Benutzer:Plutowiki/Spielwiese

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Zahnradbahn auf dem Schafberg

Eine Zahnradbahn ist ein schienengebundenes Verkehrsmittel, dessen Triebfahrzeuge die Antriebskraft mittels eines oder mehrerer Zahnräder in Bewegung umsetzen. Der formschlüssige Eingriff des Zahnrads in die zwischen den Schienen auf den Schwellen befestigte Zahnstange erlaubt die Überwindung stärkerer Steigungen als der reine Adhäsionsantrieb, dessen Stahlräder auf den Stahlschienen durchdrehen oder gleiten können.

Einleitung und Übersicht

Eingriff des Zahnrads in die Zahnstange

Gleis der Furka–Oberalp-Bahn mit zweilamelliger Zahnstange System Abt auf Y-Stahlschwellen

Zahnstangengleis System Riggen­bach der RHB in Wienacht, Schweiz

Bei Bahnen im Gebirge stehen für die Bewältigung der bedeutenden Höhendifferenzen oftmals nur kurze Distanzen zur Verfügung. Bei größeren Steigungen stößt das System Stahlrad/Schiene konventioneller Adhäsionsbahnen an technische Grenzen, die durch die schlechte Haftung des Stahlrads auf der Schiene hervorgerufen sind. Die zulässigen maximalen Steigungen sind relativ gering und bei Hauptbahnen mit schwerem Güterverkehr auf rund 30 ‰ beschränkt. Ein alleinfahrender laufachsloser Triebwagen kann im Extremfall folgende Steigungen bewältigen:

• auf trockener Schiene Steigungen maximal 160 ‰,
• auf nasser Schiene eine Steigung von 140 ‰.

Um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, werden Bahnstrecken ohne Zahnradtechnik allgemein mit maximal 70 ‰ angelegt. Es gibt von dieser Regel jedoch zahlreiche Ausnahmen, beispielsweise:

• in Frankreich die Linie Saint-Gervais – Vallorcine mit bis zu 90 ‰,
• die Pöstlingbergbahn in Linz (Donau) mit bis zu 116 ‰
• die Straßenbahn Lissabon mit bis zu 135 ‰ Steigung

Zahnradbahnen überwinden als Bergbahnen Steigungen von bis 480 ‰ (Pilatusbahn) und mit allein fahrenden Anspannlokomotiven, auch Treidelloks genannt, bis zu 500 ‰ (Panamakanal).

Für Zahnradbahnen gibt es verschiedene Antriebsarten, die den betrieblichen Anforderungen entsprechend konzipiert sind. Man unterscheidet zwischen reinen Zahnradbahnen und Bahnen mit gemischtem Adhäsions- und Zahnradantrieb.

Reine Zahnradbahnen

Bei reinen Zahnradbahnen – meist wenige Kilometer lange Bergbahnen – ist der Zahnradantrieb ständig im Eingriff. Die Räder der Triebfahrzeuge sind in der Regel nicht angetrieben und sie können sich ohne Zahnstange nicht fortbewegen. Deshalb sind bei reinen Zahnradbahnen auch die meist kurzen ebenen Abschnitte einschließlich der Bahnhöfe und Zufahrten zur Werkstatt mit Zahnstangen ausgerüstet.

Bahnen mit gemischtem Adhäsions- und Zahnradantrieb

Von Zahnradlok ge­schobener Adhäsions­triebwagen auf der Rittner Bahn in den ersten Betriebsjahren.

Gemischte Bahnen wurden dort gebaut, wo nur einzelne Abschnitte mit starken Steigungen vorhanden sind. Bei solchen Bahnen sind die Triebfahrzeuge in der Regel mit einem kombinierten Antrieb ausgerüstet. Vereinzelt gibt es getrennte Antriebe für Adhäsion und Zahnrad. Zudem gab es Bahnen, bei denen die Adhäsionstriebwagen auf den Zahnstangenabschnitten von Zahnradloks geschoben wurden (z. B. Stansstad-Engelberg-Bahn, Rittner Bahn). Beim kombinierten Antrieb sind Adhäsions- und Zahnradantrieb entweder fest gekuppelt, oder der Adhäsionsantrieb kann während der Fahrt auf der Zahnstange abgekuppelt werden (bei modernen Triebfahrzeugen verbreitet). Bei fest gekuppelten Antrieben kann bei abgefahrenen Radreifen nennenswerter Schlupf entstehen. Zahnraddampflokomotiven wurden teilweise als Verbundloks gebaut, wobei die Niederdruckzylinder das Zahnrad-, die Hochdruckzylinder dagegen das Adhäsionstriebwerk antrieben. Im reinen Adhäsionsbetrieb arbeitete es mit einfacher Dampfdehnung. Eine moderne Form dieses Prinzips ist der Differenzialantrieb, bei dem ein Differenzial die Kraft auf Adhäsionsräder und Zahnrad verteilt.

Der Vorteil gemischter Antriebe ist, dass auf ebenen Streckenabschnitten (wenn das Zahnrad nicht im Eingriff ist) mit höherer Geschwindigkeit gefahren werden kann. Auf Zahnstangenabschnitten ist die Höchstgeschwindigkeit nach den Schweizer Vorschriften, die in diesem Bereich meist als Referenz gelten, auf 40 km/h begrenzt.

