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Zahnradbahn

Inhalt

1. Einleitung  ↑ Anfang

Eine '''Zahnradbahn''' ist ein schienengebundenes Verkehrsmittel, bei dem die Antriebskraft zwischen Triebfahrzeug und Fahrbahn formschlüssig mittels eines Zahnstangengetriebes übertragen wird. In eine zwischen den beiden Schienen auf den Bahnschwellen befestigte Zahnstange greift ein (oder mehrere) vom Triebfahrzeug angetriebenes Zahnrad ein.

Auf diese Weise lassen sich wesentlich größere Steigungen als mit Adhäsionsantrieb befahren:
* Adhäsionsbahn bis etwa 75 ‰ Steigung,
* Zahnradbahnen bis etwa 300 ‰ Steigung.

Bei Bahnen im Gebirge stehen für die Bewältigung der bedeutenden Höhendifferenzen oftmals nur kurze Distanzen zur Verfügung. Es müssen größere Steigungen bewältigt werden als der [[Adhäsionsbahn|Adhäsionsantrieb]] (Durchdrehen der angetriebenen Räder auf den Schienen bei größerer Steigung) zulässt. Beispielsweise überwindet die Schafbergbahn (St. Wolfgang/Salzburg, siehe nebenstehende Abbildung) Steigungen von etwa 250 ‰, die Pilatusbahn (Schweiz) ausnahmsweise bis 480 ‰ (zwei liegende Zahnräder verhindern gegenseitig das Herausdrängen der Räder aus der Zahnstange), eine allein fahrende Anspannlokomotive ("Treidellok") am Panamakanal bis zu 500 ‰.

Es gibt auch Zahnradbahnen auf steilen Hanglagen in Städten.

Längere Bahnstrecken sind oft nicht durchgängig steil, sodass sie in ihren flacheren Teilen konventionell über die Laufräder der Triebfahrzeuge angetrieben werden können. Auf den flacheren Teilstrecken kann die Zahnstange eingespart und mit größerer Geschwindigkeit gefahren werden.

2. Technik  ↑ Anfang

Zahnstangengetriebe einer Zahnradbahn
1) Teilkreis des Rades
2) Teilgerade der Stange (vergrößerter "Achsabstand"
    bei neuen Radkränzen der Laufräder:
    in Nennstellung tangiert die Gerade den Kreis).
3) wirksamer Kopfkreis des Zahnrades
4) wirksame Kopflinie der Zahnstange
    (wegen der Rundungen an den Zahnköpfen ist der
    Platzbedarf etwas größer)

Die Verzahnungsart im Zahnstangengetriebe ist eine Evolventenverzahnung (einzige Ausnahme: Zykloidenverzahnung bei der Mount Washington Cog Railway, New Hamshire, US). Sie hat etwas steileren Zahnflanken als im Maschinenbau üblich: Neigung nur etwa 15° anstatt 20°.

Die verschiedenen technischen Lösungen (Zahnstangensysteme) unterscheiden sich lediglich in der Geometrie der die Zähne tragenden Stangen (Zahnstangen). Die Zahnräder lassen sich kaum unterscheiden.

2.1 Zahnstangensysteme   ↑ Anfang

Zahnstangensysteme (von links):
Riggenbach
Strub
Abt (mit drei Lamellen)
Locher

Die vier weltweit bekanntesten Zahnstangensysteme tragen den Namen ihres jeweiligen Erfinders, die alle Schweizer waren (Reihenfolge chronologisch nach erstmaliger Anwendung):

System Riggenbach: Zähne als Sprossen zwischen zwei U-Profilstangen ("Leiterzahnstange" ),
System Abt:               verzahnte Flachprofile ("Lamellen")
System Locher:         Stange mit angenäherndem Flachprofil mit gegenüber liegender Verzahnung
                                  (Zähne horizontal, sonst vertikal)
System Srub:             verzahntes schienenähnliches Profil ("Zahnschiene")

Sie haben sich alle von Anfang an bewährt, wurden lediglich von anderen Konstrukteuren oft variiert. 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).

2.1.1 Leiterzahnstangen   ↑ Anfang

Die Zahnstange von Riggenbach wurde 1863 in Frankreich patentiert und erstmals in der 1871 eröffneten Vitznau-Rigi-Bahn angewendet.

Die Entscheidung für diese Verzahnung und den gewählten Flankenwinkel erwies sich als optimal, so dass beides in den später entstandenen Zahnstangensystemen übernommen wurde.

Wegen ihrer Robustheit und einfachen Herstellung erreichte die Riggenbach-Zahnstange die zweithäufigste Anwendung aller Systeme.

Da sich die Zahnstange nachträglich nicht biegen lässt (hohe Biegesteifigkeit der parallel montierten zwei Profilstangen), müssen die Zahnstangenabschnitte genau für den jeweils benötigten Kurve-("Bogen"-)Radius hergestellt werden. Eine Zahnstangenstrecke wird deshalb so geplant, dass sie mit möglichst wenigen Grundelementen erstellt werden kann. Auf denZahnstangenabschnitten der Brünigbahn gibt es deswegen z.B. nur Kurven mit einem Radius von 120 Metern.

