Dieser Artikel beschreibt Zahnradbahnen, die auf paarig angeordneten Schienen verkehren. Zu vorwiegend im Steillagenweinbau eingesetzten Einschienen-Zahnradbahnen siehe Monorackbahn.
Zahnradbahn auf das Brienzer Rothorn
Eine Zahnradbahn, historisch auch Zahnbahn oder Zahnstangenbahn, ist ein schienengebundenes Verkehrsmittel, bei dem die Vortriebs- oder die Bremskraft zwischen Triebfahrzeug und Fahrbahn formschlüssig mittels eines Zahnstangengetriebes übertragen wird. Das Zahnradsystem besteht fahrzeugseitig aus Trieb- und Bremszahnrädern und infrastrukturseitig aus Zahnstangenstrecken. In eine zwischen den beiden Schienen auf den Schwellen befestigte Zahnstange greifen ein oder mehrere am Triebfahrzeug angetriebene Zahnräder ein.
Durch Anwendung des Formschlusses (Zahnradbahn) lassen sich wesentlich größere Neigungen als mit Reibungsschluss (Adhäsionsbahn) befahren:
Adhäsionsbahnen bis etwa 75‰ Neigung (in Einzelfällen bis zu 116 bzw. 135‰),
Zahnradbahnen bis etwa 300‰ Neigung, maximal bis zu 500‰.
Bei Bahnen im Gebirge stehen für die Bewältigung der bedeutenden Höhendifferenzen oftmals nur kurze Distanzen zur Verfügung. Es müssen größere Neigungen bewältigt werden als der Adhäsionsantrieb (wegen des Durchdrehens der angetriebenen Räder auf den Schienen bei größerer Neigung) zulässt. Die Schafbergbahn überwindet Neigungen von bis zu 255‰, die Pilatusbahn ausnahmsweise bis 480‰ (zwei liegende Zahnräder verhindern gegenseitig das Herausdrängen der Räder aus der Zahnstange), die besonders schweren Treidelloks (mit 50 t das Mehrfache üblicher Zahnradbahnloks) am Panamakanal bis zu 500‰. Es gibt auch Zahnradbahnen auf Hanglagen in Städten, so zum Beispiel in Stuttgart.
Die auf die Vertikale bezogene Steiggeschwindigkeit der Zahnradbahnen ist meistens höher als bei Gebirgsbahnen mit Adhäsionsantrieb.
Die ersten Zahnradbahnen wurden 1869 in den USA auf den Mount Washington und 1871 in der Schweiz auf die Rigi eröffnet. Ursprünglich wurden die Zahnradbahnen ausschließlich mit Dampflokomotiven betrieben, heute herrscht die elektrische Traktion vor. Seit den 1920er Jahren wurden viele Zahnradstrecken mit geringeren Neigungen auf reinen Adhäsionsbetrieb umgestellt oder der Betrieb wurde vollständig eingestellt.
Es kommen verschiedene Zahnstangensysteme zum Einsatz, die nur teilweise miteinander kompatibel sind. Zahnradbahnen unterscheiden sich in verschiedenen Bereichen von Adäsionsbahnen. Bei Zahnstangenweichen sind spezielle Konstruktionen notwendig. Wegen der großen Neigungen werden aus Sicherheitsgründen mehrere voneinander unabhängige Bremssysteme verwendet. Weitere speziell bei Zahnradbahnen zu beachtende Sicherheitsaspekte sind die Sicherheit gegen Entgleisen, die Helixverwindung und bei Bahnen mit gemischtem Zahnrad- und Adhäsionsbetrieb die Betriebsartenüberwachung. Beim Übergang von Adhäsions- auf Zahnstangenabschnitt sind Zahnstangeneinfahrten notwendig, wobei es unterschiedliche Systeme gibt. Einzelne Zahnradbahnen betreiben auch Güterverkehr.
Die Zahnstange ist im Prinzip ein Zahnrad mit unendlich großem Teilkreisdurchmesser. Zahnradantriebe erfordern allgemein höheren Konstruktions- und Fertigungsaufwand als auf Schienen rollende Räder.
Übersicht
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.
Bei reinen Zahnradbahnen – meist wenige Kilometer lange Bergbahnen – ist der Zahnradantrieb ständig im Eingriff. Die Laufräder der Triebfahrzeuge sind in der Regel nicht angetrieben. Die Fahrzeuge können sich auf Strecken ohne Zahnstange nicht fortbewegen, weshalb meistens auch die relativ kurzen ebenen Abschnitte in den Endbahnhöfen und die Zufahrten zur Werkstatt mit Zahnstangen ausgerüstet sind.
Früher bestanden die Züge der reinen Zahnradbahnen je nach Neigung in der Regel aus einer Lokomotive und einem bis drei Wagen. Die Lokomotive war stets talwärts eingeordnet, so dass die Wagen bergauf geschoben wurden und sich der Einbau der zwei vorgeschriebenen mechanischen Bremsen auf das Triebfahrzeug beschränkte. Heute kommen mehrheitlich Triebwagenzüge oder Triebwagen zum Einsatz.
Bahnen mit gemischtem Adhäsions- und Zahnradbetrieb
Gemischter Betrieb: Zug der Furka-Oberalp-Bahn auf einem Zahnstangenabschnitt
Bahnen mit gemischtem Adhäsions- und Zahnradbetrieb wurden dort gebaut, wo nur einzelne Abschnitte mit starken Neigungen vorhanden sind. Bei solchen Bahnen sind die Triebfahrzeuge mit einem kombinierten Antrieb ausgerüstet. Vereinzelt gibt es getrennte Antriebe für die Laufräder und das Zahnrad. Zudem gab es Bahnen, bei denen Adhäsionstriebwagen auf den Zahnstangenabschnitten von Zahnradlokomotiven geschoben wurden (z.B. die Stansstad-Engelberg-Bahn oder die Rittner Bahn).
Der Vorteil gemischter Antriebe ist, dass dort, wo das Zahnrad nicht im Eingriff ist, mit höherer Geschwindigkeit gefahren werden kann. Auf Zahnstangenabschnitten ist die Geschwindigkeit nach den Schweizer Vorschriften, die in diesem Bereich meist als Referenz gelten, auf 40km/h begrenzt. Zumindest ein Teil der Wagen muss auf derartigen Strecken mit Bremszahnrädern ausgerüstet sein.
Der Nachteil gemischter Antriebe ist der technische Aufwand, der vor allem zur ungestörten Einfahrt in die Zahnradstrecken bei möglichst ungeminderter oder nur wenig reduzierter Fahrgeschwindigkeit erforderlich ist. Die Zähne der Antriebs- und Bremsräder müssen bei der Einfahrt im Idealfall die Lücken in einer Zahnstange genau treffen. Der ungünstigste Fall ist, wenn die Zahnköpfe aufeinander treffen und das Fahrzeug „aufsteigt“. Bei den (nicht angetriebenen) Bremszahnrädern kommt erschwerend hinzu, dass ihre Drehzahl vor der Einfahrt passend zur Fahrgeschwindigkeit gemacht werden muss.
Mit zahnradgetriebenen Treidellokomotiven werden Schiffe durch die Schleusen des Panamakanalsgetreidelt. Um die Zugkraft der Lokomotiven zu erhöhen, liegt die Zahnstange in den Treidelgleisen durchgehend, also auch in den waagerechten Abschnitten. Die erheblichen seitlichen Zugkräfte, die vor allem beim Ziehen der Schiffe in den Schleusenkammern auftreten, werden von den Spurkränzen an den Rädern ferngehalten, um zu große Reibungskräfte dort zu vermeiden. Diese Kräfte werden von an den Lokomotiven angebrachten Führungsrollen, die an den Flanken der Zahnstangen rollen, übertragen. Die Zahnstangen ähneln der Bauart Riggenbach.
In den parallel liegenden Gleisen für die Leerfahrten zurück liegen Zahnstangen nur in den kurzen, aber bis zu 500‰ steilen Rampen neben den Schleusenhäuptern.
Bei den ersten Standseilbahnen, die meistens mit Wasserballast angetrieben waren, wurden eine Bremszahnstange und Bremszahnräder ausschließlich zum Bremsen verwendet. Bedient wurde die Bremse von einem Wagen (den talfahrenden) aus. Die Zahnstangen und -räder verschwanden ab Ende des 19. Jahrhunderts, als auf elektrischen Antrieb des Seiles übergegangen wurde und die Brems- mit der Antriebseinrichtung an der Umlenkrolle in der Bergstation kombiniert wurde.
Eine Bremszahnstange und Bremszahnräder besitzt die noch in Betrieb befindliche Nerobergbahn in Wiesbaden.
Spurweite
Zahnradbahnen können in jeder Spurweite gebaut werden, sofern sie den Einbau der Zahnradantriebe in die Laufwerke ermöglicht. Die ältesten Zahnradbahnen der Schweiz sind normalspurig, entweder weil vor 1872 eine andere Spurweite nicht erlaubt war oder um den Übergang auf benachbarte Normalspurstrecken zu ermöglichen. Bei Bahnen in Normal- und Meterspur sind die Fahrzeuge weniger kippgefährdet als bei solchen mit 800 oder 750 Millimeter Spurweite, was insbesondere bei Föhnstürmen von Bedeutung ist. Normal- und Breitspurbahnen erlauben eine größere Transportkapazität, erfordern wegen der potentiell schwereren Fahrzeuge jedoch eine massivere Bauweise von Ober- und Unterbau sowie größere Bogenradien. Weil diese Bedingungen bei Bergbahnen oft nicht erfüllt sind, ist die Mehrheit der Zahnradbahnen meter-, seltener normalspurig. Breitspurige Zahnradstrecken sind auch wegen des geringen Vorkommens von Breitspuren überhaupt eine Ausnahme. Ein Beispiel ist der Abschnitt Raiz da Serra – Paranapiacaba der Strecke Santos–Jundiaí im brasilianischen Bundesstaat São Paulo mit einer Spurweite von 1600 Millimetern.
Vor- und Nachteile
Verwendungsbereich
Zahnradbahnen können sehr leistungsfähig sein. Der abgebildete vierteilige Zahnrad-Triebzug der Perisher Skitube in Australien kann in Doppeltraktion verkehren und so 1768Fahrgäste transportieren.Auf Neigungen über 250‰ dürfen Züge nicht gezogen werden. Einzeln verkehrende Triebwagen auf der Reihe 5099 auf der 255‰ steilen Schafbergbahn in Österreich.