Sonderfälle

Ein Sonderfall ist die Bahn für die Treidellokomotiven, mit denen die Schiffe durch den Panamakanal getreidelt werden. Um die Zugkraft der Loks zu erhöhen, wurde sie auch in den ebenen Teilstücken als Zahnradbahn gebaut. Die Gleise für die Leerfahrten der Loks haben keine Zahnstange. Der Zahnradantrieb bewegt hier also die Loks beim Schleppvorgang (beim Treideln) auf den ebenen Strecken und die leeren Loks auf den Rampen bei den Schleusen, die kurze Steigungen bis zu 50 % haben.

Ein weiterer Sonderfall war die Zürcher Polybahn bis vor dem Umbau von 1996, bei der eine Zahnstange ausschließlich für die Notbremse genutzt wurde, sowie die noch in Betrieb befindliche Nerobergbahn in Wiesbaden (Wasserballastbahn), bei der eine Zahnstange nach dem System Riggenbach als Betriebsbremse zur Begrenzung der Fahrgeschwindigkeit und als Notbremse dient. Ebenso war es bei der gleichermaßen als Wasserballastbahn betriebenen, heute aber stillgelegten Malbergbahn in Bad Ems.

Spurweite

Zahnradbahnen können in Normal- oder Schmalspur erstellt sein. Die ältesten Zahnradbahnen der Schweiz sind normalspurig, weil bei ihrem Bau eine andere Spurweite nicht erlaubt war. Bahnen in Normal- und Meterspur weisen eine bessere Querstabilität auf als solche mit 800 Millimeter Spurweite, was insbesondere bei Föhnstürmen von Bedeutung ist. Normalspurbahnen erlauben eine größere Transportkapazität, erfordern aber schwerere Fahrzeuge und größere Kurvenradien. Weil diese Bedingungen bei Bergbahn oft nicht erfüllt sind, verkehrt die Mehrheit der Zahnradbahnen auf Meterspur.

Vor- und Nachteile

Zahnradbahnen können sehr leistungsfähig sein. Der abgebildete vierteilige Zahnrad-Triebzug der Perisher Skitube in Australien kann in Doppeltraktion verkehren und so 1768 Fahrgäste transportieren.

Zahnradbahn finden ihren Verwendungsbereich zwischen den Adhäsionsbahnen und der Seilbahnen. Zahnradbahnen sind vor allem zur Verkehrserschliessung von topographisch unterschiedlich beschaffenem Gelände geeignet, wo abwechslungsweise flachere und steile Streckenabschnitte im Adhäsions- bzw. im Zahnstangenbetrieb durchgehend befahren werden können. Zudem haben sie ihre Berechtigung bei verhältnismässig langen Steilstrecken mit großen geforderten Transportkapazitäten. Vorteilhaft sind ihre unbegrenzte Streckenlänge, wobei die Bahn je nach Gelände für einen wahlweisen Adhäsions- und Zahnstangenbetrieb gebaut werden kann. Typische Beispiele sind Matterhorn-Gotthard-Bahn und die Zentralbahn, die nicht nur dem Tourismus, sondern auch der regionalen Erschliessung für die einheimische Bevölkerung dienen.

Nachteilig sind die hohen Investitionskosten, vor allem, wenn die Trassen in schwierigem Gelände angelegt werden müssen. Der Bau der Fahrbahn und die Erstellung von Brücken, Tunnels und Verbauungen gegen Steinschlag und Lawinen sind kostspielig, so dass der Bau einer Zahnradbahn wesentlich teurer sein kann als der einer Luftseilbahn. Teuer sind zudem die Spezialkonstruktionen an Fahrzeugen und Schienen. Ein weiterer Nachteil sind die relativ geringen Fahrgeschwindigkeiten, vor allem aus Sicherheitsgründen bei der Talfahrt mit Rücksicht auf ein sicheres Bremsen bei normalem Betrieb und in Notfällen.

Höchstgeschwindigkeit bei Talfahrt auf Zahnstangenstrecken (Auszug)

Gefälle	≤ 20 ‰	60 ‰	90 ‰	120 ‰	160 ‰	250 ‰	300 ‰	480 ‰
moderne Drehgestell-Fahrzeuge	35 km/h	28 km/h	22,5 km/h	19 km/h	16 km/h	12 km/h	10,5 km/h	6 km/h
ältere Fahrzeuge (vor 1972)	40 km/h	39 km/h	32 km/h	27,5 km/h	23 km/h	17,5 km/h	15 km/h	9 km/h

Die Zahnradbahn ist zum Personen- wie zum Gütertransport geeignet, was vor allem für Linien, die der regionalen Erschliessung dienen, von besonderer Bedeutung ist. Die Matterhorn-Gotthard-Bahn und die Wengernalpbahn spielen eine wichtige Rolle bei der Erschließung der autofreien Orte Zermatt und Wengen. Es gibt oder gab auch Zahnradbahnen, die fast ausschliesslich oder ganz für den Güterverkehr bestimmt sind, wie z. B. die Bahnstrecke zwischen São Paulo und der Hafenstadt Santos in Brasilien, die eingestellte Kohletransportbahn Kohletransportbahn Padang–Sawah–Lunto der Indonesischen Staatsbahn oder die frühere Transandenbahn zwischen Chile und Argentinien.

• 
  Zwei der weltweit stärksten Zahn­radlokomotiven He 4/4 vor einem Güterzug der MRS Logística in Brasilien
• 
  Ölzug der Matterhorn-Gotthard-Bahn (MGB) auf der Oberalpstrecke mit einer HGe 4/4 II
• 
  Talwärts fahrender Güterzug der Wengernalpbahn mit einer He 2/2
• 
  HGe 4/4 I vor einem Güterzug der damaligen Furka-Oberalp-Bahn (FO) um das Jahr 1980

Umweltaspekte

Diesellokomotiven belasten die Umwelt stärker als Elektrofahrzeuge. Die dieselelektrische Zahnrad­lokomotiven HGm 4/4 der elektrisch betriebenen Matterhorn-Gotthard-Bahn wird vor allem für Schneeräumfahrten eingesetzt.

