Jede Dampflok-Bauart erfüllt ihren Zweck. Kessel, Dampfmaschine, Trieb- und Laufwerk müssen darauf abgestimmt sein. Hochoptimierte Maschinen entstanden erst in den 1920er- bis 1950er-Jahren.

Das Prinzip einer Dampflok ist einfach. Über eine Feuerung wird in einem Kessel Dampf erzeugt. Er versetzt im Zylinderkasten Kolben und Kolbenstangen in eine waagerechte Bewegung, die über den Kreuzkopf, Treibstange und Treibzapfen in die Drehbewegung des Radsatzes übersetzt wird. Die auf die Schienen gebrachte Leistung wird beispielsweise durch Heizfläche, Kesseldurchmesser und -länge, Dampfdruck, Zylinderzahl, Kolbendurchmesser und -hub, Anzahl der Treibradsätze und den Raddurchmesser beeinflusst.

Bei der 05 001 beträgt der Treibrad-Durchmesser gewaltige 2.300 Millimeter. Das ist ideal für schnelle leichte Züge. Für das Anfahren mit schweren Zügen ist zusätzlich eine hohe Reibungsmasse erforderlich. Sie ist entscheidend dafür, dass die Lok im Anfahrbereich bei niedriger Geschwindigkeit Fahrwiderstände überwinden kann. Ab einer im Zugkraftverlauf „kritisch“ genannten Geschwindigkeit zählt dann die Leistung der Lok für die weitere Beschleunigung. Während die dreifach gekuppelten Schnellzugloks der Baureihe (BR) 01 erst bei 54 Stundenkilometern ihre Leistung ausspielen können, geschieht das bei den Personenzugloks der BR39.0-2 (preußische P 10) schon bei 20,5 Stundenkilometern.
 

Erbringt eine Lok die erwartete Leistung, so muss ihre Konstruktion noch lange nicht allgemeintauglich sein. „So erwiesen sich etwa die für den schweren Schnellzugdienst auf Hauptstrecken konstruierten Loks der BR10 mit einer Achslast von 22,4 Tonnen als deutlich zu schwer für den Oberbau im Großteil des Streckennetzes. Statt, wie andere Bahngesellschaften, das Gewicht durch vierfach gekuppelte Radsätze gleichmäßiger zu verteilen, beharrte die DB auf dem Prinzip der drei Kuppelachsen für Schnellzugloks. Dabei wurde ignoriert, dass Hauptstrecken nicht nur durch Flachland verliefen, sondern eben auch durch Hügelland wie die Eifel oder die süddeutschen Gebiete", erklärt Dr. Andreas Räntzsch, Dokumentar im Hause Märklin. Das bescherte den Vierkupplern der BR39.0-2 noch bis 1967 Einsätze vor schweren hochwertigen Zügen.
 

Über Jahrzehnte bauten die Ingenieure im Wissen um Ursache und Wirkung einen Erfahrungsschatz auf, mit dem sie Loktypen für einen dezidierten Verwendungszweck konstruierten und auch wachsenden Anforderungen wie höhere Zugmasse und Fahrgeschwindigkeiten gerecht wurden. 1923 verwaltet die Deutsche Reichsbahn 210 verschiedene Loktypen und beginnt, Ordnung zu schaffen. Der Anfang der 1920er-Jahre erarbeitete Umzeichnungsplan sieht 99 Dampflokomotiv-Stammnummern vor und das Vereinheitlichungsbüro erarbeitet mit den Lokherstellern Grundsätze sowie einen Typisierungsplan für den Lokomotivbau. Die Lokomotivnorm zielte auf eine Reduzierung der Typen ab, auf eine hohe Anzahl zeichnungsgleicher Bauelemente und Tauschteile. Auch die verbesserten Baugrundsätze erzielten Wirkung, wie der Vergleich zweier Maschinen für denselben Verwendungszweck zeigt: Erreichte die preußische P8 (BR38.10-40) noch eine indizierte Leistung von 1.180 PSi, so leisteten Loks der BR23 als Ersatzgattung stolze 1.785 PSi.
 

Gelenkt wurde die technische Entwicklung von den Zentralämtern, Versuchsämter prüften wissenschaftlich die technischen Parameter etwa von Vorserienloks durch Messfahrten. Diese Objektivierung führte dazu, dass sogar eine ganze Baureihe mit innovativem Charakter trotz guter Messergebnisse an der Gesamtbetrachtung scheitern konnte. „So ergab sich bei der BR50.40 durch den Franco-Crosti-Kessel mit Rauchgasvorwärmer eine Brennstoffersparnis von über 20 Prozent im Vergleich zu konventionellen 50ern, doch Umbau, Wartung und Reparatur erwiesen sich als zu kostspielig“, liefert Bahnhistoriker Andreas Räntzsch ein Beispiel. „Da zählte dann auch nicht, dass die ölgefeuerte 50.40 mit 15,7 Tonnen Achsfahrmasse bei der Leistung mit einer schweren Güterzuglok der BR44 mit 19,3 Tonnen Achslast annähernd gleichzog.“
 

Eine gewisse Starrheit der Baugrundsätze blockierte Weiterentwicklungen, wie die in Frankreich vorgedachte Ausnutzung der Strahlungsheizfläche und Verbundwirkung, also die zweifache Ausnutzung der Dampfdehnung in getrennten Zylindern. „Der Franzose André Chapelon analysierte in den 1920er-Jahren erstmals wissenschaftlich die technischen Kriterien, die für den Wirkungsgrad von Dampfloks verantwortlich sind. Er kam zu neuen Schlussfolgerungen, etwa, dass sich die Dampferzeugung nach Tonnen pro Stunde effektiver durch eine größere Strahlungsheizfläche steigern lässt als durch lange Heizrohre. Die Reichsbahn folgte aber den Kesselwerten von Bauartdezernent Richard Paul Wagner, der für höhere Wirkungsgrade Kessel mit langen Rohren vorsah. Als bei der BR01 ab Lok 01 077 die Rauchkammer um einen Meter gekürzt wurde und dafür die Heizrohre von 5.800 Millimetern auf 6.800 Millimeter verlängert wurden, überbeanspruchte der große Kessel die Feuerbüchse. Das wurde mit Rohrlaufen und Stehbolzenbrüchen quittiert.“ Ab 1950 rüstete die DB mehrere 01er mit dem Hochleistungskessel aus und verschob dabei die Heizflächenanteile ganz im Geiste André Chapelons: Nun ragte eine große Verbrennungskammer in den Langkessel hinein.

Chapelon baute übrigens Mitte der 1940er-Jahre versuchsweise einen Vierkuppler der SNCF-Serie 241 A mit der Achsanordnung 2’D1’ zu einer Lokomotive mit Dreizylinder-Verbundtriebwerk und der Achsformel 2’D2’ um. Ergebnis war die 242A1 der Société nationale des chemins de fer français – mit einer indizierten Leistung von 5.300 PS die leistungsstärkste jemals in Europa gebaute Dampflok.