Zahnradbahnen finden ihren Verwendungsbereich zwischen den Adhäsionsbahnen und den 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 ist ihre unbegrenzte Streckenlänge, wobei die Bahn je nach Gelände für einen wahlweisen Adhäsions- und Zahnstangenbetrieb gebaut werden kann. Zusätzlich können Steigungen und Gefälle abwechselnd aufeinander folgen. Traktorbetrieb ist aufwendiger als der Betrieb einer gemischten Zahnradbahn. Typische Beispiele für in das Eisenbahnnetz eingebundene Strecken sind die Matterhorn-Gotthard-Bahn und die Zentralbahn, die nicht nur dem Tourismus, sondern auch der regionalen Erschließung für die einheimische Bevölkerung dienen.
Kosten
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. Kostenintensiv sind zudem die Spezialkonstruktionen an Fahrzeugen und Oberbau. 1991 plante die damalige Luzern-Stans-Engelberg-Bahn eine Vergrößerung ihrer Transportkapazität. Der Preis eines leistungsfähigen Doppeltriebwagens mit 2100kW für 246‰ Neigung wurde auf 16Millionen Schweizer Franken veranschlagt, so viel wie für einen kurzen Intercity-Zug mit einer Lokomotive 2000 und fünf Eurocity-Wagen. Allein der Ersatz der vorhandenen acht Triebwagen BDeh4/4 hätte rund 130 Millionen Franken gekostet. Man zog es vor, stattdessen den für 68Millionen Franken budgetierten Tunnel Engelberg mit 105‰ Neigung zu bauen.
Fahrgeschwindigkeit
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 in km/h (Auszug)
Fahrzeugart / Gefälle
≤ 20‰
60‰
90‰
120‰
160‰
250‰
300‰
480‰
Ältere Fahrzeuge (gebaut vor 1972)
35
28
22,5
19
16
12
10,5
6
Moderne Drehgestellfahrzeuge
40
39
32
27,5
23
17,5
15
9
Auf der Bergfahrt kann die Fahrgeschwindigkeit höher sein. Sie ist im Wesentlichen durch die Traktionsleistung des Triebfahrzeugs bestimmt.
Die Erzbergbahn in Österreich wurde für den Transport von Eisenerz gebaut und 117 Jahre lang im Güterverkehr betrieben.
Die meist sehr kurzen Werkbahnen machten einen geringen Teil der weltweiten Zahnradstrecken aus. Die meisten Werkbahnen mit Zahnradantrieb wurden in Deutschland vor allem für den Bergbau und die Schwerindustrie erstellt.
Wegen der höheren Umweltbelastung wird eine dieselelektrische Zahnradlokomotive der elektrisch betriebenen Matterhorn-Gotthard-Bahn meistens nur für Schneeräumfahrten eingesetzt.
Obwohl Zahnradbahnen sowie Adhäsionsbahnen umweltfreundliche Verkehrsmittel sind, können gewisse nachteilige Einflüsse kaum vermieden werden. Der Bau der Trasse führt bei allen Landverkehrsmitteln zu baulichen Eingriffen in die Natur. Dank der Möglichkeit der steilen Linienführung kann jedoch ein kurzer Weg gewählt und das Gleis ins Gelände eingepasst werden. Zur Durchquerung von Wäldern ist eine Schneise im Hochwald von etwa zehn Metern Breite notwendig (außerhalb einer schmaleren Schneise ist aber ein Niederwaldstreifen möglich. Niederwald ist ein wertvoller Lebensraum, der seit den 1950er Jahren selten geworden ist). Wildtiere gewöhnen sich an den Bahnbetrieb und lassen sich von den Zügen nicht stören.
Der Energieverbrauch von Zahnradbahnen ist beträchtlich höher als im Adhäsionsbetrieb. Ein 50 Tonnen schwerer Zug benötigt für die Bewältigung des Neigungswiderstands auf 250‰ Neigung rund 30kWh/km. Ein Teil davon kann allerdings bei talfahrenden Zügen durch die elektrische Rekuperationsbremse zurückgewonnen werden. Elektrische Antriebe führen zu höheren Erstellungskosten als mit Diesellokomotiven betriebene Bahnen. Sie haben aber einen besseren Wirkungsgrad, sind lokal abgasfrei und produzieren weniger Lärm.
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. Die benötigte Schmiermittelmenge hängt stark von der Witterung ab und ist bei einem Schneesturm am höchsten. Schmiermittel 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
Eingriff des Zahnrads in die Zahnstange einer Zahnradbahn 3) theoretischer Kopfkreis des Zahnrades (bezüglich Platzanforderung etwas größer) 4) theoretische Kopflinie der Zahnstange (bezüglich Platzanforderung etwas höher)Ausstellung von Zahnradsystemen in Capolago TI
Bei der Unterscheidung zwischen verschiedenen technischen Lösungen spricht man von verschiedenen Zahnstangensystemen. Nur die Zahnstangen unterscheiden sich deutlich, während die Zahnräder alle ähnlich sind.
Zahnstangensysteme
Zahnstangensysteme von links nach rechts: Riggenbach, Strub, Abt (mit drei „Lamellen“) und Locher
Die vier weltweit bekanntesten Zahnstangensysteme tragen den Namen ihres jeweiligen Erfinders, die alle Schweizer waren:
1. System Riggenbach: Leiterzahnstange (Trapezzähne zwischen zwei Walzprofilen),
2. System Strub: Zahnstange („Zahnschiene“),
3. System Abt: 2 oder 3 parallele Zahnstangen („Lamellen“),
4. System Locher: liegende Zahnstange mit beidseitiger Verzahnung.
Ihre Lösungen haben sich alle von Anfang an bewährt. Sie wurden von anderen Konstrukteuren oft variiert, aber keine von ihnen musste im Laufe der Zeit grundlegend verändert werden (die Variation betraf i.d.R. nur die Schiene und die Verbindung der Zähne mit ihr).
Leiterzahnstangen
System Riggenbach
Zahnstange System RiggenbachTiefliegende Riggenbach-Zahnstangen in einer Weiche: die Zwischenschienen (grün) und Zahnstangen (rot) werden gemeinsam bewegtSystem Riggenbach
Die Zahnstange von Niklaus Riggenbach wurde 1863 in Frankreich patentiert. Zwischen zwei U-förmige Profile sind die Zähne als Sprossen eingesetzt. Ursprünglich waren sie genietet, heute werden sie geschweißt. Diese Bauart zeichnet sich aus durch trapezförmige Zähne, was Evolventenverzahnung und damit eine konstante Kraftübertragung ermöglicht. Untersuchungen zeigten, dass die eingeführte Zahnform optimal war. Deren Flankenwinkel wurden auch für die späteren Zahnstangenbauarten übernommen. Ende der 1860er Jahre entwickelte Riggenbach seine Zahnstange zur Serienreife. Die Riggenbach-Zahnstange ist wegen ihrer massiven Konstruktionsweise robust und lässt sich mit einfachen Mitteln fertigen. Sie erreichte die zweitgrößte Verbreitung aller Systeme.
Bei den 1871 bis 1875 in Betrieb genommenen Bahnen auf die Rigi ragen die Zahnräder unter die Schienenoberkante. Bei der 1875 eröffneten Rorschach-Heiden-Bergbahn (RHB) befindet sich der Zahnrad-Kopfkreis über der Schienenoberkante, so dass die Triebfahrzeuge über konventionelle Weichen hinweg in den Bahnhof Rorschach einfahren können.
Da sich die Leiterzahnstange wegen der erforderlichen Längenänderung der beiden seitlichen U-Profile nachträglich nicht biegen lässt, müssen die Zahnstangenabschnitte genau für den jeweils benötigten Radius hergestellt werden. Eine Zahnstangenstrecke mit Riggenbach-Leiterzahnstangen wird deshalb so geplant, dass sie mit möglichst wenigen Grundelementen erstellt werden kann. Auf den insgesamt 9,3km langen Zahnstangenabschnitten der Brünigbahn beispielsweise gibt es deswegen nur Bögen mit einem Radius von 120 Metern.
Triebradsatz eines Triebwagens der Drachenfelsbahn mit Getriebe, Triebzahnrad und Bremstrommel der Klinkenbandbremse.
Der Einbau von Riggenbach-Zahnstangen in Weichen erfordert Sonderkonstruktionen. Im Bereich der Zungenvorrichtung laufen die beiden U-Profile auseinander, die Sprossen werden dafür entsprechend verlängert. Bei ausreichend Abstand spaltet sich die Zahnstange dann in zwei Stränge auf. Hochliegende Zahnstangen werden über die Schienen geführt. Der die jeweils zu befahrende Zwischenschiene kreuzende Zahnstangenabschnitt wird seitlich weggedreht. Bei tiefliegenden Zahnstangen werden die Zwischenschienen gemeinsam mit den Zahnstangen verschoben. Anfänglich wurden Schiebebühnen verwendet, während heute die Riggenbach-Zahnstange innerhalb einer konventionellen Weiche u.a. durch eine biegbare Zahnstange ersetzt wird (siehe Abschnitt Weichen und andere Gleisverbindungen).
Riggenbach-Zahnstangen werden auf Stahlsätteln gelagert oder direkt auf den Schwellen befestigt. Bei Verwendung der relativ schmalen Sättel wird Schnee auch an diesen Stellen nach unten weggedrückt und nicht zwischen den U-Profilen verdichtet.
Eine Normierung fand bei diesem Zahnstangentyp und den vielen Varianten davon kaum statt, ganz im Gegenteil wurden sie mit einer Vielzahl an unterschiedlichen Zahnteilungen, Breiten und Höhenlagen hergestellt. Alleine die Teilung variierte von 75 bis 120mm.
Daneben gibt es verschiedene abgeänderte Arten:
System Riggenbach-Pauli – Arnold Pauli
Zahnstange System Riggenbach-Pauli
Die von der Maschinenfabrik Bern (später Von Roll) verbesserte Zahnstange ermöglicht kleinere Bogenradien. Die „Zähne“ (Bolzen) liegen höher, die Zahnräder tauchen weniger tief zwischen die beiden seitlichen U-Profile ein.
Damit sich die Bolzen mit Zahnprofil nicht verdrehen können, liegen sie mit ihrer ebenen Unterseite auf einer ebenfalls horizontal zwischen den beiden Stangen eingefügten Rippe auf.
Übergang System Von Roll auf Leiterzahnstange (rechts) – Sonderkonstruktion für Bahnübergänge
Die Achenseebahn baute ihre Eisenbahnkreuzungen im Zahnstangenabschnitt anderweitig um: Die Zähne sind dort mit dem Straßenbelag bündig, dafür sind die Fahrschienen in einem breiten Kanal entsprechend tief versenkt.
System Riggenbach:Panamakanal
Bei den Treidelbahn am Ufer des Panamakanals werden zur Überwindung der Höhenunterschiede an den Schleusen spezielle Zahnstangen verwendet, die ebenso auf dem System Riggenbach beruhen.