Der Bau der Trasse führt zu baulichen Eingriffen in die Natur. Dank der Möglichkeit der steilen Linienführung kann ein kurzer Weg gewählt werden und das Gleis ins Gelände eingepasst werden. Zur Durchquerung von Wäldern ist eine Schneise von etwa 10 Metern Breite notwendig. Wildtiere gewöhnen sich rasch an den Bahnbetrieb und lassen sich von den Zügen nicht stören.

Der Energieverbrauch von Zahnradbahnen ist beträchtlich. Ein 50 Tonnen schwerer Zug benötigt für die Bewältigung des Neigungswiderstandstand auf 250 ‰ Steigung rund 30 kWh/km. Ein Teil davon kann allerdings durch die elektrische Rekuperationsbremse zurückgewonnen werden. Elektrische Antriebe führen zu höheren Erstellungskosten als mit Dieselmotoren betriebene Bahnen. Sie haben aber einen besseren Wirkungsgrad, sind abgasfrei und produzieren weniger Lärm. Von den weltweit verkehrenden Zahnradtriebfahrzeugen werden nur zirka 15 % mit Diesel und 5 % mit Dampf betrieben.

Wie alle beweglichen Verzahnungen benötigt auch die einer Zahnradbahn eine Schmierung, typischerweise durch Fett. Dies ist eine Verbrauchsschmierung, folglich bleibt auf der Zahnstange Schmierstoff zurück. Dieser kann z. B. durch Niederschläge ins Erdreich gespült werden. Um Umweltschäden zu vermeiden, darf folglich kein gewöhnliches Maschinenfett (Mineralölprodukt) verwendet werden, sondern nur vergleichsweise teure – und weniger temperaturbeständige – pflanzliche oder tierische Fette.

Technik

Zahnstangensysteme

Die vier weltweit bekanntesten Zahnstangensysteme haben sich allesamt bewährt, und kein Zahnradsystem wurde seit dem jeweiligen Bahnbau grundlegend verändert. Sie wurden von Schweizern entwickelt und heissen in der Reihe ihrer zeitlichen Erfindung entsprechend dem Namen des Patentinhabers:

Zahnstangensysteme Riggenbach, Strub, Abt (mit drei Lamellen) und Locher

System Riggenbach

System Riggenbach, Leiterzahnstange

Riggenbach-Zahnstangenweiche bei den Rigi-Bahnen in Rigi Staffel.

Niklaus Riggenbach, Leiterzahnstange. Zwischen zwei U-förmigen Profilen sind die Zähne als Sprossen eingesetzt (ursprünglich genietet, heute geschweißt). Diese Bauart wegen ihrer massiven Konstruktionsweise robust und lässt sich mit einfachen Mitteln fertigen. Da sich die fertige Zahnstange nicht biegen lässt, müssen die Zahnstangenelemente genau für den jeweils benötigten Radius hergestellt werden. Eine Zahnstangenstrecke wird deshalb so geplant, dass sie mit möglichst wenigen Grundelementen erstellt werden kann. Auf dem 9,3 km langen Zahnstangenabschnitt der Brüniglinie beispielsweise gibt es im darum ausschliesslich gerade Zahnstangenstücke und solche mit einem Links- bzw. Rechtsradius von 120 Metern. Wegen der fehlenden Biegbarkeit der Riggenbach-Zahnstange wurden Weichen als Schiebeweichen, bei denen ein Gleisabschnitt verschoben wird, ausgeführt, während heute auch konventionelle Weichen in Verbindung mit schwenkbaren Zahnstangen und Fahrschienen im Zwischenschienenbereich eingesetzt werden. Die Riggenbach-Zahnstange wird auf Stahlsätteln gelagert oder direkt auf die Schwellen montiert. Bei auf Sätteln gelagerten Zahnstangen kann der Schnee unten herausgedrückt werden und wird nicht zwischen den U-Profilen verdichtet.

Bei der von Sylvester Marsh erbauten Mount Washington Cog Railway liegt der Teilkreis der Zahnräder auf Höhe der Schienenoberkante. Damit ragen die Zahnräder unter die Schienenoberkante und so ausgerüstete Fahrzeuge konnten Weichen in Regelbauart nicht befahren. Bei der 1875 eröffneten Rorschach-Heiden-Bergbahn (RHB) befindet sich der Kopfkreis über der Schienenoberkante, so dass ihre Lokomotiven über konventionelle Weichen hinweg in den Bahnhof Rorschach einfahren können.