Vor der Aufspaltung in zwei Zahnstangenstränge in einer Weiche entfernen sich die beiden U-Profile zu etwa doppelten Abstand (werden die Zahn-"Sprossen" sukzessive länger), bevor der Übergang auf zwei Stangen üblicher Breite geschieht

Daneben gibt es verschiedene abgeänderte Arten:

* System Riggenbach-Pauli - Arnold Pauli

System Riggenbach-Pauli
Die von der Maschinenfabrik Bern (später Von Roll) verbesserte Zahnstange ermöglicht kleinere Kurvenradien. Die Zähne ("Sprossen") sind höher montiert (das Zahnrad taucht weniger tief in die beiden Profilstangen ein).

Die Riggenbach-Pauli-Zahnstange wurde erstmals 1893 bei der Wengernalpbahn und bei der Schynige Platte-Bahn angewendet.

* System Riggenbach-Klose - Adolf Klose

System Riggenbach-Klose
Damit sich die an ihren Enden rund gedrehten "Sprossen" mit Zahnprofil nicht in den "Leitern" verdrehen können, sind sie mit ihrer ebenen Unterseite auf einer horizontal zwischen den beiden "Leitern" eingefügten Rippe aufgelegt.

Dieses etwas aufwendigere Zahnstange wurde weniger oft verwendet:
als System Riggenbach-Klose z.B. für die Straßenbahn St.Gallen-Gais-Appenzell;
als System Bissinger-Klose z.B. bei der Höllentalbahn (Schwarzwald).

* System Riggenbach: Sonderkonstruktion für Bahnübergänge

Riggenbach-Sonderkonstruktion für Bahnübergänge
Bei der Sanierung eines Teilstücks mit Strub-Zahnstange (s. u.) verwendete die St. Gallen-Gais-Appenzell-Altstätten-Bahn im Jahr 1981 für zwei Bahnübergänge eine Sonderkonstruktion einer Riggenbach-Zahnstange ohne Wangenüberhöhung

Diese Konstruktion hat eine glatte Oberseite wie ein Abdeckrost über einer Entwässerungsrinne (im Bild rechts), der die Reifen der darüberfahrenden Autos schont.

* System Riggenbach am Panamakanal

Für die 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

Morgan entwickelte ein mit der Riggenbach-Zahnstange 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 Marsh - Sylvester Marsh

System Marsh
runde "Sprossen " zwischen L-förmigen "Leiterstangen"

Es handelt sich um das älteste benutzte Zahstangensystem. Es ist in der ältesten Zahnradbahn, der 1869 eröffneten und noch heute betriebenen Mount Washington Cog Railway eingesetzt.

Zahnstangensystem Marsh

Die Zahnstange hat wischen zwei Stangen mit L-Profil (U-Profil bei Riggenbach) montierte "Zähne" mit Rundprofil (Zykloidenverzahnung an den Zahnrädern).

Dieses System wurde auch in der 1871 eröffneten Steinbruchbahn in Ostermundigen bei Bern verwendet. Dort wurde es so hoch verlegt, dass Zahnräder nicht unter die Schienen eintauchten und die Triebfahrzeuge Standardweichen im benachbarten Bahnhof Ostermundigen befahren konnten.

2.1.2 Lamellenahnstangen   ↑ Anfang

* System Abt - ''Carl Roman Abt

System Abt (wahlweise 2 bzw. 3 "Lamellen")

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 Kurvenradien genügend biegbar. Durch die Vervielfältigung der Stangen blieb die Kontaktfläche zwischen Zahnrad und Zahnstangen austreichend groß. Die Lamellen haben mehrheitlich gegenseitigen Abstand von 32-40 mm.

System Abt mit Zweilamellenzahnstange

Als Einziger verwendete Abt eine Zahnteilung von 120 mm (100 mm in den anderen Systemen mit vertikalen Zähnen).

Die Abt'sche Lösung sollte zudem die bei denen Rigibahn entstandenen Probleme mit Teilungsfehlern an den Zahnstangenstößen vermeiden, aber auch preisgünstiger als die Riggenbach-Zahnstange sein.

Diese Bauart erreichte weltweit die größte Verbreitung.


System Abt mit Dreilamellenzahnstange

Die Anwendung der dreilamelligen Zahnstange blieb in Europa auf die seinerzeitige Rübeland-Harzbahn beschränkt. In Übersee kommt das dreilamellige Abt-System u.a. auf der Strecke Santos-Jundiaí (Brasilien) und der Ikawa-Linie (Japan), sowie früher bei der Bolanbahn (Pakistan), der Transandenbahn (Chile-Argentinien) und der Bahn über den Usui-Pass (Japan) zum Einsatz.

Die Lamellen sind um die Hälfte beziehungsweise einem Drittel der Zahnteilung gegeneinander verschoben. das betrifft auch die Stöße, die somit nicht gleichzeitig passiert werden. Durch die Aufteilung auf mehrere und gegenseitig versetzte Lamellen ist die Kraftübertragung ruhiger und betriebssicherer.

Die Zahnstangeneinfahrten (s. unten) mit gefederter Stangenspitze und niedrigeren Zähnen waren von Anfang an Teil des Systems.

Innerhalb der Weichen und in flachen Abschnitten wird zum Teil nur eine Lamelle eingebaut.

Das System war vorwiegend für übergehenden Betrieb auf Strecken ohne Zahnstangen (Teile der Zahnradbahnstrecken oder allgemeine Strecken mit Adhäsionsantrieb) vorgesehen (kein Tauchen der Zahnräder bis zwischen die Schienen). Die erste Anwendung war die zwischen 1880 und 1886 gebaute Harzbahn von Blankenburg nach Tanne.