System Morgan – Edmund C. Morgan
System Marsh: Bolzen zw. L-Profilen
Morgan entwickelte ein mit der Riggenbach-Zahnstange verwandtes System, das die Zahnstange als dritte Schiene zur Stromversorgung der elektrischen Lokomotiven verwendete. Das System wurde in den USA in Bergwerken und bei der Chicago Tunnel Company eingesetzt.
Das System besteht aus einer Leiterzahnstange mit Zähnen aus Rundstäben zwischen zwei L-Profilen (U-Profil bei Riggenbach). Es wird bei der ab 1866 gebauten und 1869 fertiggestellten Mount Washington Cog Railway eingesetzt und wurde auch für die Steinbruchbahn in Ostermundigen bei Bern verwendet. Im Gegensatz zu Riggenbach verzichtete Marsh weitgehend auf die Vermarktung seines Systems. Diese Triebstockverzahnung weist gegenüber der später verwendeten Evolventenverzahnung den großen Nachteil einer ungleichmäßigen Fortbewegung auf.
Bei der 1871 eröffneten Werkbahn Ostermundigen wurden die Zahnstangen so hoch verlegt, dass sich der Kopfkreis der Zahnräder so weit über der Schienenoberkante befand, dass die Lokomotiven die Regelweichen im Bahnhof Ostermundigen befahren konnten.
Zahnstange System StrubBremse an Strub-ZahnschieneSystem Strub
Die Strub’sche Breitfußschiene mit Evolventenverzahnung ist das jüngste der drei Systeme mit nach oben zeigenden Zähnen (Riggenbach, Strub und Abt). Die erste Anwendung war 1898 die Jungfraubahn im Berner Oberland. Die seitdem gebauten Zahnradstrecken verwendeten vorwiegend nur noch diese Zahnstange. Trotz ihrer Vorteile blieb ihre Verbreitung aber verhältnismäßig gering, weil ein Großteil der Zahnradbahnen zu diesem Zeitpunkt bereits in Betrieb war. Als einziges mehrfach verwendetes System wurde die Zahnteilung einheitlich auf 100mm festgelegt. Höhenlage und Breite variierten wie bei den anderen Systemen auch, allerdings in etwas geringerem Umfang.
Die Zähne sind in eine der Keilkopfschiene ähnlichen Schiene eingefräst. Die Herstellung der Strub-Zahnstangen ist teuer, ihre Verlegung aber einfach. Sie werden wie Fahrschienen nach der OberbauformK mit Rippenplatten auf den Schwellen befestigt (gleiches Befestigungsmaterial für Fahr- und Zahnschienen), sie können lückenlos verschweißt werden und im Unterhalt sind sie anspruchslos.
Auf dem Meterspurnetz der Appenzeller Bahnen wurden Zahnstangen vom System Strub mit den gleichen Zahnrädern wie die Riggenbachsche Leiterzahnstangen befahren, weil die Teilung und Höhenlage beider Zahnstangen identisch war.
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. Die Jungfraubahn war die einzige Zahnradbahn, bei der die Zahnstange ursprünglich auch Teil einer schleifenden Zangenbremse war. Wegen der kleinen Berührungsfläche an der Schiene war die Abnutzung zu groß, so dass diese Anwendung aufgegeben wurde. Die Zangenbremse wurde nur noch als Festhaltebremse für Güterwagen benutzt.
Neue Strub-Zahnstange mit deutlich erkennbarem Schienenprofil
Da das ursprüngliche Keilkopfschienenprofil nicht mehr hergestellt wurde, bot die Firma Tensol Rail ab 2008 einen Nachfolger unter der Bezeichnung TN70 an. Das Keilkopfprofil wurde dabei verlassen, das Profil ähnelt einer Fahrschiene mit einem sehr großen Kopf, aus welchem das Zahnstangenprofil herausgefräst wird. Die Zahnstangen mit einer Länge von bis zu 12m können lückenlos verschweißt werden und mit üblichen Befestigungsmitteln mit den Stahlschwellen verbunden, auch mit Y-Schwellen.
Unter anderem bei folgenden Zahnradbahnen fand diese Zahnstange bislang Anwendung:
Zahnstange System AbtSystem Abt mit ZweilamellenzahnstangeSystem Abt auf Strecke und in klassischer Weiche
System Abt mit Dreilamellenzahnstange
Als Weiterentwicklung zum System Riggenbach wurden zwei oder drei mit nach oben zeigenden Zähnen versehene Zahnstangen („Lamellen“) nebeneinander eingebaut. Die relativ schmalen Stangen sind zur Anpassung an beliebige Bogenradien genügend biegbar. Durch die Vervielfältigung der Stangen blieb die Kontaktfläche zwischen Zahnrad und Zahnstangen ausreichend groß. Die Breite der Lamellen hängt vom größten auftretenden Zahndruck ab und variiert zwischen 16 und 40mm, ihr Abstand beträgt mehrheitlich 32–40mm. Die Zahnteilung beträgt meist 120mm anstelle der sonst oft üblichen 100mm, in einzelnen Fällen kam allerdings eine leicht geringere Teilung von 118,375, 119,5 oder 119,5244mm zum Einsatz. Wie sonst auch kamen hier ebenfalls viele unterschiedliche Höhenlagen zur Ausführung, zum Teil sogar bei Betrieben mit Wagenübergang (früher in Brig, immer noch in Zermatt).
Die Abt’sche Lösung sollte zudem die bei der Rigibahn entstandenen Probleme mit Teilungsfehlern an den Zahnstangenstößen vermeiden, aber auch preisgünstiger als die Riggenbach-Zahnstange sein.
Diese Mehrlamellenbauart erreichte weltweit die größte Verbreitung. Die Anwendung der dreilamelligen Zahnstange blieb in Europa auf die seinerzeitige Harzbahn beschränkt. In Übersee kommt das dreilamellige Abt-System auf der Strecke Santos–Jundiaí und der Ikawa-Linie sowie früher bei der Transandenbahn, der Bahn über den Usui-Pass und in Venezuela bei der Strecke Puerto Cabello–Valencia zum Einsatz.
Die Lamellen ruhen auf Gusssätteln, die mit den Schwellen verschraubt sind. Sie sind um die Hälfte beziehungsweise um ein Drittel ihrer Länge gegeneinander verschoben, sodass die Stöße nicht auf gleicher Höhe liegen. Ein besonderer Vorteil bei Verwendung mehrerer Lamellen ist die ruhige, stoßfreie und betriebssichere Kraftübertragung durch die um einen halben bzw. Drittel Zahn versetzte Teilung der Lamellen; dabei ist allerdings eine Torsionsfederung der Triebzahnräder-Scheiben gegeneinander erforderlich, um eine annähernd gleichmäßige Aufteilung des Zahndrucks auf die Lamellen zu erreichen. Die Zahnstangeneinfahrten mit gefederter Spitze und kleineren Zähnen waren von Anfang an Teil des Systems.
Vorteilhaft ist, dass in Zahnstangenweichen beim System Abt in der Regel keine beweglichen Zwischenschienen erforderlich sind. Die Lamellen werden im Kreuzungsbereich nach beiden Seiten aus dem Durchlaufbereich der Räder herausgeschwenkt. Mit der Einführung weicherer Triebzahnradfederungen traten dabei aber zunehmend Probleme auf, weshalb mittlerweile auch Weichen für das System Abt mit demselben Aufwand wie andere Zahnstangenweichen gebaut werden. Beide Lamellen werden dabei durchgängig verlegt und die Zwischenschienen entsprechend verschwenkt.
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.
Teilweiser Ersatz alter Strub-Zahnstangen (rechts) durch solche des Systems Von Roll (links) auf der Strecke St.Gallen–Gais–AppenzellÜbergang von einer Riggenbach-(links) zu einer Von-Roll-Zahnstange (rechts). Teilweiser Ersatz alter Riggenbach-Zahnstangen durch solche des Systems Von Roll bei der Schynige Platte-Bahn
Die früher von der Firma Von Roll hergestellte Zahnstange ist eine einlamellige Zahnstange. Sie kann in beliebiger Zahnteilung als Ersatz für Zahnstangen der Systeme Riggenbach oder Strub aus einem massiven Flachstahl gefräst werden, auch die Höhenlage ist durch Profilstahl-Sättel frei wählbar. Sie kann auch durchgehend verschweißt werden.
Diese Zahnstange kommt in erster Linie als preisgünstiger Ersatz alter Zahnstangen nach dem System Riggenbach zur Anwendung. Neben der günstigeren Herstellung ist dabei vor allem das mögliche Biegen entsprechend dem Bogenradius von großem Vorteil. Separate Radien-Segmente sind hier nicht notwendig, trotz der meist großen Dicke (30–80mm, je nach Zahndruck). Bekannte Einsatzorte in jüngerer Vergangenheit sind unter anderem die Luzern-Stans-Engelberg-Bahn (2010), die Bayerische Zugspitzbahn (2011) oder auch die Strecke über den Brünigpass (zuletzt im Herbst 2023).
Auch bei Neubauten oder beim Ersatz von Zahnstangen der Bauart Strub kamen diese Lamellen zum Einsatz. Seit die Bauart TN70 verfügbar ist, wird aber dieses Profil bevorzugt verwendet und löste bei Umbauten teilweise auch Zahnstangen der Bauart Abt oder Von Roll ab.
Nach der Ausgliederung der Tensol Rail bei Von Roll Infratec im Jahr 2000 übernahm Tensol die Herstellung der Lamellen, auch anderes Zahnstangenzubehör wird dort hergestellt.
Zahnstangen für waagrechten Eingriff zweier Zahnräder
Zahnstange System LocherGleiswender mit Zahnstangensystem Locher während des Wendens; Nähe Bergstationen der Pilatus-Bahn
System Locher
Zwei gegenüber liegende Zahnräder greifen von den Seiten aus in die fischgrätenartige Zahnstange ein. Die Zahnteilung beträgt 85,7mm. Das Herausdrängen der Zahnräder aus der Zahnstange („Aufklettern“) wird durch die entgegengesetzte Anordnung der beiden Zahnpaarungen kompensiert.
Je ein Ring auf der Unterseite der Zahnräder dient zur horizontalen Führung der Fahrzeuge (dieser Ring wirkt radial gegen den Unterbau der Zahnstange) und ist eine zusätzliche Maßnahme gegen Trennung der Verzahnung in Breitenrichtung (Hochsteigen des Triebwagens; Spurkranz wirkt axial von unten gegen eine schmale Zusatzschiene am Unterbau).