System Abt

System Abt, Zweilamellenzahnstange

System Abt, Drei­lamellen­zahn­stange

Zahnstangenweiche System Abt, Schafberg­bahn

Carl Roman Abt, Lamellenzahnstange. Zwei oder drei Lamellen liegen gegeneinander versetzt mit den Zähnen nach oben im Gleis; ein entsprechendes Zahnrad greift von oben ein. Die Zahnstange ist leicht, jedoch relativ schwach und deswegen schnee- und eisempfindlich. Die Lamellen ruhen auf Gusssätteln, die mit den Gleisschwellen verschraubt sind. Sie sind um die Hälfte beziehungsweise einem Drittel ihrer Länge gegeneinander verschoben, dass die Stöße nicht auf gleicher Höhe liegen. Besonderer Vorteil bei Verwendung mehrerer Lamellen ist die gleichmäßigere Kraftübertragung, da sich immer mindestens ein Zahn im Eingriff befindet; dabei ist allerdings eine Torsionsfederung der Triebzahnräder erforderlich, um eine gleichmässige Aufteilung des Zahndrucks auf beiden Lamellen zu erreichen. Das System wurde insbesondere für den durchgehenden Betrieb auf Strecken mit Zahnstangen- und Adhäsionsabschnitten entwickelt, die Zahnräder liegen generell oberhalb der Schienenoberkante. Die erste Anwendung war die zwischen 1880 und 1886 gebaute Harzbahn von Blankenburg nach Tanne der Halberstadt-Blankenburger Eisenbahn. Die Zahnstangenabschnitte wurden mit einer dreilamelligen Zahnstange ausgerüstet. Die Zahnstangeneinfahrten mit gefederter Spitze und kleineren Zähnen waren von Anfang an Teil des Systems. Es gibt für diese Zahnstange keine Einrichtung, um das Fahrzeug gegen Aufklettern zu sichern. In Weichenbereichen oder in flachen Abschnitten wird zum Teil nur eine Lamelle (außermittig) verlegt. Technisch eng mit dem System Abt verwandt ist das System Von Roll mit nur einer Lamelle (siehe unten).

System Strub

System Strub, Breitfußschiene mit Evolventenverzahnung

Strub-Zahnstange mit deutlich erkennbarem Schienenprofil der Panoramique des Dômes Puy de Dôme in Frankreich.

Emil Strub, Zahnschiene, genau eine Strub’sche Breitfußschiene mit Evolventenverzahnung. Das System ist das jüngste der drei für den Mischbetrieb geeigneten, die erste Anwendung war die Jungfraubahn im Berner Oberland. Seine Verbreitung blieb gering, weil danach nur noch wenige Zahnradstrecken neugebaut wurden. Die Zähne sind in eine der Keilkopfschiene ähnlichen Schiene eingefräst. Durch Haken, die um den Schienenkopf herumgreifen, soll bei besonders steilen Abschnitten ein Aufklettern verhindert werden, d. h. die Lokomotive oder ein Triebwagen kann durch die an den Zähnen auftretenden Kräfte nicht aus dem Gleis gehoben werden. Die Erfahrungen mit diesen Sicherheitszangen waren nicht eindeutig. auf dem Meterspurnetz der Appenzeller Bahnen werden Zahnstangen vom System Strub mit den gleichen Zahnrädern wie die Riggenbachsche Zahnstange befahren, weil Teilung und Teilkreishöhe identisch sind.

Die Herstellung der Strub-Zahnstangen ist teuer, die Verlegung der Zahnstange ist aber einfach. Im Unterhalt ist sie anspruchslos. Sie können lückenlos verschweißt werden. Strub-Zahnstangen werden wie Fahrschienen in Rippenplatten üblicherweise nach der Oberbauform K auf den Schwellen befestigt, wobei das gleiche Befestigungsmaterial wie für das Gleis verwendet wird.

Die Firma von Roll (heute Tensol) hat die die Strubsche Zahnstange zu einer nach ihr benannten Lamellenzahnstange weiterentwickelt. Die Zahnstangen sind einfach aus Breitflachstahl verschiedenster Abmessungen herzustellen.

System Locher

System Locher, Fischgrätenzahnstange

Gleiswender mit Zahnstangen­system Locher in der Nähe der Bergstationen der Pilatus-Bahn

Eduard Locher, Fischgrätenzahnstange. Eine Doppelzahnstange mit Zähnen auf der linken und rechten Seite liegt im Gleis, die Zahnräder greifen von der Seite aus ein. Mit diesem System wird ein Aufklettern nicht nur durch die waagrechte Krafteinwirkung (und somit fehlende hochhebende Kraft) verhindert, sondern auch durch eine schmale durchgehende Zusatzschiene hinter resp. unter der Zahnstange. Diese führen die Fahrzeuge auch seitlich. Die Spurkränze, die sich im Fall der Pilatusbahn auf der Außenseite der Fahrschienen befinden, werden nur zur Führung in den zahnstangenlosen Werkstattgleisen benötigt. Zudem heben sich die seitlich wirkenden Kräfte gegenseitig auf.

Das System Locher ermöglicht als einziges Zahnstangensystem die Überwindung von wesentlich mehr als 300 ‰ Steigung, weil es das Aufsteigen aus der Zahnstange verhindert. Es wurde bislang nur bei der Pilatusbahn verwendet. Die Locher-Zahnstange ist schwer und teuer. Gleisverbindungen verlangen Schiebebühnen oder Gleiswender, da Weichen nicht ausführbar sind. Für Mischbetriebsstrecken ist es nicht verwendbar. Der Tschuggen Express in Arosa und das Schiffshebewerk am Krasnojarsker Stausee benutzt eine ähnliche Konstruktion.