* System Von Roll - Firma Von Roll

Übergang von einer Riggenbach-Zahnstange (links) zu einer Von-Roll-Zahnstange (rechts)
Teilweiser Ersatz alter Riggenbach-Zahnstangen durch solche des Systems Von Roll bei der Schynige Platte-Bahn





Übergang von einer Von-Roll-Zahnstange (links) zu einer Strub-Zahnstange (rechts)
Teilweiser Ersatz alter Strub-Zahnstangen durch solche des Systems Von Roll bei der Strecke St. Gallen-Gais-Appenzell






Die von der Firma Von Roll (heute Tensol) entwickelte Zahnstange ist nur dem Namen nach eine Lamellenzahnstange, nämlich eine einlamellige. Sie hat dieselbe Zahnteilung wie die Riggenbach'sche und die Strub'sche Zahnstange. Von letzterer unterscheidet sie sich in der Grundform: einfaches Breitflach-Profil anstatt einer Keilkopfschiene ähnliches Profil.

Diese Zahnstange kommt in erster Linie bei Neubauten sowie als preisgünstiger Ersatz alter Zahnstangen nach den Systemen Riggenbach oder Strub zur Anwendung. Sie ist zwar dicker (30-80 mm, je nach Zahndruck) als eine der Lamellen nach Abt, doch ihre Biegsamkeit ist ausreichend, um flexibler als die Originale nach Riggenbach oder Strub anwendbar zu sein. Sie kann auch durchgehend verschweißt werden. Zur Befestigung auf den Schwellen dienen besondere Profilstahl-Sättel.

2.1.3 Zahnstangen für waagrechten Eingriff zweier Zahnräder   ↑ Anfang

* System Locher - Eduard Locher

System Locher

Die Locher-Zahnstange ist ein horizontalliegendes, beidseitig verzahntes Flachprofil. Zwei gegenüber liegende Zahnräder greifen von den Seiten aus in die fischgrätenartige Zahnstange ein. Die Zahnteilung beträgt 85,7 mm. Das Herausdrücken der Zahnräder aus der Zahnstange ("Aufklettern") wird durch die entgegengesetzte Anordnung der beiden Zahnpaarungen verhindert.


Zahnstange und Zahnräder des Systems Locher
Je ein Spurkranz an den Zahnrädern dient zur horizontalen Führung der Fahrzeuge (Spurkranz 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 ‰ Steigung, 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 (s. unten) erfolgen mit Schiebebühnen oder "Gleiswendern", da Zungenweichen zu aufwändig wären. Für Mischbetriebsstrecken (sowohl Zahnstangen-, als auch Adhäsionsantrieb) war das System nicht vorgesehen.

* System Peter - H. H. Peter

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. Sie war für die Karlsbad-Dreikreuzberg-Bahn mit 500 ‰ Steigung vorgesehen, deren Bau wegen des Ausbruchs desErsten Weltkrieges eingestellt und danach nicht wieder aufgenommen wurde.

2.1.4 Zahnschienen   ↑ Anfang

* System Strub - Emil Strub

System Strub

Die Strub'sche Breitfußschiene ist das jüngste der drei Systeme mit nach oben zeigenden Zähnen (Riggenbach, Strub und Abt). Sie wurde zuerst bei der Jungfraubahn im Berner Oberland angewendet. Ihre Verbreitung blieb gering, obwohl es fast in allen seitdem gebauten Zahnradstrecken zur Anwendung kam. Nach der Jungfraubahn wurden nämlich kaum weitere Zahnradstrecken gebaut

Zahnstange und Zahnrad des Strub-Systems

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 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 in beiden Zahnstangen identisch ist.


Strub-Zahnstange
mit deutlich erkennbarem Schienenprofil

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.

2.1.5 Andere Bauarten   ↑ Anfang

* System Wetli - Kaspar Wetli

Das System Wetli mit Walzenrad sollte bei der Wädenswil-Einsiedeln-Bahn Verwendung finden, kam auf Grund eines Unfalles bei einer Probefahrt am 30. November 1876 aber nicht zur kommerziellen Anwendung.

* System Fell - John Barraclough Fell

Das System Fell ist keine eigentliche Zahnradbahn, sondern ein Mittelschienen-Reibradantrieb auf eine in der Gleismitte liegende dritte Schiene.

2.2 Lage der Zahnstangen im Gleis  ↑ Anfang

Die Zahnstange wird immer in der Gleismitte angeordnet und mittels Winkelstücken u.ä und üblichen Schienenbefestigungmitteln auf den Schwellen befestigt. Sie liegt entweder tiefer als die Gleise, oder ihre Zähne überragen die Gleis- bzw. Schienenoberkante (SOK).

Tiefliegende Zahnstangen sind günstig für Bahnübergänge, da keine Höhendifferenzen im Straßenplanum auftreten, und die entstehenden Spalten nicht breiter als bei Schienenrillen sind. Der Weichenbau ist aufwändig, weil tiefliegende Zahnstangen für den Durchgang der unter Schienenoberkante ragenden Zahnräder wegschwenkbare Zwischenschienen erfordern. Wegen der tiefliegenden Zahnräder können die Triebfahrzeuge auf benachbarten Strecken mit Standardweichen nicht fahren.