Das System Locher ermöglicht als einziges der verwendeten Zahnstangensysteme die Überwindung von wesentlich mehr als 300‰ Neigung, weil es das Aufsteigen aus der Zahnstange verhindert. Es wurde bislang nur bei der Pilatusbahn verwendet. Eine weitere Verwendung hat die Locher-Zahnstange wegen der großen Kosten nicht gefunden (nur ähnliches System am Schiffshebewerk am Krasnojarsker Stausee).
Gleisverbindungen verlangen Schiebebühnen oder Gleiswender, da Weichen nicht ausführbar sind. Für Mischbetriebsstrecken (sowohl Zahnstangen-, als auch Adhäsionsantrieb) war es nicht vorgesehen.
System Peter – Hans Heinrich Peter
Zahnstange System PeterZahnstange System Peter
Die Fischgräten-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 als die von Locher. Hans Heinrich Peter (28. Februar 1875-1931) war Civil-Ingenieur in Zürich und publizierte vorrangig zur Technik von Bergbahnen. Sein System war für die Dreikreuzberg-Bahn in Karlsbad mit 500‰ Neigung vorgesehen, deren Bau wegen des Ausbruchs des Ersten Weltkrieges eingestellt wurde.
Das Walzenradsystem sollte bei der Wädenswil-Einsiedeln-Bahn Verwendung finden, kam aufgrund eines Unfalles bei einer Probefahrt am 30. November 1876 aber nicht in den kommerziellen Betrieb.
System Fell – John Barraclough Fell
Das System Fell ist keine eigentliche Zahnradbahn, sondern ein Mittelschienen-Reibradantrieb durch liegende Reibräder auf eine in der Gleismitte erhöht liegende dritte Schiene.
Anordnung des Zahnstangensystems
Bahnübergang mit absenkbarer Zahnstange bei der DFB in Oberwald
Die Zahnstange wird immer in der Gleismitte angeordnet und mittels üblichen Schienenbefestigungsmitteln auf den Bahnschwellen befestigt. Sie liegt entweder in Höhe der Schienenoberkanten der Fahrschienen oder darunter, oder ihre Zähne überragen die Schienenoberkante (SOK).
Tiefliegende Zahnstangen sind günstig für Bahnübergänge, da keine Höhendifferenzen im Straßenplanum auftreten, und die entstehenden Rillen in der Straße nicht breiter als bei Schienenrillen sind. Der Weichenbau ist aber aufwändig, weil tiefliegende Zahnstangen für den Durchgang der unter Schienenoberkante ragenden Zahnräder bewegliche Zwischenschienen erfordern. Wegen der ebenfalls tiefliegenden Zahnräder können entsprechende Fahrzeuge andere Gleise nicht kreuzen und Regelweichen nicht befahren.
Hochliegende Zahnstangen stören die Überfahrt der Straßenfahrzeuge (Bodenwelle). Eine aufwändige Lösung ist das zeitweise Versenken der Zahnstange im Überwegbereich. Eine besonders hohe Lage weisen die Zahnstangen der Strecke Martigny–Châtelard (Schweiz) auf, weil die anschließende, mit Adhäsionsantrieb befahrene Strecke bis nach Saint-Gervais (Frankreich) in Gleismitte angeordnete Bremsschienen des Systems Fell aufwies. Damit ein Wagendurchlauf auf der Gesamtstrecke möglich wurde, liegt der Teilkreis der Zahnstange 123mm über Schienenoberkante. Ein Vorteil der hochliegenden Zahnstangen ist der weniger aufwändige Weichenbau: Die Zwischenschienen sind durchgehend, weil sich die Zahnstangen darüber einschwenken lassen. Wegen der ebenfalls hochliegenden Zahnräder können entsprechende Fahrzeuge andere Gleise kreuzen und Regelweichen befahren.
Zahnstangenstöße können auf neuzeitlichem, schwerem Oberbau wie die Fahrschienen lückenlos verschweißt werden. Die einzelnen Lamellen von Abt-Zahnstangen haben in Bögen nicht die gleiche Länge. Zum Längenausgleich wurden bisher vergleichsweise kurze Lamellen mit in den beiden Lamellenzügen verschieden breiten Stoßfugen (und damit verbundenen Teilungsfehlern) verwendet. Heute wird in Bögen eine der beiden Zahnstangenlamellen mit veränderter Teilung ausgeführt.
Montagetoleranz für die Höhenlage der Zahnstange sowie höchste und tiefste Lage des Teilkreises der eingreifenden Zahnräder
Runde Zahnköpfe erleichtern das Einfahren in die Zahnstange und verhindern das Aufklettern bei Teilungsfehlern, wie die Erfahrungen der Rigibahn schon sehr früh zeigten.
Eingriff der Zahnräder in die Zahnstange
Die Toleranz für die Höhenlage der Zahnstange beträgt +2mm, die für den Höhenunterschied an den Zahnstangenstößen ±1mm. Die höchste Lage der Trieb- und Bremszahnräder ergibt sich bei neuen Laufrädern oder Radreifen auf einem Gleis mit neuen Fahrschienen. Bei ihrer tiefsten Lage (größte Laufradabnützung und abgefahrene Schienenköpfe) dürfen kein Verklemmen in der Zahnstange und keine Berührung zwischen Zahnkopf und Zahngrund auftreten.
Die Laufräder nutzen sich während des Betriebs ab, wodurch sie im Durchmesser kleiner werden. Bei gemischtem Betrieb (Adhäsions- und Zahnradantrieb) ist die Abnutzung wegen der relativ großen Laufleistungen groß. Trieb- und Bremszahnräder hingegen verschleißen zwar an ihren Zahnflanken, aber der für den Eingriff maßgebliche Teilkreisdurchmesser ändert sich nicht. Bei Adhäsions- und Zahnradantrieb auf der gleichen Radsatzwelle reduziert sich der vom Radsatz bei einer Umdrehung zurückgelegte Weg, während der vom Triebzahnrad zurückgelegte Weg gleich bleibt. Weil bei Drehgestell-Triebfahrzeugen oder neueren Rahmenlokomotiven die Trieb- und Bremszahnräder fest auf der Triebachse aufgepresst und die Räder lose auf der Achse oder auf einer Hohlwelle gelagert sind, ist nur eine geringe Radreifenabnutzung zulässig (siehe auch Abschnitte Elektrische und dieselelektrische Triebfahrzeuge und Elektrische und dieselbetriebene Triebfahrzeuge).
Bei den mit getrennten Antrieben ausgestatteten ABeh150 und ABeh160/161 der Zentralbahn ist die Einschränkung der geringen Radreifenabnutzung hinfällig geworden. Bei den in den Jahren 2012 und 2016 abgelieferten Gelenktriebwagen kommt ein neu entwickelter Zahnradantrieb mit exzentrischer Höhenverstellung zum Einsatz, der konstruktiv einem üblichen Zahnradantrieb mit Tatzlagerung entspricht, wie er von reinen Zahnradbahnen bekannt ist. Die Trieb- beziehungsweise Bremszahnräder stützen sich nicht direkt auf der Radsatzwelle ab, sondern auf einer zusätzlich eingefügten, nicht umlaufenden Hohlwelle, die sich auf der Radsatzwelle über Exzenterscheiben abstützt. Durch Drehen an den Exzenterscheiben lässt sich der Zahneingriff auf einfache Weise dem Radverschleiß entsprechend anpassen.
Bei Dampflokomotiven mit dem Antriebssystem Winterthur sind der Adhäsions- und der Zahnradantrieb im gemeinsamen Rahmen gelagert. Das erlaubt, bei abnehmender Radreifendicke die Tiefe des Zahneingriffs durch Anziehen der Tragfedern nachzustellen.
Wagen, die regelmäßig auf Zahnradstrecken mitgeführt werden sollen, benötigen wegen ihrer größeren Masse in der Regel ein Bremszahnrad, das in einem der Drehgestelle eingebaut ist. Dem Radverschleiß entsprechend wird die Höhe des Bremszahnrads nachjustiert.
Wagen von gemischten Adhäsions- und Zahnradbahnen können mit einer Adhäsions- und einer verzögert wirkenden Zahnradbremse, einer sogenannten Nachbremse, ausgerüstet sein. Bei den auf der 246‰ steilen Zahnstangenstrecke nach Engelberg verkehrenden Wagen waren beide Drehgestelle mit einem Bremszahnrad ausgestattet, nachdem sich die Bremsen der 1964 beschafften sehr leichten Personenwagen mit nur einem Bremszahnrad nicht bewährt hatten. Wagen, die auch auf dem Abschnitt Giswil–Meiringen der Brünigbahn und auf den Strecken der Berner-Oberland-Bahn mit Neigungen bis 120‰ einsetzbar sein sollten, wurden zur Vermeidung von Überbremsungen auf diesen Abschnitten mit einer Umstellvorrichtung ausgerüstet.
Zahnstangeneinfahrt
Bei Bahnen mit gemischtem Adhäsions- und Zahnradantrieb müssen bei der Einfahrt in die Zahnstange die Trieb- und Bremszahnräder mit der Zahnstange synchronisiert und konphas gemacht werden. Bei der Kupplung zwischen Zahnrad- und Laufradantrieb ist die Synchronität bereits vorhanden. Beim Konphasmachen der beiden Zahnreihen müssen die Laufräder geringfügig auf den Schienen durchrutschen.
Im Lauf der Zeit wurden zahlreiche mechanische Einfahrsysteme entwickelt, die bei allen Zahnstangensystemen anwendbar sind, sich aber nur mehr oder weniger gut bewähren.
Ein- und Ausfahrgeschwindigkeit
Bei der von Niklaus Riggenbach 1870 konzipierten Steinbruchbahn Ostermundigen hielt die Lokomotive auf der abgesenkten Einfahrlamelle an, worauf die Lamelle über einen Exzentermechanismus angehoben wurde. Je nach Position des Zahnrads gegenüber der Zahnstange wurde das Zahnrad durch die Dampfmaschine leicht bewegt.
Mit den danach entwickelten Einfahr-Mechanismen musste zwar nicht mehr angehalten, aber immer noch mit reduzierter Geschwindigkeit gefahren werden. Die zulässige Einfahrgeschwindigkeit betrug lange Zeit nur etwa 5km/h. Dabei stellten die geringen umlaufenden Massen der Zahnradantriebe von Dampflokomotiven nicht einmal so hohe Anforderungen wie elektrische Lokomotiven, deren Motoren wesentlich höhere rotierenden Massen aufweisen. Nach der Umstellung auf elektrischen Betrieb gelang es dennoch bald mit den heute üblichen 10km/h ein- und mit 20km/h weiterzufahren, bis alle Wagen eingefahren sind. Die modernen Triebzüge mit über die ganze Zuglänge verteilten Zahnradantrieben müssen aber über die vollständige Zuglänge mit 10km/h einfahren, was zu Zeitverlusten führt.