Unterarten

Leiterzahnstange System Marsh

Lokomotive System Morgan auf einer 16-‰-Steigung in einer Kohlemine in Iowa

Übergang von der Riggenbach- zur von-Roll-Zahnstange bei der Schynige-Platte-Bahn

Daneben gab oder gibt es noch verschiedene Arten und Unterarten (abgeänderte Arten der gebräuchlichen Zahnsysteme) dieser Zahnradsysteme:

• System Marsh: Sylvester Marsh, Leiterzahnstange mit Zähnen aus Rundprofil. Das mit der Riggenbach-Zahstange verwandte System wird bei der ab 1866 gebauten und 1869 fertiggestellten Mount Washington Cog Railway eingesetzt.
• System Riggenbach-Pauli: Arnold Pauli, Leiterzahnstange. Die von der Maschinenfabrik Bern (später von Roll) verbesserte Zahnstange ermöglicht kleinere Kurvenradien und erleichtert wegen des über der Schienenoberkante liegenden Zahnrad-Kopfkreises den Bau von Weichen. Die Riggenbach-Pauli-Zahnstange wurde erstmals 1893 bei Wengernalpbahn und der Schynige Platte-Bahn verbaut.
• System Riggenbach-Klose: Adolf Klose, Leiterzahnstange. Die einzelnen Zähne zwischen den Wangen liegen auf einer Längsrippe auf, so dass sich die Zähne nicht verdrehen können. Dieses etwas aufwendigere System wurde nur für die Appenzeller Straßenbahn St. Gallen–Gais–Appenzell und auf der Strecke Freudenstadt–Baiersbronn der Murgtalbahn verwendet.
• System Morgan: Edmund C. Morgan entwickelt ein mit der Riggenbach-Zahstange verwandtes System, das die Zahnstange als dritte Schiene zur Stromversorgung der elektrischen Lokomotive verwendete. Das System wurde in den USA in Bergwerken und bei der Chicago Tunnel Company eingesetzt.
• System Wetli: Kaspar Wetli. Das Walzenradsystem sollte bei der Wädenswil-Einsiedeln-Bahn Verwendung finden, kam auf Grund eines Unfalles bei einer Probefahrt am 30. November 1876 aber nicht in den kommerziellen Betrieb.
• System von Roll: Firma von Roll (heute Tensol), Lamellenzahnstange. Wie beim System Abt besteht diese Zahnstange aus einem Flachstahl, in den die Zähne mit der Verzahnungsgeometrie der Systeme Riggenbach und Strub gefräst werden. Die Zahnstange kommt in erster Linie bei Neubauten sowie beim Ersatz alter Zahnstangen nach den Systemen Riggenbach oder Strub zur Anwendung, da sie in der Herstellung günstiger und in der Anwendung flexibler ist als die Originalfertigung nach Riggenbach oder Strub. Die Zahnstange kann auch durchgehend verschweißt werden. Zur Befestigung auf den Schwellen dienen Profilstahl-Sättel. Einteilige Lamellenzahnstangen wurden vereinzelt auch schon vor der Entwicklung der Von-Roll-Zahnstange eingesetzt.
• Peter: H. H. Peter, Zahnschiene: Die Zahnstange Peter besteht wie die von Strub aus einem schienenartig geformten Träger, in dessen Kopf beidseits waagrechte Zähne ausgefräst werden. Die Zahnstange ist einfacher herzustellen wie die von Locher. Sie war für die Karlsbad-Dreikreuzberg-Bahn mit 500 ‰ Steigung vorgesehen, deren Bau wegen des Ausbruchs des Ersten Weltkrieg eingestellt wurde.
• Telfener: Graf Telfener. Mehrteilige Lamellenzahnstange der St. Ellero-Saltino-Bahn aus zwei nicht gegeneinander versetzten Winkelstählen
• Sonderbauarten: Bei den Treidellokstrecken des Panamakanals werden zur Überwindung der Höhenunterschiede an den Schleusen spezielle Zahnstangen verwendet, die jedoch auch auf dem System Riggenbach beruhen.
• System Fell: John Barraclough Fell. Keine eigentliche Zahnradbahn, sondern Mittelschienen-Reibradantrieb auf eine in der Gleismitte liegende dritte Schiene.

Sicherheit und Bremsen

Der Bau und Betrieb der Zahnrad- und anderen Eisenbahnen werden in der Schweiz durch die Eisenbahnverordnung und den Ausführungsbestimmungen dazu geregelt. Weil in anderen Ländern keine so detaillierte Regelungen für Zahnradbahnen bestehen, akzeptieren weltweit fast alle Eisenbahnen und Behörden die Schweizer Vorschriften als verbindlich.

Sicherheit gegen Entgleisen

Bremszahnrad eines Wagens der Wengernalpbahn

Drehgestell einer HGe 4/4 II mit Getriebekasten, zweilamelligen Zahnrad und Bandbremsen

Im Zahnradbetrieb kann das Fahrzeug einzig über den Zahneingriff in die Zahnstange gebremst werden. Der Zahneingriff muss darum unter allen möglichen Bedingungen wie starken Querwinden, unterschiedliche Reibungskoeffizienten, Notbremsung oder Ausfall der Bremse in einem Zugteil gewährleistet sein.

Bei Zahnstangen mit vertikalem Zahneingriff entsteht bei schlechter Schmierung eine senkrecht zur Schienenebene gerichtete Kraft, der Zahnauftrieb. Er hat die Tendenz, das Fahrzeug von den Schienen abzuheben und darf keinesfalls die Gewichtskraft des Fahrzeuges überwinden. Damit Gefahr einer Entgleisung nicht zu gross wird, muss die Zahnstange gut geschmiert werden.

Der Nachweis der Entgleisungssicherheit wird heute mit einer Computerberechnung nachgewiesen.