Hochliegende Zahnstangen stören die Überfahrt der Straßenfahrzeuge (Bodenwelle). Eine aufwändige Lösung ist das zeitweise Versenken der Zahnstange im Überwegbereich.

        niveaugleiche Zahnstange             Buckel über Zahnstange             Warntafel             versenkbare Zahnstange

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) eine besonders hohe, in Gleismitte angebrachte Bremsschiene des Systems Fell hat. Damit die Triebwagen aus der Schweiz auch im französischen Streckenteil fahren können, liegt der Teilkreis ihrer Zahnstange 123 mm über Schienenoberkante (SOK).

Ein Vorteil der hochliegende Zahnstangen ist der weniger aufwändige Weichenbau: Die Innenschienen bleiben permanent durchgehend, weil sich die Zahnstangen darüber einschwenken lassen.

Zahnstangenstöße können auf neuzeitlichem, festerem Oberbau wie die Fahrschienen lückenlos verschweißt werden.

Die einzelnen Lamellen von Abt-Zahnstangen haben in Kurven 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 Kurven eine der beiden Zahnstangenlamellen mit veränderter Teilung ausgeführt.

2.3 Eingriff der Zahnräder in die Zahnstange   ↑ Anfang

Montagetoleranz
für die Höhenlage der Zahnstange sowie höchste und tiefste Lage des Teilkreises der eingreifenden Zahnräder (Über-Gleis-Montage)

Die Toleranz für die Höhenlage der Zahnstange beträgt +2 mm, die für den Höhenunterschied an den Zahnstangenstößen ±1 mm ("Überzahn").

Die höchste Lage der Trieb- und Bremszahnräder ergibt sich bei neuen Laufrädern. Bei ihrer tiefsten Lage (größte Laufradabnützung) dürfen kein Verklemmen in der Zahnstange und keine Berührung zwischen Zahnkopf und Zahngrund auftreten.

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 größeren Laufleistungen (längere Strecken) stärker. 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.

Zahnrad-Höhenverstellung:

Trieb-/Bremszahnrad (schwarz),
|Wälzlager-Rollen (blau),
exzentr. Hohlwelle (grün),
Exzenterscheiben (rot),
Radsatzwelle (dunkelrot)]]

Bei den neuen, mit getrennten Antrieben ausgestatteten Triebfahrzeugen der Schweizerischen Zentralbahn ist die Einschränkung der geringen Radreifenabnutzung hinfällig geworden. Es kommt ein neu entwickelter Zahnradantrieb mit exzentrischer Höhenverstellung zum Einsatz. 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 anpassen.

2.4 Zahnstangeneinfahrt   ↑ Anfang

Zahnstangeneinfahrt System Abt
auf Riggenbach-Zahnstange fix (ungefedert) montiert

Bei der Einfahrt in die Zahnstange müssen die Trieb- und Bremszahnräder mit der Zahnstange synchronisiert und konphas gemacht werden. Die Drehzahl der Zahnräder muss der Fahrgeschwindigkeit angepasst werden (Synchronisation: Umfangsgeschwindigkeit der Zahnradteilkreise gleich Fahrgeschwindigkeit), und die Radzähne müssen Zahnlücken in der Stange treffen (mit ihnen konphas sein). Das Anpassen der Drehzahl erübrigt sich, wenn der Zahnradantrieb mit dem Laufradantrieb gekuppelt ist. In diesen Fällen müssen beim Konphasmachen der beiden Zahnreihen die Laufräder geringfügig auf den Schienen durchrutschen.

Runde Zahnköpfe erleichtern das Einfahren in die Zahnstange (begünstigen auch das Verhalten bei Teilungsfehlern, wie die Erfahrungen der Vitznau-Rigi-Bahn schon sehr früh zeigten.

Die Einfahrt von einer Adhäsionsstrecke auf die Zahnstange erfolgt bei reduzierter Geschwindigkeit (i. d. R.  10 km/h). Bei der Ausfahrt aus dem Zahnstangen- in einen Adhäsionsabschnitt muss die Geschwindigkeit nicht reduziert werden.

Es gibt im Wesentlichen zwei Einfahrt-Systeme, die bei allen Zahnstangensystemen gleichermaßen anwendbar sind. Das zweite (neuere) System ist eine Verbesserung des ersten (älteren) Systems.

2.4.1 Einfahrt-System Abt   ↑ Anfang

Bis vor wenigen Jahren wurden die Zahnstangeneinfahrten noch nach den alten Plänen Roman Abts ausgeführt. Sie bestehen aus einem vor der festen Zahnstange eingebauten, an seiner Spitze (früher an beiden Enden) gefedert gelagerten Zahnstangenstück. Die Höhe der Zähne nimmt von anfänglich fast Null kontinuierlich bis am Ende auf Norm-Höhe zu. Ebenso nimmt die Breite der Zähne (anfänglich Untermaß) zu. Dadurch ist die Zahnlücke kleiner und wird besser getroffen. Wird keine Zahnlücke getroffen, so wir die Stange herunter gedrückt, und das Zahnrad läuft Kopf auf Kopf auf den Stangenzähnen. Der Rollradius des Rades ist vergrößert, weshalb schon nach wenigen Zähnen Kopf auf Lücke erreicht ist und die Stange wieder in Normallage hoch"schnappt".