Bei der Ausfahrt wird eine Ausfahrgeschwindigkeit von 40km/h angestrebt. Das führt bei Einfahrlamellen mit variabler Teilung (System Brünig) zu starken Vibrationen, die zu Brüchen in der Mitte der Lamellen führen. Die Ausfahrgeschwindigkeit musste zum Teil auf 20km/h beschränkt werden.
System Abt
Bei der Harzbahn Blankenburg–Tanne realisierte Carl Roman Abt, der Erfinder des nach ihm benannten Zahnstangensystems, 1883 eine Zahnstangeneinfahrt mit einer gefederten Einfahrlamelle. Diese später weit verbreitete Zahnstangeneinfahrt besteht aus einem vor der festen Zahnstange eingebauten, an seiner Spitze (früher an beiden Enden) gefedert gelagerten Einfahrlamelle. Mit der festen Zahnstange ist sie (heute) drehbar verbunden. Die Höhe der Zähne nimmt von anfänglich fast null kontinuierlich bis am Ende auf Norm-Höhe zu. Meist wächst auch die Zahnteilung kontinuierlich von leichtem Übermaß am Anfang auf Normmaß am Ende. Diese Zähnegeometrie dient vor allem dem Konphasmachen. Zwischen die verkürzten Stangen-Zähne greift zunächst nur ein Rad-Zahn ein, sodass dieser ohne durch einen weiteren Rad-Zahn daran gehindert zu werden, die Mittenlage in der kleiner und höher werdenden Stangen-Zahnlücke einnehmen kann. Wegen der anfänglich etwas größeren Zahnteilung ist die Wahrscheinlichkeit, eine Zahnlücke zu treffen, größer. Sollte ein auf einen verkürzten und angespitzten Stangenzahn treffender Radzahn nicht in eine Lücke einrutschen und es zu einem Aufsteigen kommen, verhindern zwei relativ hohe und lange Radlenker das Entgleisen. Bis zum Ende der Radlenker muss die Verzahnung allerdings wieder eingegriffen haben.
Zahnstangeneinfahrten: System Abt
Zahnstangeneinfahrt auf Riggenbach-Zahnstange, gefedert eingebautes Zahnstangenstück, keine Radlenker. Bahnhof Heiden der Appenzeller Bahnen
Ausschnitt von linkem Bild (vor zweiter Stangen-Lagerstelle): Zahnabnutzung durch die Bremszahnräder, die bei Einfahrt aufprallen, um auf Einfahrdrehzahl beschleunigt zu werden
Zahnstangeneinfahrt auf Von-Roll-Zahnstange (auf der Strecke Strub-Zahnstange) mit Radlenker. Bahnstrecke Altstätten–Gais der Appenzeller Bahnen
Ungleich abgenutzte Zähne der Zahnstangeneinfahrt bei der Haltestelle Stoss der Appenzeller Bahnen (andere Einfahrt als im Bild links)
System Brünig
Schematische Darstellung einer Einfahrlamelle (Zahnstangenanfang) bei der Brünigbahn. Ihre Zähne sind alle ungleich geformt und ihre Köpfe gerundet. Erst der letzte Zahn ist gleich denen auf der folgenden Strecke.
Die Einfahrlamelle nach System Brünig hatte keine verkürzten, aber am Anfang dünnere und an den Köpfen abgerundete Zähne. Bei ungünstiger Zahnstellung drückten die Zahnräder auch die Spitze der Einfahrlamelle nieder. Die Bremszahnräder wurden durch den Reibkontakt mit einem davor angeordneten Beschleunigungsbalken auf ungefähr synchrone Drehzahl zwischen ihm und den Zahnköpfen gebracht. Solche Einfahrthilfen wurden erstmals 1941 bei der Elektrifizierung der Brünigbahn verwendet und kamen auch bei der Berner-Oberland-Bahn (BOB) und andernorts zum Einsatz.
In der Mitte der Einfahrlamellen kam es häufig zu Brüchen. Bei der Ausfahrt führte die variable Zahnteilung zu heftigen Vibrationen, die zu Rissen zwischen den Zähnen führten. Die Risse vertieften sich senkrecht nach unten, bis die Lamelle bei zu kleinem Restquerschnitt brach.
System Marfurt
Zahnstangeneinfahrt System Marfurt: • Beschleunigungsbalken für den Antrieb der nicht drehenden Bremszahnräder • Rollenbalken (die Bremszahnräder konphas machende Lamelle) • Einfahrlamelle für das Einfahren und Eingreifen in die Zahnstange für Achsantriebe mit verkuppelten Adhäsions- und Zahnradantrieb • Feste Zahnstange (roter Pfeil) als breite Lamelle ausgeführt für den Übergang in die LeiterzahnstangeZahnstangeneinfahrt System Marfurt der Matterhorn-Gotthard-Bahn 1) Adhäsionsabschnitt 2) Zahnstangenabschnitt 3) Beschleunigungsbalken 4) die Bremszahnräder konphas machende Lamelle 5) gefederte Einfahrlamelle 6) Zahnstangenfederung 7) Radlenker
Um die Nachteile der Zahnstangeneinfahrten mit variabler Zahnteilung (System Brünig) zu vermeiden – insbesondere die sehr großen Vibrationen während der Ausfahrt –, ging man dazu über, die konphase Lage durch Längsverschiebung (vor und zurück) der Einfahrlamelle zu erreichen. Einen entsprechenden selbsttätigen Mechanismus entwickelte Jakob Marfurt von der Firma Tensol Rail. Die erste Einfahrt System Marfurt wurde 1996 bei den Berner-Oberland-Bahnen (BOB) eingebaut.
Die Zahnstangeneinfahrt nach Marfurt besteht aus drei Teilen mit je einer Teilaufgabe:
Beschleunigungsbalken: ein mit Gummi belegter Balken, auf dem die stillstehenden Bremszahnräder der nicht angetriebenen Wagen durch Reibkontakt auf ungefähr synchrone Drehzahl gebracht werden,
Eine Rollenbatterie verbessert die Synchronisierung der Bremszahnräder und stellt ihre richtige (konphase) Zahnstellung her. Die folgende Einfahrlamelle bleibt untätig, d.h. in Ruhelage.
Einfahrlamelle: eine sich bei Auffahrt der Triebzahnräder durch Niederdrücken deren Spitze etwas entgegen der Fahrtrichtung bewegende kurze Zahnstange.
Die wesentliche Neuerung ist die Einfahrlamelle. Ihre Rückwärtsbewegung beim Herunterdrücken bewirkt, dass je ein Zahn der Lamelle und des Zahnrades gegeneinander bewegt werden, wodurch deren richtige (konphase) gegenseitige Lage hergestellt wird. Die Lamelle steht auf zwei schrägen Hebeln. In Grundstellung ist ihr vorderes Ende angehoben, und das hintere geht zur fest verlegten Zahnstange über. Das auffahrende Zahnrad drückt das vordere Ende nach unten und in Fahrtgegenrichtung (nach vorn, d.h. rückwärts). Das hintere Ende wird gehoben. Das vorwärts rollende Zahnrad findet die passenden Lücken in der Stange und hilft schließlich, deren hinteres Ende wieder herunter und in passende Lage zur festen Stange zu bringen. Die Einnahme der Grundstellung geschieht in erster Linie mit Hilfe einer kräftigen, hydraulisch gedämpften Rückstelleinrichtung.
Das System Marfurt erlaubt eine sanftere Einfahrt mit höherer Geschwindigkeit (bei Versuchsfahrten bis 30km/h) und dank der nahezu vollständigen Vermeidung von Einfahrgeräuschen eine deutliche Lärmreduktion. Die Abnutzung ist geringer, die Verschleißteile sind definiert und leicht zu wechseln.
Zahnstangeneinfahrt: System Marfurt bei den Appenzeller Bahnen (AB) im Güterbahnhof St.Gallen, 2017
Zahnstangeneinfahrt, von vorn nach hinten: Beschleunigungsbalken, die Bremszahnräder konphas machende Lamelle, Einfahrlamelle, Strub-Zahnstange
oben: Synchronisierungslamelle, Einfahrt von links unten: Einfahrlamelle mit hydraulisch gedämpfter Rückstelleinrichtung (links, zweifach), Einfahrt von rechts
Einfahrlamelle aus der Sicht des Triebfahrzeugführers Lamelle auf zwei Hebeln gelagert, zwei hydraulisch gedämpfte Rückstelleinrichtung
Ab dem Anfangssignal gilt die signalisierte Höchstgeschwindigkeit.
Das Vorsignal steht etwa 150m 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.
Weichen und andere Gleisverbindungen
Schiebebühnen, Drehscheiben und Gleiswender
Zur Zeit der ersten Zahnradbahnen war die Weiche bei Schienenbahnen längst Stand der Technik. Weichen für Zahnradbahnen, in denen sich die Zahnstangenstränge mit den Innenschienen kreuzen, mussten erst entwickelt werden, weshalb zunächst vorwiegend Schiebebühnen als Gleisverbindungen benutzt wurden, so auch bei der ältesten Zahnradbergbahn am Mount Washington und bei der Arth-Rigi-Bahn.
Plan der 1875 von Riggenbach erbauten ZahnstangenweicheDurchgehend mit Riggenbach-Zahnstange versehene Weiche der Rorschach-Heiden-Bergbahn
Auffahrbare Zahnstangenweiche System Riggenbach bei der Schynige-Platte-Bahn. Der führende Radsatz eines auffahrenden Fahrzeuges drückt das Druckstück vor dem Herzstück in die andere Lage und stellt damit die Weiche mit den beweglichen Zahnstangenlamellen um.
Riggenbach-Weiche mit tiefliegender Zahnstange und unterbrochenen Zwischenschienen bei der Drachenfelsbahn
Zahnstangenweichen sind mit beweglichen Zahnstangenelementen ausgerüstet, damit die Zahnstangen des einen Strangs die Schienen des andern Strangs kreuzen können. 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. Andererseits muss bei Kreuzungsbahnhöfen mit durchgehenden Zahnstangen wie in Tschamut-Selva auf der Oberalpstrecke die Geschwindigkeit nicht reduziert werden, weil keine Zahnstangeneinfahrt nötig ist.