Bremsen

Die Bremsen spielen für die Sicherheit der Bergbahnen eine wesentliche Rolle. Wenn das Gefälle 125 ‰ übersteigt, müssen Zahnradfahrzeuge mit mindestens einer Beharrungsbremse und zwei voneinander unabhängige Anhaltebremse ausgerüstet sein. Als Beharrungsbremse zählen elektrische Bremsen, Motorbremsen, hydraulische Bremsen, Gegendruckbremse oder mechanische Bremsen mit genügender thermischer Kapazität. Die Beharrungsbremsen müssen auch bei Ausfall der Stromversorgung oder des Dieselmotors funktionieren. Jede Anhaltebremse muss alleine in der Lage sein, den Zug auf dem größten Gefälle bei maximalem Zugsgewicht zum Stillstand zu bringen. Die Bremskräfte sind ein wichtiger Faktor für die Sicherheit gegen Entgleisen. Als Anhaltebremsen kommen bei neuen Fahrzeugen unerschöpfliche Federspeicher-Bandbremsen zum Einsatz. Die Sicherheitssteuerung, die Übergeschwindigkeitskontrolle oder andere technische Überwachungen können automatisch eine Schnellbremsung auslösen.

Zahnstange

Bahnübergang mit angehobener Zahnstange bei der Chemin de fer du Montenvers in Chamonix

Tiefliegende Zahnstange bei der Zahnradbahn Stuttgart

Bei der Rorschach-Heiden-Bergbahn übersteigt die Zahn­stange die Schienenoberkante.

Die Zahnstange wird immer in der Gleismitte angeordnet und mittels Winkelstücken auf den Bahnschwellen befestigt. Mit Ausnahme des Systems Locher erfolgt der Zahneingriff vertikal. Zahnstangen sind sehr dauerhaft. Auf vielen Streckenabschnitten sind trotz des hohen Alters immer noch die ursprünglichen Zahnstangen im Einsatz. Auf neueren Zahnradstrecken werden einlamellige Zahnstangen des Typs von Roll verwendet.

Wie bereits erwähnt, unterscheiden sich Zahnradbahnen in der Höhe der Zahnstange. Es gibt Bahnen mit Teil- oder Kopfkreis auf Höhe der Schienenoberkante und solche mit Kopfkreis über der Schienenoberkante. Im ersten Fall ragen die Zahnräder unter die Schienenoberkante, was den Bau von Weichen erschwert. Im zweiten Fall werden bei Bahnübergängen die absenkbare Zahnstangen verwendet, um den Straßenverkehrsteilnehmern das Überfahren einer Schwelle zu vermeiden.

Moderne Zahnstangeneinfahrt System Abt der Matterhorn-Gotthard-Bahn
1) Adhäsionsabschnitt
2) Zahnstangenabschnitt
3) Einlaufbrücke
4) Vorsynchronisationsstrecke
5) gefedertes Zahnstangenstück
6) pneumatische Zahnstangenfederung
7) Radlenker

Gefederte Zahnstan­gen­einfahrt System Abt auf der Furka-Bergstrecke

Die Einfahrt von einer Adhäsionsstrecke auf die Zahnstange ist bis zu einer Geschwindigkeit von 10 km/h möglich. Die Synchronisation von erfolgt mechanisch über eine gefederte Zahnstangenlamelle mit progressiver Teilung und reduzierter Zahnhöhe, um das Auflaufen der Radzähne auf einen Stangenzahn zu verhindern. Falls es trotzdem zu einem Aufsteigen in der Einfahrt kommen sollte, halten zwei Radlenker die Räder in der Spur. Moderne Zahnstangeneinfahrten bestehen aus einer Vorsynchronisationsstrecke und einer gefedert gelagerten Zahnstange, die von den einfahrenden Zahnrädern hinuntergedrückt wird. Bei der Ausfahrt aus dem Zahnstangen- in einen Adhäsionsabschnitt muss die Geschwindigkeit nicht reduziert werden.

Zahnstangeneinfahrt der Tann­walder Zahnradbahn mit Beschilderung rechts, im Hintergrund eine ČD-Baureihe 715

Zahnstangenabschnitt werden in der Schweiz an der Strecke wie folgt signalisiert:

Bezeichnung	Bedeutung	Beziehung zu andern Signalen	Bild Deutschschweiz	Bild Romandie
Vorsignal für Zahn­stangen­abschnitt	Ab dem Anfangs­signal gilt die signalisierte Höchst­geschwindigkeit.	Das Vorsignal steht etwa 150 m vor dem Anfangssignal.
Anfangssignal für Zahn­stangen­abschnitt (tronçon à crémaillère)	Bei diesem Signal befindet sich die Einfahrt in die Zahnstange. Bei der Einfahrt in die Zahnstange gilt bis zum Passieren des letzten Wagens die signalisierte Höchst­geschwindigkeit.	Es kann ein Vorsignal voraus­gehen und es folgt ein Endsignal.
Endsignal (signal final) für Zahn­stangen­abschnitt	Bei diesem Signal befindet sich das Ende der Zahnstange.	Es geht ein Anfangs­signal voraus.

Zahnstangenweichen

In der Talstation der Vitznau-Rigi-Bahn wird statt Weichenverbindungen eine Drehscheibe verwendet.

Schiebebühne mit gebogenen Gleisabschnitten anstelle einer Weiche bei der ältesten Zahnradbergbahn, der Mount Washington Cog Railway

Zahnstangenweichen sind mit beweglichen Zahnstangenelementen ausgerüstet. Weil damit ein ununterbrochener Zahnradeingriff gewährleistet ist, können sie auch auf geneigten Strecken eingebaut werden. Bei Bahnen mit gemischtem Antrieb befinden sich die Weichen oft auf den Adhäsionsabschnitten, weil Zahnstangenweichen aufwendiger und teurer als gewöhnliche Weichen sind.

Die älteste Zahnradbergbahn, die Mount Washington Cog Railway, verwendet wegen des unter der Schienenoberkante liegenden Kopfkreises der Zahnräder Schiebebühnen mit gebogenen Gleisabschnitten und Schleppweichen. Auch bei der Arth-Rigi-Bahn kamen in der Gründerzeit nachweislich Schleppweichen und Schiebebühnen anstelle von Zungenweichen zum Einsatz.