Diese Zähnegeometrie dient vor allem dem Konphasmachen. Sollte ein auf einen verkürzten und angespitzten Stangenzahn treffender Radzahn nicht in eine Lücke wegrutschen und es zunächst zu einem Aufsteigen kommen, verhindern i.d.R. beidseitige, relativ hohe und lange Radlenker (s. unteres Bild) zunächst das Entgleisen. Bis zum Ende der Radlenker muss die Verzahnung allerdings wieder eingegriffen haben.

Zahnstangeneinfahrt auf Abt-Zahnstange, durchgehend gefedert                      Detail, platt gestoßene linke Zahnflanken

Zahnstangeneinfahrt auf Von-Roll-Zahnstange, am freien Ende gefedert, neu                           wie links, aber abgenutzt

2.4.2 Einfahrt-System Marfurt   ↑ Anfang

Zahnstangeneinfahrt System Marfurt

3) Beschleunigungselement
4) Synchronisierlamelle
5) gefederte Einfahrlamelle
6) Zahnstangenfederung
7) Radlenker


Eine verbesserte Zahnstangeneinfahrt stammt von Marfurt (als System Marfurt oder System Brünig bezeichnet)

In vollständiger Ausführung ist sie aus drei Teilen zusammen gesetzt:

Beschleunigungsbalken: ein mit Gummi belegter Balken, auf dem die stillstehenden Bremszahnräder der nicht
     angetriebenen Wagen durch Reib-Kontakt in Drehung versetzt werden,
Synchronisierlamelle: eine Leiterstange mit drehbaren elastischen Rollen mit Polyurethan-Mantel(PUR-Mantel)
     als "Sprossen", die die Bremszahnräder synchronisieren,
Einfahrlamelle: eine sich bei Auffahrt der Zahnräder sowohl etwas vertikal als auch in Fahrtgegenrichtung hin- und
     herbewegende Zahnstange.

Die wesentliche Neuerung ist die Einfahrlamelle (die beiden anderen Teile wurden und werden auch in Kombination mit dem System Abt gebraucht). Beim Niederdrücken durch einen Radzahn wird die Stange gegen die Kraft einer Feder ruckartig ein kleines Stück dem Zahnrad entgegen geschoben. Dadurch rutscht der Zahn auf Zahn stehende Radzahn in eine Zahnlücke der Stange. Die Lamelle steht auf zwei schrägen Hebeln. In der Grundstellung ist sie zu den Schienen parallel und mit der Feder an die folgende feste Zahnstange angedrückt. Das auffahrende Zahnrad drückt das vordere Ende nach unten und in Fahrtgegenrichtung, wobei das hintere Ende etwas angehoben wird. Dieses Anheben ist eine Sicherung dagegen, dass die Federkraft nicht genüge, die Lamelle beim Weiterrollen des Zahnrades wegen zu hoher Antriebskraft in Grundstellung zu bringen (Lücke am Stoß wäre nicht geschlossen). Die Lamelle würde an ihrem hinteren Ende vom Zahnrad selbst nach unten und gegen die feste Zahstange gedrückt. Das Hin- und Herwippen der Einfahrlamelle wird hydraulich gedämpft (Vermeiden von Schwingungen).

Das System Marfurt erlaubt eine sanftere Einfahrt mit höherer Geschwindigkeit (bis 30 km/) die Verschleißteile sind definiert und leicht zu wechseln.

Zahnstangeneinfahrt System Marfurt bei den Appen­zeller Bahnen

Beschleunigungbalken, Sysnchronisierlamelle, Einfahrlamelle, Strub-Zahnstange
von vorn nach hinten
                Synchronisierlamelle mit PUR-Rollenoben (oben); Einfahrlamelle mit zwei hydraulischen Dämpfern (unten);
                Einfahrt von rechts
                                Einfahr­lamelle aus der Sicht des Trieb­fahrzeug­führers
                                Lamelle auf zwei Hebeln gelagert, zwei Bewegungsdämpfer

2.4.3 Künftige Lösungen   ↑ Anfang

Die Zahnstangeneinfahrt kann prinzpiell nicht unter ausschließlicher Verwendung mechanischer Mittel optimal funktionieren. Man wird künftig Sensoren, elektronische und elektrische Bauteile, die Stand der Technik sind, wenigstens bei elektrischen Triebfahrzeugen hinzufügen. Hauptaufgabe ist das konphas machen der Zähne. Mit Sensoren verschiedener Art kann die Phasenlage berührungslos festgestellt und mittels elektronischer Steuerung (Eingriff auf den Elektromotor) angepasst werden.

2.5 Weichen und andere Gleisverbindungen   ↑ Anfang

Zur Zeit der ersten Zahnradbahnen war die Weiche (vorwiegend die Zungenweiche) 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 Vitznau-Rigi-Bahn, der ersten Zahnradbahn in Europa.

2.5.1 Schiebebühnen, Drehscheiben und ein "Gleiswender"   ↑ Anfang

Schiebebühnen und Drehscheiben gibt es noch heute in Bahnhof- und Depot­bereichen der Zahnradbahnen. Neben einer Schiebebühne gibt es bei der einmaligen Pilatusbahn auch einen einmaligen "Gleiswender".