Der Vorteil von Zungenweichen mit Zahnstange gegenüber klassischen Schleppweichen mit verschiebbarem Gleisrost sind die nur geringen temperaturbedingten Längenänderungen der kurzen beweglichen Zahnstangenteile. Nennenswerte Teilungsfehler können durch Temperaturänderungen nicht auftreten. Zahnstangenweichen werden aufgrund der geringen Geschwindigkeiten mit vergleichsweise kleinen Zweiggleisradien gebaut, mehrere Verschlüsse im Zungenbereich oder bewegliche Herzstückspitzen sind deshalb nicht erforderlich.
1875 baute Riggenbach die erste Zahnstangenweiche auf der Rorschach-Heiden-Bergbahn in Wienacht ein, um eine Zufahrt zum dortigen Sandsteinbruch zu ermöglichen. Innerhalb der Weiche befindet sich statt der Riggenbach-Leiterzahnstange eine einlamellige Zahnstange. Diese Zungenweiche entspricht der für einlamellige Zahnstangenstrecken noch heute verwendeten Bauart, die auch bei Bahnen mit Riggenbach-Zahnstange mehrheitlich eingesetzt wird.
Weiche der Strecke Aigle–Leysin mit vollem Zahnstangenquerschnitt
Bei den Weichen der 1893 eröffneten Wengernalpbahn und Schynige-Platte-Bahn mit 800mm Spurweite und Riggenbach-Zahnstange war die Zahnstange auf einer Länge von 90cm unterbrochen. Zur Gewährleistung eines unterbrechungsfreien Eingriffs benötigten die Lokomotiven zwei Triebzahnräder. Heute setzen die beiden Bahnen Weichen mit beweglichen Lamellen ein.
Bereits seit 1890 verwendet die Monte-Generoso-Bahn Zahnstangenweichen des Systems Abt. Deren Konstruktion ist dank der zweilamelligen Zahnstange einfacher, weil innerhalb der Weiche abschnittweise nur eine der beiden Zahnstangenlamellen benutzt wird (siehe Bild im Abschnitt Lamellenzahnstangen). Eine solche Weiche kann aber nur in geringen Neigungen verwendet werden, wo nicht die volle Zugkraft auf die Zahnstange wirkt. Die bei neueren Triebfahrzeugen weicheren Tangentialfedern der Triebzahnräder führen nach einlamelligen Abschnitten zu starkem Verschleiß beim Wiedereingriff in die zweite Lamelle, da der belastete Zahnkranz gegenüber dem unbelasteten verdreht wird. Traditionelle Zahnstangenweichen des Systems Abt sollten deshalb nicht mehr angewendet werden. Sollen Zahnstangenweichen System Abt mit der vollen Antriebs- oder Bremskraft befahren werden, dann erhalten sie für das Durchführen des vollen Zahnstangenquerschnittes bewegliche Zwischenschienen und zusätzlich im Zungenbereich bewegliche Zahnstangen nach dem Schleppweichenprinzip. Beispiele sind die Weichen bei der Gornergratbahn und in der Schöllenenschlucht
Die Berner Oberland-Bahnen rüsteten ihre neuen Zahnstangenweichen mit drei Einzelantrieben aus, um das im Winter störanfällige Gestänge zu vermeiden.
Zahnstangenweichen mit tiefliegenden Zahnstangen oder mit unterbrochenen Zwischenschienen sowie jede Form von Schleppweichen sind nicht auffahrbar. Weil ein Auffahrvorgang immer zur Entgleisung mit insbesondere in starken Neigungen schwerwiegenden Folgen führt, müssen Auffahrvorgänge unbedingt vermieden werden. Beim System Abt und bei hochliegenden Riggenbach-Zahnstangen mit nicht unterbrochenen Zwischenschienen wurden auffahrbare Weichen, die sich schon beim Befahren des Herzstückes auf rein mechanischem Weg in die erforderliche Lage umstellen, realisiert (siehe Bild weiter oben). Eingebaut wurden sie beispielsweise bei der Rochers-de-Naye- und der Schynige-Platte-Bahn.
Federweichen
Federweiche Rigi-VTW 2000 der Rigi-Bahnen
Neuartige Federweichen der Rigi-Bahnen in Arth-Goldau
Seit 1999 setzen die Rigi-Bahnen und seit 2004 die Dolderbahn neu entwickelte Federweichen ein, in welchen das Gleis von der einen Endlage in die andere entlang einer definierten Kurve gebogen wird. Zur Kompensation der temperaturbedingten Längenänderungen über die gesamte Weichenlänge ist die Federweiche so konstruiert, dass die Längendehnungen der Zahnstange und des darunter liegenden Rahmens in entgegengesetzter Richtung wirken. Damit heben sich die beiden Längendehnungen gegenseitig auf, der Zahnabstand an der Stoßstelle bleibt innerhalb der Toleranz und Zahnteilungsfehler werden vermieden.
Die einfache Konstruktion der Federweiche hat – im Gegensatz zur konstruktiv von Adhäsionsweichen abgeleiteten üblichen Zahnstangenweichen – weniger bewegliche Teile mit entsprechend weniger Verschleiß und benötigt keine Weichenheizung. Die Anwendung wäre auch bei Adhäsionsbahnen möglich, z.B. als Doppel- oder Kreuzungsweiche. Nachteilig ist allerdings, dass sie wie alle Schleppweichen nicht auffahrbar sind. Rollt ein Fahrzeug stumpf auf eine derartige Weiche zu, kommt es zwangsläufig zu einer Entgleisung, die in steil abfallendem Gelände fatale Folgen haben kann.
Helixverwindung in der Weiche
Auf Gleisabschnitten mit Neigungen über 40‰ ist in Gleisbögen die Helixverwindung zu berücksichtigen (vgl. Abschnitt Helixverwindung). Weichen stellen diesbezüglich einen Spezialfall dar. Sie müssen sich in einer Ebene befinden, damit sie richtig schließen und sich die Zungen nicht verklemmen. Bei einer Weiche in einer Neigung ist die Verwindung des abzweigenden Strangs somit konstruktionsbedingt unterbunden. Erst nach der letzten durchgehenden Schwelle kann sich das Gleis wieder verwinden.
Liegt eine Weiche in der Neigung mit Weichenanfang talseitig, so ergibt sich allein aus der Geometrie eine Überhöhung der bogenäußeren Schiene des abzweigenden Stranges. Die Überhöhung entspricht in der Tendenz jener, die aus fahrdynamischen Gründen in einen Bogen ohne Weiche eingebaut worden wäre. Wenn der Bogen nach der Weiche endet, kann das Gleis verwunden werden.
Befindet sich dagegen eine Weiche umgekehrt mit dem Weichenanfang bergseitig, ist die Überhöhung aus den gleichen geometrischen Gründen auf der bogeninnen Schiene. Das ist aber fahrdynamisch ungünstig, denn die nun negative Überhöhung verstärkt die auf das Fahrzeug wirkenden Fliehkräfte. Eine solche Weiche darf nur mit verringerter Geschwindigkeit im abzweigenden Strang befahren werden. Der Effekt kann mit einem größeren Weichenradius und somit einer geringeren Weichenneigung sowie mit einer Außenbogenweiche reduziert werden. Bei der Außenbogenweiche kann der Fehler auf die beiden Gleisstränge verteilt werden. Auch bei dieser Weichenkonstallation wird das Gleis nach der letzten durchgehenden Schwelle verwunden.
Bei den bei der Pilatusbahn (System Locher) verwendeten Schiebebühnen und Gleiswendern ist die Helixverwindung bedeutungslos, denn die Verwindungen der beiden Gleisstränge sind voneinander unabhängig. Bei anderen Zahnstangensystemen sind solche Gleisverbindungen aus Kostengründen keine Alternative.
Im SystemwechselbahnhofInterlaken Ost treffen zwei meterspurige Strecken mit Zahnstangenabschnitten und unterschiedlichen Stromsystemen aufeinander. Links im Bild ein Zug der Berner-Oberland-Bahn (1500Volt Gleichspannung), rechts eine Komposition der Zentralbahn (15kV Wechselspannung).
Elektrische Zahnradlokomotive der ehemaligen Furka-Oberalp-Bahn, Schweiz
Als Zahnradlokomotive wird eine Lokomotive bezeichnet, die für den Zahnradbahnbetrieb vorgesehen ist. Hierbei wird die Zugkraft der Lokomotive mittels eines oder mehrerer Zahnräder auf Zahnstangen übertragen. Zahnradlokomotiven werden meistens bei Gebirgs- oder Bergbahnen eingesetzt, auf denen die Steigungen einen sicheren Betrieb durch die Reibung im Rad/Schiene-Betrieb nicht mehr ermöglichen oder aus Sicherheitsgründen nicht mehr zulassen. Dies ist in Europa zum Beispiel in den Alpenregionen der Fall. Bis in die heutige Zeit haben sich Dampflokomotiven auf Zahnradbahnen erhalten, was der touristischen Attraktivität zu verdanken ist.
Auch einige der frühesten gebauten Lokomotiven, etwa die von John Blenkinsop, und die nach seinem Vorbild 1816 und 1817 von der Königlichen Eisengießerei in Berlin gebauten Lokomotiven, waren streng genommen Zahnradlokomotiven, da man noch davon ausging, dass das Eigengewicht der Fahrzeuge nicht genug Reibung aufbringen würde. Bei diesen beiden Maschinen befand sich ein Zahnrad an einer Seite, welches in die Köpfe dicker Nägel eingriff, die außen entlang der Schiene eingeschlagen waren. Heute sitzen die Zahnräder unter der Lok in der Mitte des Gleises.
Das beleuchtete A signalisiert bei der Zugspitzbahn dem Gegenverkehr den letzten von bis zu drei Folgezügen.
Der Betrieb von Bahnen mit gemischtem Adhäsions- und Zahnradantrieb unterscheidet sich nicht grundsätzlich von reinen Adhäsionsbahnen. Allerdings sind die Vorschriften zur Zugbildung zu beachten, um die Sicherheit gegen Entgleisen zu gewährleisten.
Eine Besonderheit vieler reiner Zahnradbahnen sind Folgezugbetrieb mit Fahrt auf Sicht sowie gleichzeitige Einfahrten in einen Bahnhof. Bei Zahnradbahnen mit starkem Verkehr wurde es notwendig, Einspurstrecken mittels Streckenblock zu sichern. Gleichzeitig musste der Folgezugbetrieb aufrechterhalten bleiben, weil Zahnradbahnzüge zur Gewährleistung der Sicherheit gegen Entgleisen nur eingeschränkt gekuppelt werden dürfen. Die Sicherungsanlagen solcher Bahnen sind so konzipiert, dass in einer Richtung mehrere Züge freie Fahrt erhalten können.
Grundlage für die Sicherheit der Zahnradbahnen sind eine seriöse Wartung von Anlagen und Fahrzeugen sowie die Einhaltung der ausgereiften technischen und betrieblichen Vorschriften.