Zungenweiche mit einlamelligen Zwischenstücken bei der mit Riggenbach-Zahnstange verkehrenden Schynige-Platte-Bahn, Schmalspur

Weiche mit Zahnstange System Riggenbach, Drachenfelsbahn

Riggenbach-Zungen­weiche bei der normal­spurigen Rorschach-Heiden-Bergbahn

Neuartige Schleppweiche der Rigi-Bahnen in Arth-Goldau

Riggenbach baute die erste Zahnstangenweiche 1875 auf der Rorschach-Heiden-Bergbahn in Wienacht ein, um eine Zufahrt zum dortigen Sandsteinbruch zu ermöglichen. Die ersten Weichen bei reinen Zahnradbahnen kamen 1893 bei Wengernalpbahn und bei der Schynige-Platte-Bahn zum Einsatz. Bei diesen sei die Zahnstange auf einer Länge von 90 cm unterbrochen gewesen. Um dies zu ermöglichen hätten alle Lokomotiven zwei Triebzahnräder erhalten, sodass also immer mindestens eines im Eingriff war. Später wurden bei der WAB Weichen mit beweglichen Lamellen eingebaut

Später wurden der Bauart Strub vergleichbare, aus Vignol- oder Vollschienenprofilen mit eingefrästen Zähnen bestehende Zahnstangen eingebaut. Beispiele dafür sind die Zahnradbahn Stuttgart und die Schwabenbergbahn in Budapest.

Zahnstangenweichen sind heute mehrheitlich auf der Basis der Zungenweichen mit Schiebestücken im Einsatz. Zudem werden für spezielle Anwendungen in Bahnhof- und Depot­gebieten Schiebebühnen oder Drehscheiben verwendet.

Geschichte

Vorgeschichte

Blenkinsops „Salamanca“ mit Zahnrad außerhalb der Schienen

Die Erfindung des Zahnradantriebs für Eisenbahnen geht zurück zu den Anfängen der Dampflokomotiven:

1804 hatte Richard Trevithick die erste Dampflokomotive der Welt für die Merthyr Tramroad der Pen-y-Darren Eisenhütte in der Nähe von Merthyr Tydfil in Wales, Großbritannien, gebaut. Diese Lokomotive war aber zu schwer für die gusseisernen Schienen, die für von Pferdegespannen gezogene Wagen ausgelegt waren. Da die Schienen immer wieder brachen, wurde der Betrieb nach wenigen Monaten eingestellt.

1811 erhielt John Blenkinsop in England das Patent Nummer 3431 für seine Erfindung, Dampflokomotiven über Zahnräder anzutreiben, die in außerhalb, parallel zur Schiene angebrachten Zahnstangen eingriffen. Die erste Zahnradbahn der Welt wurde von ihm als Industriebahn konstruiert und führte von der Kohlenzeche in Middleton nach Leeds in England. Sie nahm ihren Betrieb am 12. August 1812 auf.

1814 baute George Stephenson die Lokomotive Blücher für die Killingworth-Kohlenzeche, die Stahlräder mit Spurkranz hatte und auf Stahlschienen den Vortrieb allein nach dem Prinzip der Haftung/Adhäsion erzielte. Dieses System setzte sich von nun an allgemein durch.

Vor 1847 entwickelte der Amerikaner Andrew Cathcart für die 60 ‰ steile Strecke der Madison & Indianapolis Railroad aus dem Ohiotal heraus eine gusseiserne Lamellenzahnstange und eine entsprechende Lokomotive. Die Bahnstrecke wurde 1848 in Betrieb genommen. 1868 wurde die Strecke mit einer besonders dafür konstruierten Lokomotive auf Adhäsionsbetrieb umgestellt.

Das Prinzip des Zahnradantriebs wurde wieder aufgegriffen, als in den 1860er-Jahren die Natur touristisch erschlossen wurde und Eisenbahnen Berge erklimmen sollten:

Bahnen auf den Mount Washington und die Rigi

„Peppersass“, die erste von Marsh erbaute Zahnradlokomotive

Zahnradlok mit System Riggenbach der Vitznau-Rigi-Bahn

Die erste Bergbahn der Welt mit Zahnradantrieb wurde ab 1866 von Sylvester Marsh errichtet. Sie erklimmt den Mount Washington, New Hampshire, USA und wurde 1869 eröffnet. Die Bahn mit einer Spurweite von 1422 Millimetern ist heute noch in Betrieb, überwindet auf einer Länge von 4,8 Kilometern einen Höhenunterschied von 1097 Metern und weist eine bemerkenswert grosse Maximalsteigung von 374 ‰ auf.

Die von Niklaus Riggenbach nach seinem französischen Patent Nummer 59625 von 1863 konstruierte Vitznau-Rigi-Bahn wurde 1871 eröffnet und ist die erste Bergbahn mit Zahnradantrieb Europas. Sie führt mit einer maximalen Steigung von 250 ‰ von Vitznau in der Schweiz am Vierwaldstättersee auf die Rigi. Die Bahn endete zunächst an der Luzerner Kantonsgrenze, da die Konzessionen damals von den Kantonen erteilt wurden. Erst zwei Jahre später erreichte sie den heutigen Endpunkt Rigi Kulm. Ihr Status als erste Zahnradbahn Europas beruht unter anderem darauf, dass die (ebenfalls von Riggenbach konstruierte) Bahn in den Steinbruch Ostermundigen, trotz Inbetriebnahme 1870 aus Marketinggründen erst vier Monate nach der Rigibahn offiziell eingeweiht wurde.

