dit niet mogelijk door verlies van kracht.

Die aandrijfas moet natuurlijk wel kunnen draaien. Hiervoor is er de standaard zuigerstang bij stoommachines. Er zijn drie gangbare manieren om de as te laten draaien. Deze zijn op te splitsen op basis van de positie van de cilinders.

De Shay aandrijving bevat aan meerdere cilinders welke verticaal zijn geplaatst aan een (1) zijkant van de locomotief. Deze cilinders zijn middels een krukken-as verbonden aan de aandrijfas. De as loopt buiten langs de zijkant van de loc. De bijnaam voor dit type treinen is sidewinder.

Bij dit model zijn halverwege aan de rechterkant goed de twee vertikale cilinders te zien. Ze drijven de aandrijfas aan, die aan deze kant van het model loopt. Tot achteraan.

De Climax aandrijving bevat twee schuin voorwaarts gemonteerde cilinders, een aan iedere kant van de stoomketel/loc. Tussen de cilinders loopt een kleine as, haaks op de rijrichting. Via een differentieel in het centrum van de loc is deze aangedreven as verbonden met de eigenlijke aandrijfas. De heen-en-weer gaande beweging vanuit de cilinders zal dus eerst overgebracht worden op de breed liggende as, welke dan de centrale aandrijfas zal aansturen.

Bij dit model halverwege aan de voorkant goed de schuin geplaatste cilinders te zien. De zuigerstangen lopen tot onder de locomotief, waar een asverbinding is met de aandrijfas die midden onder de locomotief is geplaatst. Deze loopt naar beide draaistellen.

De Heisler aandrijving bevat 2 cilinders welke schuin naar buiten zijn geplaatst vanaf de onderkant van de locomotief, schuin omhoog. De cilinders zijn onder de loc direct verbonden aan de aandrijfas. De as loopt midden onder de loc en/of tender door.

4

We kijken hier haaks op de vertikaal geplaatste zuiger, die schuin onder de locomotief loops. Halvewege onder de bel, is een wat platte ronde schuijf te zien, dat is de bovenkant van de cilinder. De onderkant ervan steekt onder de locomotief. Daar is deze direct verbonden met de aandrijfas. De as loopt naar beide wielstellen.