Betriebsergebnisse
Gemischte Zahnradbahnen
Auf der nach Eröffnung des Furka-Basistunnels nicht mehr benötigten Bergstrecke bietet die Dampfbahn Furka-Bergstrecke (DFB) seit 1992 Fahrten mit historischen Zahnrad-Fahrzeugen an. Das Personal der Bahn rekrutiert sich fast ausschließlich aus Freiwilligen.
Anhand der gut dokumentierten Schweizer Bergbahnen wird die Entwicklung der Betriebsergebnisse aufgezeigt. Die Visp-Zermatt- und die Berner Oberland-Bahn waren ausgesprochen touristische Bahnen und schütteten bis 1913 respektable Dividenden aus, die in den besten Jahren 7 bis 8 Prozent erreichten. Auch die Brünigbahn Luzern–Interlaken, die Stansstad-Engelberg-Bahn und die Aigle-Leysin-Bahn erschlossen Touristendestinationen und waren rentabel. Die anderen gemischten Zahnradbahnen der Schweiz hatten hingegen bereits vor dem Ersten Weltkrieg zeitweise oder dauernd finanzielle Probleme. Die Bex-Villars-Bretaye- und die 1967 eingestellte Leuk-Leukerbad-Bahn waren auf die Zuschüsse ihrer bahneigenen Elektrizitätswerke angewiesen.
Ab 1914 verschlechterte sich die Finanzlage aller Bahnen rapide. Der Betrieb wurde defizitär und erholte sich auch in den 1920er Jahren nicht. Die Bilanz vieler Bahnen musste saniert werden, wobei namhafte Teile des Aktienkapitalsabgeschrieben wurde. Die 1915 in Betrieb genommene Brig-Furka-Disentis-Bahn war stets in finanzieller Schieflage und geriet 1924 in Konkurs. Ihrer Nachfolgerin, der Furka-Oberalp-Bahn, wurde auch militärische Bedeutung beigemessen. Aber finanziell sah es auch nach der Sanierung von 1925 nie gut mit ihr aus.
Heute sind in der Schweiz die gemischten Zahnradbahnen wie die anderen Bahnen des regionalen Personenverkehrs auf Abgeltungen angewiesen. Lediglich die zu den autofreien Touristenorten Zermatt und Wengen führenden Bahnen BVZ und WAB würden auch ohne Zuschüsse Gewinne erwirtschaften. In Deutschland ist die Wendelsteinbahn auf Ausgleichszahlungen angewiesen. Die dem Gemeindewerk Garmisch-Partenkirchen angegliederte Bayerische Zugspitzbahn erwirtschaftet dank der touristisch geprägten Bergstrecke kleinere Gewinne. Durch Fusionen können Synergien genutzt und Kosten gespart werden. Seit 1999 verkehren vier Westschweizer Meterspurbahnen unter dem Dach der Transports Publics du Chablais. Die 2003 entstandene Matterhorn-Gotthard-Bahn verkehrt auf einem Streckennetz von 144km; die 2005 gebildete Zentralbahn hat 98km Länge. Die seit dem Jahr 2006 bestehenden Appenzeller Bahnen betreiben Zahnradbahnen mit drei unterschiedlichen Spurweiten.
Reine Zahnradbahnen
Die Vitznau-Rigi-Bahn erzielte im 19.Jahrhundert äußerst erfolgreiche Betriebsergebnisse.Die Pilatusbahn ist nicht nur die steilste Zahnradbahn, ihr Betreiber erzielt auch die beste Rendite.
Die Baukosten der von 1871 bis 1912 erstellten reinen Zahnradbahnen wurden zwar meist zu niedrig angesetzt, aber die Frequenzzahlen übertrafen die Erwartungen. Bis zur Jahrhundertwende war die Rendite im Allgemeinen gut. Außerordentlich erfolgreich war die Vitznau-Rigi-Bahn, die von 1871 bis 1890 eine jährliche Rendite von durchschnittlich rund 13 Prozent erzielte.
Die durch weitere Neubauten entstandene Konkurrenz verminderte die Gewinne. Die Arth-Rigi-Bahn konnte nicht an den finanziellen Erfolg der Vitznau-Rigi-Bahn anknüpfen; Dividenden gab es praktisch keine. Die Generoso-, die Brienz-Rothorn- und die Brunnen-Morschach-Bahn standen finanziell bis zum Beginn des Zweiten Weltkriegs stets knapp am Abgrund. Die Rorschach-Heiden-Bergbahn überstand die Kriegs- und Krisenjahre nur dank des Güterverkehrs vergleichsweise gut. Die Pilatus-, die Gornergrat- und die Jungfraubahn waren gemessen am Fahrpreis pro Kilometer die teuersten Bahnen der Schweiz. Wegen ihrer im Vergleich zu den damaligen Einkommen exorbitanten Fahrpreise konnten die beiden erstgenannten Bahnen bis 1913 alljährlich Dividenden von 4 bis 7Prozent des Aktienkapitals ausschütten. Die Zinslasten der extrem hohen Baukosten der Jungfraubahn ermöglichten nur bescheidene Dividenden. Die zusätzlichen Investitionen vieler Bahnen für die elektrische Traktion widerspiegeln den Optimismus, der vor dem Ersten Weltkrieg in der Tourismusbranche noch vorherrschte.
Die beiden Weltkriege und die Krisen dazwischen trafen die Tourismusbahnen mit aller Härte; die Betriebsergebnisse rutschten tief in die roten Zahlen. In Österreich mussten die Kahlenbergbahn und die Gaisbergbahn bereits nach dem Ersten Weltkrieg aufgeben, in der Schweiz war der Personenverkehr der Brienz-Rothorn-Bahn eingestellt. Ein Hoffnungsschimmer war der aufkommende Wintersport, der die Passagierzahlen ansteigen ließ, aber Ausbauten für den Winterbetrieb erforderte. Nach dem Zweiten Weltkrieg mussten in Deutschland die Petersbergbahn und die Barmer Bergbahn den Betrieb einstellen, die Niederwaldbahn wurde durch eine Gondelbahn ersetzt.
Heute ist die finanzielle Lage der einzelnen Unternehmungen unterschiedlich. Die Pilatus-Bahnen erzielten 2011 bis 2016 einen durchschnittlichen Cashflow von 6,6 Prozent, die Jungfraubahn-Gruppe von 6,2 Prozent. Die Jungfraubahn profitiert von den mehrheitlich aus Asien stammenden Fahrgästen, die auch bei schlechtem Wetter auf das Jungfraujoch fahren. Die anderen Bahnen, auch in Deutschland und Österreich, erzielen einen geringen oder gar keinen Gewinn. Um die Jahrtausendwende wurde geprüft, die Arth-Rigi-Bahn und einen Teil der Wengernalpbahn durch kostengünstigere Luftseilbahnen zu ersetzen.
Unfälle
Trotz des erheblichen Risikopotenzials wegen der großen Gefälle sind Zahnradbahnen heute ein sehr sicheres Verkehrsmittel. In der Vergangenheit kam es zu einigen schweren Unfällen mit mehreren Todesopfern. 1883 entgleiste bei der Werkbahn in Salgótarján (Ungarn) ein zurückrollender Kohlenzug, weil die Zähne des Triebzahnrads der Lokomotive eines bergwärts fahrenden Zugs brachen. 1907entgleiste bei der Brohltalbahn ein talwärts fahrender Güterzug mit Personenbeförderung und stürzte einen Bahndamm hinab. 1958 forderte der auf einen Bedienungsfehler des Lokomotivpersonals zurückzuführende Eisenbahnunfall vom Drachenfels 18Todesopfer. 1964 entgleiste ein talwärts fahrender Zug der Rittner Bahn in Südtirol wegen mangelhafter Wartung von Oberbau und Fahrzeugen. 1967 entgleiste die Lokomotive eines talwärts fahrenden Zuges der Mount Washington Cog Railway und kippte zur Seite, worauf der vollbesetzte Vorstellwagen ungebremst bis zur Entgleisung weiterfuhr.
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.
Nachgefertigtes Zahnrad der „Salamanca“
Blenkinsops „Salamanca“ mit Zahnrad außerhalb der Schienen
Zahnstange System Blenkinsop
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 nicht zum Überwinden großer Neigung konstruiert, sondern führte als Industriebahnvon 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 durch Adhäsion erzielte. Dieses System setzte sich von nun an allgemein durch.
Zahnstange System Cathcart
1848 wurde eine 60‰ steile Strecke der Madison & Indianapolis Railroad in Betrieb genommen, für die der Amerikaner Andrew Cathcart eine gusseiserne Lamellenzahnstange und eine entsprechende Lokomotive entwickelte. Die Zahnstange von Cathcart war in der Gleismitte verlegt und nahm die heute übliche Lamellenzahnstange bereits vorweg. Die Anlage bewährte sich zwanzig Jahre lang, bis solche Neigungen mit gewöhnlichen Lokomotiven überwunden werden konnten. 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.
Der aus dem Elsass stammende Niklaus Riggenbach erhielt 1863 in Frankreich ein erstes Patent für seine Zahnradbahn. Die Erfindung führte er zurück auf seine Erfahrung als technischer Leiter der Hauensteinlinie mit 26‰ Neigung, wo selbst mit Sandstreueinrichtungen das Schleudern der Triebräder nicht immer verhindert werden konnte. 1869 erfuhr er, dass Marsh eine Zahnradbahn auf den Mount Washington baute. Die von Riggenbach projektierte Rigibahn wurde am 21.Mai 1871 eröffnet und ist die erste Bergbahn mit Zahnradantrieb Europas. Sie führt in der Schweiz mit einer maximalen Neigung von 250‰ von Vitznau 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. Riggenbach ging es beim Bau der Rigibahn auch darum, Vorteile der Zahnradbahn gegenüber Adhäsionsbahnen aufzuzeigen. Seine Vorschläge, Alpentransversalen wie die geplante Gotthardbahn als Zahnradbahn zu bauen, erwiesen sich jedoch als Fehlkalkulation. Die ebenfalls von Riggenbach konstruierte Werkbahn zum Steinbruch Ostermundigen wurde am 6.Oktober 1871 eröffnet. Ihr Betriebsbeginn ist jedoch umstritten.
Aufschwung der Zahnradbahnen
Die Kahlenbergbahn war die erste Zahnradbahn Österreichs.
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.