Da man in den unterschiedlichen Steigungen Schwankungen des Wasserstands im Kessel befürchtete, wurden die ersten Lokomotiven mit Stehkessel ausgerüstet. Weil aber liegende normale Kessel einfacher zu reinigen sind, setzten sich die Stehkessel nicht durch. Oft wurde der Dampfkessel geneigt eingebaut, so dass er auf Gefällestrecken horizontal liegt.

Aufschwung der Zahnradbahnen

Der Rigibahn, war ein durchschlagender technischer und kommerzieller Erfolg beschieden. Sie leitete zu Beginn der 1880er-Jahre einen Aufschwung im Bau von Zahnradbahnen ein. Die ersten Zahnradbahnen in Österreich-Ungarn waren die am 7. März 1874 eröffnete Kahlenbergbahn bei Wien und die Schwabenbergbahn in Budapest, die am 24. Juni 1874 den Betrieb aufnahm. Als erste Zahnradbahn mit nicht-touristischem Personenverkehr wurde am 6. September 1875 die Rorschach-Heiden-Bergbahn in der Ostschweiz dem Verkehr übergeben. Die älteste Zahnradbahn Deutschlands ist die am 13. Juli 1883 in Betrieb genommene Drachenfelsbahn. Bis zur Zeit des Ersten Weltkrieges wurden insgesamt mehr als hundert Zahnradbahnen in Betrieb genommenen, die sich mehrheitlich in Europa befanden.

Die weltweit steilste Zahnradbahn ist mit einer maximalen Steigung von 480 ‰ die 1889 eröffnete Pilatusbahn, die vom Ufer des Vierwaldstättersees auf den Pilatus führt. Für diese Bahn entwickelte Eduard Locher ein spezielles, nach ihm benanntes Zahnradsystem.

Die ersten Zahnradbahnen wurden ausschließlich mit Dampflokomotiven betrieben. Im Verlaufe der 1890er-Jahre kam es zur Einführung der elektrischen Traktion, die rasch an Bedeutung gewann. Nach dem Ersten Weltkrieg trat ein Rückgang der Zahl der Zahnradbahnen ein, weil der Zahnradbetrieb durch Adhäsionsantrieb ersetzt oder der Verkehr eingestellt wurde. Viele ursprünglich mit Dampf betriebene Bahnen wurden elektrifiziert, bei einigen wurden die Dampfloks durch Dieseltriebfahrzeuge ersetzt oder ergänzt. Durch die im Laufe der Jahre erfolgte Erneuerung des Rollmaterials wurden Leistungsfähigkeit und Attraktivität der modernisierten Zahnradbahnen gesteigert, wie an einigen Beispielen gezeigt wird:

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  Die Zahnradbahn Štrba–Štrbské Pleso in der Hohen Tatra in der Slowakei wurde 1931 abgebrochen, aber 1970 neu eröffnet.
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  Bei der Manitou and Pike’s Peak Railway in Colorado kamen 1976 die ersten Zahnradtriebwagen der Welt mit dieselhydraulischem Antrieb in Betrieb.
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  Die Corcovado-Bergbahn in Rio de Janeiro nahm nach einer Gesamt­erneuerung im Jahr 1979 den Betrieb mit neuen Triebwagen auf.
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  Die Bayerische Zugspitzbahn modernisierte 2006 mit vier Doppeltriebwagen ihren Fahrzeugpark.
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  Bei der abgebildeten Zahnradbahn Núria oder der Zahnradbahn Montserrat in Katalonien kommen Stadler Zahnrad-GTW zum Einsatz.
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  2004 beschaffte die Wengernalpbahn im Berner Oberland Panorama-Zahnradtriebwagen

Im 20. Jahrhundert sind neue Zahnradstrecken entstanden durch den Umbau und die Erweiterung von Standseilbahnen, wie die Zahnradbahn Lausanne–Ouchy, der Dolderbahn in Zürich oder eine Tunnelstrecke in Lyon, die heute in das Netz der städtischen Métro integriert ist.

Wichtigster Hersteller von Zahnrad-Triebfahrzeugen war seit 1874 die Schweizerische Lokomotiv- und Maschinenfabrik (SLM) in Winterthur. Nach der Auflösung der SLM im Jahr 1988 wurde der Zahnradbahnbereich von Stadler Rail übernommen. Weltweit sind heute bei rund 70 Prozent der bestehenden Zahnradbahnen von SLM oder Stadler gebaute Triebfahrzeuge in Betrieb.

Literatur

• Beat Keller: Zahnradbahnen – Ein Leitfaden für die Projektierung. In: Schweizer Eisenbahn-Revue. Nr. 4-5. Minirex, 1991, ISSN 1022-7113, S. 115–135. 
• Rudolf Schmid: Die Zahnradbahn als modernes Transportmittel. In: Schweizer Ingenieur und Architekt. Band 97 (1979), Heft 23 (E-Periodica.ch, PDF; 3,5 MB).
• Rolf Honegger: 100 Jahre Brünigbahn – Die Zahnradtechnik In: Schweizer Ingenieur und Architekt. Band 106 (1988), Heft 40 (E-Periodica.ch, PDF; 1,1 MB).
• Zahnstangen. In: Internetseite der Firma Tensol Rail, Giornico. Abgerufen am 15. Juli 2017. 

• [ yyy: xxx.] In: Schweizerische Bauzeitung. Band 78 (1960), Heft 41 (E-Periodica.ch, PDF; n MB).

• Die Zahnradbahnen nach Riggenbachs System und die neue Drachenfelsbah