Schiebebühnen, "Gleiswender" und Drehscheibe

Schiebebühne bei der Mount Washington Cog Railway
anstatt einer Weiche; Durchfahrt rechts
                        Schiebebühne bei der Pilatusbahn
                        in einer Kreuzungsstation; System Locher ermöglicht keine Weichen; Durchfahrt rechts
                                            "Gleiswender" der Pilatusbahn
                                              unterhalb der Bergstation; Foto während des Wendens
                                                                  Drehscheibe bei der Vitznau-Rigi-Bahn
                                                                  in der Talstation

2.5.2 Weichen  ↑ Anfang

Der jeweils benutzte Zahnstangenstrang kreuzt die jeweils nicht benutzte Innenschiene. An den Schienen einer üblichen Zungenweiche muss nichts verändert werden, wenn die Zahnstange höher als die Schienen liegt. Sie wird dann über die betroffene Innenschiene der Weiche geführt, muss aber z.B. weggeschwenkt sein, damit die Schiene bei der anderen Weichenstellung befahrbar ist (und umgekehrt). Beide Zahnstangenstränge werden gemeinsam geschwenkt (die eine
ein-, die andere aus- und umgekehrt). Solche Weichen gibt es bei der Rorschach-Heiden-Bahn, die ebenfalls eine der ältesten europäischen Zahnradbahnen ist und Riggenbach-Zahnstangen hat (s. obenstehende Abbildung). Vorteil außer, dass die Schienen nicht betroffen sind, ist, dass die Triebfahrzeuge mit ihrem entsprechend hochliegendem Zahnrad auch Standardweichen (z.B. in benachbarten Strecken ohne Zahnstangen) befahren können. Nachteil ist, dass Straßenübergänge wegen der hoch liegenden Zahnstange einen Buckel aufweisen.

Für Straßenübergänge ist es günstiger, wenn die Zahnstange niveaugleich mit den Schienen ist (jeweilige Oberkante). Die entsprechenden Weichen sind aufwändiger, denn zum Kreuzen der Innenschienen durch die Zahnstangenstränge muss jeweils ein Teil der Innenschiene weggeschwenkt werden. Es werden immer beide Innenschienen und beide Zahnstangenstränge gemeinsam geschwenkt (jedes der 4 Teile hat seinen eigenen Drehpunkt). Solche Weichen gibt es bei den Rigi-Bahnen (siehe obenstehende Abbildung), die etwa gleich früh wie die Rorschach-Heiden-Bahn gebaut wurden.

In der Schweiz überwiegen heute hoch liegende Zahnstangen (meistens vom Typ "Lamellenzahnstange"). Mehrlammellige Stangen werden oft in den Weichen auf eine Lamelle reduziert, weil sich diese nach dem Wiedereinschwenken übergangssicherer positionieren lassen. Die Trennstelle bzw. der Übergang liegt auf der Innenschiene, d.h. dass je zwei Zahnstangenteile pro Strang wegschwenkbar sind. Im nebenstehenden Bild (Gornergratbahn) sind die Zahnstangen auch innerhalb der Weiche 2-lamellig. Die Verzweigung erfolgt allerdings schon nahe der Zungenschienenspitzen (zwei weitere wegschwenkbare Zahnstangenteile). Im obenstehend äußerem Bild (Schynige Platte-Bahn) ist die Zahnstange einlamellig. Auf Wegschwenken zur Trennung auf zwei Stränge (oben, nicht sichtbar) konnte verzichtet werden. Über den Innenschienen werden die Stränge nicht fluchtend sondern durch seitliches Aneinanderlegen geschlossen. Zu diesem Zeck sind die freien Enden der wegschwenkbaren Zahnstangenteile etwas zur Seite geknickt (auch so im Bild links daneben). Die Weiche der Schynige Platte-Bahn enthält noch eine Besonderheit: Sie ist "auffahrbar". Ein Spurkranz der ersten Wagenachse stellt bei "spitzem" Befahren der nicht auf sein Gleis eingestellten Weiche nicht nur die Schienenzungen, sondern vorher auch die Zahnstangen um (macht bzw. "fährt" sie "auf"). Letztere werden mit dem rautenförmigen Hebel in der Mitte umgestellt. Im Bild ist die Weiche zum Anfahren von links unten eingestellt. Bei Anfahrt von rechts unten drückt das linke Laufrad diesen Hebel nach rechts in die andere Endlage und schließt über ein Gestänge den Zahstangenstrang über der rechten Innenschiene (und umgkehrt).

Seit 1999 setzen die Rigi-Bahnen und seit 2004 die Dolderbahn ( Stadt Zürich) neu entwickelte "Biegeweichen" ein, in welchen das Gleis samt Von-Roll-Zahnstange von der einen Endlage in die andere entlang einer definierten Kurve elastisch verbogen und gegen seitliches Wegdrücken ''verriegelt'' wird.