Bis zur Zeit des Ersten Weltkrieges wurden insgesamt mehr als hundert Zahnradbahnen in Betrieb genommen, die sich mehrheitlich in Europa befanden. Die weltweit steilste Zahnradbahn ist mit einer maximalen Neigung 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 einige Beispiele zeigen:
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. 1987 wurde in Australien die Perisher zur Erschließung eines Skigebiets dem Verkehr übergeben. Im Jahr 1990 wurde in Japan wegen des Baus eines Staudamms ein Abschnitt der bisher als reine Adhäsionsbahn betriebenen Ikawa-Linie verlegt und mit Zahnstange versehen.
Umstellungen auf Adhäsionsbetrieb
Schon seit den 1920er Jahren wurden viele Strecken mit Zahnstangenabschnitten mit Neigungen bis etwa 70‰ auf reinen Adhäsionsbetrieb umgestellt. Möglich wurde es durch Fortschritte im Lokomotivbau, höhere Achslasten aufgrund von stabilerem Oberbau und dem flächendeckenden Einsatz der durchgehenden, selbsttätigen und mehrlösigen Druckluftbremsen. Pionierleistungen auf diesem Gebiet erbrachte die Halberstadt-Blankenburger Eisenbahn mit ihrer Strecke Blankenburg–Tanne (seinerzeit „Harzbahn“, später Rübelandbahn genannt). Auch als Gruben- und Industriebahnen existieren keine Zahnradbahnen mehr. Sie wurden durch Förderbänder und gleislose Förderung abgelöst.
Die Zentralbahn (zb) führte 2024 im 105‰ steilen Tunnel Engelberg und auf der 120‰ steilen Brünigbahn Versuchsfahrten durch mit dem Ziel, Zahnradbremsen durch Magnetschienenbremsen zu ersetzen. Nachdem jeweils der Adhäsionstriebwagen Be 4/4 der Aare Seeland mobil den Zahnstangenabschnitt hinaufgeschoben worden war, fanden Bremsversuche aus verschiedenen Geschwindigkeiten statt. Das Konzept beruht auf einer Fahrgeschwindigkeit von 40km/h bei der Talfahrt, wobei der Triebwagen bis zum Einsetzen der Bremswirkung der Magnetschienenbremse von 49km/h erreichte. Nachteilig bei der Magnetschienenbremse ist der große Verschleiß an Magneten und Schienen, weshalb sie nur bei ungenügender Wirkung der Druckluftbremse verwendet werden soll.
Der Verzicht auf den Zahnradantrieb birgt ein großes Sparpotenzial. Die Zahnradausrüstung eines dreiteiligen Fink-Triebzuges kostete die zb im Jahr 2022 2,5 Millionen Franken. Wenn die geplante Grimselbahn gebaut wird, wird das Streckennetz der zb mit dem der Matterhorn-Gotthard-Bahn (MGB) verbunden. Die Zahnstangensysteme der beiden Bahnen sind jedoch nicht kompatibel. Die zb verwendet das System Riggenbach, bei der MGB kommt das System Abt zum Einsatz.
Werner Latscha (Hrsg.): Sieben Bergbahnpioniere. Schweizer Pioniere der Wirtschaft und Technik, Nr.81. Verein für Wirtschaftshistorische Studien, Zürich 2005, ISBN 978-3-909059-34-8.
Josef Hons: Bergbahnen der Welt. Zahnradbahnen, Schienen- und Standseilbahnen, Schwebebahnen und Skilifts. transpress-Verlag, Berlin 1990, ISBN 3-344-00475-1.
Zahnstangenbahnen. In: Lexikon der gesamten Technik und ihrer Hilfswissenschaften, herausgegeben von Otto Lueger, Band 8. Stuttgart und Leipzig 1910, S.962–965. (Zeno.org)
123Peter Schmied:34. Tagung „Moderne Schienenfahrzeuge“ in Graz (Fortsetzung). Hans Schlunegger (Jungfraubahnen): Moderne Zahnradbahnen. In: Schweizer Eisenbahn-Revue. Nr.2. Minirex, 2003, S.66.
12Walter von Andrian:Neue Bergstrecke nach Engelberg. In: Schweizer Eisenbahn-Revue. Nr.5. Minirex, 1995, S.189–194.
↑Walter von Andrian: Dieselelektrische Zahnrad-/Adhäsionslokomotiven für Indonesien. In: Schweizer Eisenbahn-Revue, Nr. 1–2. Minirex, 1994, S. 10–11.
↑Michael Burger, Jürg Schöning:Die grösste Zahnradlokomotive der Welt für die Strecke Paranapiacaba - Raiz da Serra der MRS Logística. In: Schweizer Eisenbahn-Revue. Nr.4. Minirex, 2014, S.176–181.
↑Beat Keller: Zahnradbahnen – Ein Leitfaden für die Projektierung, S.134–135
12Kilian T. Elsasser, Verkehrshaus der Schweiz (Hrsg.):Gnom. Niklaus Riggenbach – Der Bergbahnpionier und seine Zahnrad-Dampflok «Gnom». AS Verlag, Zürich 2002, ISBN 3-905111-80-2.
↑E. E. Seefehlner, H. H. Peter: Elektrische Zugförderung: Handbuch für Theorie und Anwendung der Elektrischen Zugkraft auf Eisenbahnen. Springer Verlag, 1924, S.547–548
↑Sébastien Jarne, Klaus Potocnik, Hans Schlunegger:Neue Güterzuglokomotiven 31 und 32 der Wengernalpbahn. In: Schweizer Eisenbahn-Revue. Nr.3. Minirex, 1996, S.92–103.
↑Andreas Meier, Urs Wieser, Anton Zimmermann:Dieselelektrische Zahnrad- und Adhäsionslokomotive und Schneeschleuder für die Zahnradbahn Ribes – Nuria. In: Schweizer Eisenbahn-Revue. Nr.4. Minirex, 1995, S.157–164.
↑Beat Keller: Zahnradbahnen – Ein Leitfaden für die Projektierung, S.125–126
12Beat Feusi, Reinhard Zuber, Gerhard Züger:Neue Zahnrad-Triebzüge ABeh 150, ABeh 160 und ABeh 161 für die Zentralbahn. Fortsetzung aus Heft 3/2017. In: Schweizer Eisenbahn-Revue. Nr.4. Minirex, 2017, S.192–199.
↑Alfred Moser: Der Dampfbetrieb der schweizerischen Eisenbahnen 1847–1966, S.383
↑Peter Berger, Hans Waldburger, Christoph Berger: Bahnen nach Engelberg. 100 Jahre Schienenverkehr vom Vierwaldstätter See ins Klosterdorf. Minirex, Luzern 1998, ISBN 3-907014-10-3.
↑Peter Schoch, Martin Stamm, Herbert Welte: Die neuen Panoramawagen A 102 und 103 für die Brünigbahn. In: Schweizer Eisenbahn-Revue, Nr. 10. Minirex, 1994, S. 447–485.
12345678910111213Hans Schlunegger: Zahnstangeneinfahrten – ein 150 Jahre altes Problem. In: Schweizer Eisenbahn-Revue, Nr. 12/2022. Minirex, S.654–655. Die Ablösung der nicht zuverlässigen direkten mechanischen „Einfädel“-Methode durch Anwendung moderner Steuerungstechnik ist ein Zukunftsprojekt.
↑Hans G. Wägli: Schienennetz Schweiz – Réseau ferré suisse. AS Verlag, Zürich 2010, S.72
1234Karl Tillmetz, Hermann Patrick Braess:Die Helixverwindung – ein kritischer Einflussfaktor bei der Trassierung und Auslegung von Bergbahnen (Fortsetzung aus Heft 12/2020). In: Schweizer Eisenbahn-Revue. Nr.1. Minirex, 2021, S.52–54.
12345Wolfgang König: Bahnen und Berge. Verkehrstechnik, Tourismus und Naturschutz in den Schweizer Alpen 1870–1939. Deutsches Museum. Beiträge zur Historischen Verkehrsforschung, Frankfurt/New York, 2000
↑Gernot Dietel: Das Vorbild heißt Amerika. Die Madison Incline in Indiana (USA), eine frühe Zahnradbahn. In: Eisenbahngeschichte 62, S.71–73 unter Bezug auf: Baldwin Locomotive Works (Hrsg.): The History of the Baldwin Locomotive Works 1831-1920, S.41f.
↑Jean-Luc Rickenbacher:Mit dem Zahnrad den Berg hinauf.In:Blog Schweizerisches Nationalmuseum.18.September 2025,abgerufen am 21.September 2025.
12Walter von Andrian: Zentralbahn: Markterfolg und weitere Testfahrten für Adhäsionsbetrieb. In: Schweizer Eisenbahn-Revue. Nr. 7. Minirex, 2024, S.298–299.
↑Walter von Andrian: Grimseltunnel-Projekt: Zentralbahn prüft Magnetschienenbremse. In: Schweizer Eisenbahn-Revue. Nr. 2. Minirex, 2024, S.158–159.
Anmerkungen
12Eingriffslinie und ZahnkräfteDie Zahnflanken befinden sich nicht senkrecht zur Richtung der zu übertragenden Kraft (Eingriffslinie). Der Kraftanteil in Richtung der Zahnflanken kann wegen deren Schmierung durch Kraftschluss nicht kompensiert werden. Ein Aufsteigen des Zahnrads aus der -stange wegen der Auftriebskraft (Herausdrängen aus ihr) wird durch die Gewichtskraft des Fahrzeugs vermieden. Deren Anteil in Richtung der Flanken ist umso kleiner, je größer die Steigung der Fahrbahn ist. Ab einer bestimmten Streckenneigung reicht dieser Anteil nicht mehr aus, um das Aufsteigen zu verhindern.
12Der Begriff „Aufsteigen“ wird zweifach benutzt: 1. Die Flanken der Zahnstangen sind schräg, weshalb die übertragene, parallel zur Fahrtrichtung wirkende Kraft eine Komponente in Flankenrichtung hat. Bei nicht ausreichend hoher Gegenkraft durch das Fahrzeuggewicht rutschen die Zähne des Zahnrades aus der Zahnstange heraus. Zusammen mit dem Zahnrad wird das Fahrzeug angehoben. 2. Die Köpfe der Zähne treffen aufeinander und rollen aufeinander ab.
↑Synchronität: Die Drehgeschwindigkeit der Zahnräder muss auf ihrem Teilkreis gleich der Fahrgeschwindigkeit sein.
↑Konphaser Zustand: Die relative Lage der Räder zur Zahnstange muss so sein, dass die Radzähne die Zahnstangenlücken treffen.
↑
Bei reinen Zahnradbahnen finden keine Zahnstangeneinfahrten statt.
↑Z. B. Fink und Adler der Zentralbahn oder Komet der Matterhorn-Gotthard-Bahn
_(Ausschnitt).jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.JPG)
.jpg)
_(4445203428)_(2).jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