"Biegeweiche": Maßnahmen zur Vermeidung von temperaturbedingten Längenänderungen,
  Prinzipskizze (hier auf Seite 15 oder in [1] auf Seite 185)

Durch besondere Maßnahmen wirken sich die temperaturbedingten Längenänderungen der Weiche nicht an den Stoßstellen zu den Anschlussgleisen aus:
Das Zahnstangenspiel bleibt dort nahezu konstant. Erreicht wird das durch eine besondere Kopplung zwischen dem sogenannten "Schwenkrahmen", der das biegsame Gleis und die biegsame Zahnstange trägt, und dem darunterliegenden sogenannten "Oberrahmen", auf dem der Schwenkrahmen hin- und hergeschwenkt wird. Der Oberrahmen ist am Anfang der Anschlussgleise unverschieblich im Schotter verankert (Stelle a). Am anderen Ende beim Beginn des offenen Gleises (Stelle b) ist er unverschieblich mit dem Schwenkrahmen gekoppelt. Letzterer ist fix an das offene Gleis angeschlossen. Die temperaturbedingte Längenänderung des bei a fixierten Oberrahmens führt zu einer Verschiebung bei b, die sich infolge der dortigen fixen Verbindung mit dem offenen Gleis in diesem fortsetzt. Der Schwenkrahmen wird in gleichem Ausmaß an seinem b-Ende verschoben. Weil seine Längenänderung gleich groß wie die des Oberrahmens ist, erfährt er bei a keine Verschiebung. Die Längenänderung der Weiche bleibt folgenlos und unbehindert. Das offene Gleis erfährt auch keine Zwängung. Die Schienen können dort in schrägen Stoßstellen gleiten, und die Zahnstange besteht am Anfang aus mehreren kurzen Einzelstücken (sogenannte Kompensationsstrecke). Die Längenänderung der Zahnstange in der Weiche wird in der Kompensationsstrecke auf mehrere Stoßfugen verteilt, in der sie einzeln das verträgliche Maß nicht überschreiten.

Die einfache Konstruktion der Biegeweiche hat - im Gegensatz zur konstruktiv von der Zungenweiche abgeleiteten üblichen Zahnstangenweiche - weniger bewegliche Teile mit entsprechend weniger Verschleiß und benötigt keine Weichenheizung (der an den Seiten liegende Schnee wird beim Verstellen von ihr wie von einem Scheibenwischer weggeschoben).

2.6 Antrieb des Zahnrads   ↑ Anfang

Zum Antrieb dienten zuerst nur Dammpfmaschinen. Elektromotoren kamen aber bald, d.h. schon am Ende des 19. Jahrhunderts auch in Anwendung. Dieselmotoren kamen vereinzelt später hinzu. Zwischen Antiebsmaschine/Motor und Zahnrad befindet sich ein ins Langsame übersetzendes Getriebe. Da Elektromotoren schneller drehen, ist deren Übersetzungsverhältnis größer als in Triebfahrzeugen mit Dampfmaschine.

mit Dampfmaschine
auf ausschließlich das Zahnrad T;
Bremszahnrad anm hinteren (linken) Laufradsatz


Bei Triebfahrzeugen, die zeitweise Adhäsionsantrieb über die Laufräder haben, gibt es verschiedene Lösungen:
1. starre Verbindung zwischen Laufrädern und Zahnrad (Nachteil: ungleiche Geschwindigkeiten bei
    abgenutzten Radkränzen; Ausweg: aufwändiges Differentialgetriebe),
2. lösbare Kupplung (i.d.R. dauernd drehendes Zahnrad)
3. zwei voneinander unabhängige Antriebsmaschinen/Motoren (moderne Lösung mit zwei elektronisch gesteuerten
    Elektromotoren)

mit Dampfmaschine
sowohl auf auf Zahnrad T; als auch auf die Laufräder R
(über Koppelstangen vom Zahnrad aus)
Bremse (Bremstrommel b) am Zwischenzahnrad v

mit Dampfmaschine
getrennter Antrieb mit zwei Dampfzylindern
Hochdruckzylinder C₁ treibt die Laufräder 1 bis 3 an,
Niederdruckzylinder C₂ (bei Adhäsiomsbetrieb nicht
mit Dampf beaufschlagt) treibt das Zahnrad T an
Bremszahnrad B am Laufrad 3

mit Elektromotor
permamenter Antrieb auf Zahnrad 7
bei Ausrüstung mit schaltbarer Kupplung 8 zeitweiser Antrieb des gleichachsigen Laufradsatzes



↓ ↓ Bremszahnrad an einem Personenwagen

2.7 Bremsen   ↑ Anfang

Bei starkem Gefälle ist die Übertragung ausreichender Bremskraft mittels Adhäsion ebenso ohne Zahnstange nicht möglich wie der Antrieb. I.d.R. wird das antreibende Zahnrad ebenfalls zum Bremsen benutzt. Gelegentlich ist das Triebfahrzeug mit einem (oder mehreren) zusätzlichen Bremszahnrädern ausgerüstet. Damit bei starkem Bremsen das antreibende Zahnrad nicht überlastet wird, haben die Personenwagen wenigstens teilweise ein eigenes Bremszahnrad. Die Anhängevorrichtungen mit und zwischen den Personenwagen können weder beim Fahren noch beim Bremsen überlastet werden, denn i.d.R. befindet sich das Triebfahrzeug am talseitigen Ende des Zuges, und es gibt nur Druckkräfte zwischen den Puffern.

3. Geschichte   ↑ Anfang

3.1 Vorgeschichte  ↑ Anfang

3.2 Bergbahnen auf den Mount Washington und die Rigi   ↑ Anfang

Die erste Bergbahn der Welt mit Zahnradantrieb wurde von Sylvester Marsh errichtet. Sie führt auf den Mount Washington (New Hampshire / USA) und wurde 1869 eröffnet und ist heute noch in Betrieb (Länge 4,8 km, Höhenunterschied 1097 Meter, Maximalsteigung 374 ‰, Spurweite 1422 Millimeter).

Schon 1863 war dem Elsässer Niklaus Riggenbach in Frankreich ein Patent für eine Zahnradbahn erteilt worden. Er hatte sich als technischer Leiter der Adhäsionsbahn am Hauenstein (Schweizer Jura), deren 26 ‰ Steigung selbst mit Sandstreuen nicht immer bewältigt werden konnten, mit dem Zahnradantrieb beschäftigt. Als er 1869 von der Zahnradbahn auf den Mount Washington erfuhr, begann er, seine Erfindung anzuwenden.

Die von ihm enworfene Vitznau-Rigi-Bahn (zwischen Vitznau am Vierwaldstättersee und dem Berg Rigi in der Schweiz) wurde 1871 teilweise eröffnet und zur ersten Bergbahn mit Zahnradantrieb in Europa (Länge 7 km, Höhenunterschied 1310 Meter, Maximalsteigung 250 ‰, Spurweite 1422 Millimeter). Parallel zu dieser Bahn wurde die Bahn zum Steinbruch in Ostermundigen/Bern errichtet.

Riggenbach empfahl nach dem Erfolg seiner Rigibahn, auch Alpentransversalen wie die geplante Gotthardbahn] als Zahnradbahn zu bauen, was aber nicht aufgenommen wurde.

alte Dampfloks:       Mount-Washington-Bahn               Vitznau-Rigi-Bahn

3.3 Zahnradbahnen vor 1918   ↑ Anfang

Die technisch und kommerziell erfolgreiche Rigibahn leitete zu Beginn der 1880er Jahre einen Boom im Bau von Zahnradbahnen ein.

Gedenktafel zur Erinnerung an die Kahlenbergbahn

Die ersten Zahnradbahnen in Österreich-Ungarn waren die 1874 eröffneten Kahlenbergbahn bei Wien und die Schwabenbergbahnin Budapest Erste Zahnradbahn mit nicht-touristischem Personenverkehr wurde die 1875 eröffnete Rorschach-Heiden-Bergbahn in der Ostschweiz.

Die älteste Zahnradbahn Deutschlands waren die 1876 in Betrieb genommene Zahnradbahn des Hüttenwerks Wasseralfingen in Württemberg. Es folgten die Grubenbahnen Grube Friedrichssegen bei Bad Ems / Lahn und Grube Kunst bei Herdorf/Siegerland. 1883 ging mit der Drachenfelsbahn (am Mittel-Rhein) die erste Personen-Zahnradbahn in Betrieb (Steigung 200 ‰).

Die Jungfraubahn in der Zwischenstation Eigerwand
(Tageslicht fällt durch ein Fenster in der Bergwand herein)

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 bei Luzern/Schweiz mit dem speziellen Locher-Zahnstangensystem. 1912 entstand die Jungfrau-Bahn als höchst gelegene Zahnradbahn Europas (unterirdische Bergstation auf einer Höhe von etwa 3450 Metern, "Talstation" auf etwa 2060 Metern). Mehr als 7 km ihrer etwa 9,3 Kilometer langen Strecke befinden sich im Berg.

Von Dampf- auf elektrischen Antrieb wurde ab der 1890er-Jahre übergegangen. Später kamen auch Dieselmtoren hinzu.

3.4 Zahnradbahnen seit 1920 bis heute   ↑ Anfang

Seit etwa 1920 wurde die Zahl der Zahnradbahnen kleiner, weil der Zahnradantrieb durch inzwischen generell besser wirkenden Adhäsionsantrieb ersetzt werden konnte oder der Verkehr eingestellt wurde. Viele Strecken mit Zahnstangenabschnitten mit Neigungen unter 70 ‰ wurden auf reinen Adhäsionsbetrieb umgestellt. Möglich wurde es durch Fortschritte im Lokomotivbau, höhere Achslasten (festerer Oberbau) und dem Einsatz der durchgehenden, selbsttätigen und mehrlösigen Druckluftbremsen. Als Pionier für diese Umstellung gilt die Strecke Blankenburg-Tanne (auch "Harzbahn"oder "Rübelandbahn" genannt) der Halberstadt-Blankenburger Eisenbahn.

Gruben- oder Industriebahnen als Zahnradradbahnen verschwanden ganz. Sie waren durch Förderbänder oder andere gleislose Förderung abgelöst worden.

Neue Zahnradstrecken entstanden erst wieder am Ende des 20. Jahhrhunderts, zuerst durch Umbau und Erweiterung von Standseilbahnen, wie die Zahnradbahn Lausanne-Ouchy, die Dolderbahn in Zürich oder eine in einem Tunnel verlaufende Standseilbahn in Lyon, die eine der vier dortigen U-Bahnlinien geworden ist.
1987 wurde in Australien zur Erschließung des Wintersportgebiets Perisher die Zahnradbahn Skitube eröffnet. In Japan wurde 1990 wegen des Baus eines Staudamms ein Abschnitt der bisher als reine Adhäsionsbahn betriebenen Ikawa-Linie verlegt und mit Zahnstange versehen.

Eine beträchtliche Zahl alter Dampf-Zahnradbahnen erfreut sich heute wieder großer Beliebtheit. Auf anderen Strecken mit Elektroantrieb wurde das Rollmaterial nach heutigem Geschmack erneuert, wodurch sie attraktiv blieben und und ihre Leistungsfähigkeit gesteigert werden konnte.

4. Literatur   ↑ Anfang

Siegfried Wetzel, CH 3400 Burgdorf, Februar 2020

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