Zahnradbahn

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Zahnradbahn auf dem Schafberg
Zahnradlok System Riggenbach, Vitznau-Rigi-Bahn
Gleis der Furka–Oberalp-Bahn, mit zweilamelliger Abtzahnstange auf Y-Stahlschwellen
Zahnstangengleis der RHB in Wienacht (System Riggenbach), Schweiz

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

Einleitung und Technik allgemein[Bearbeiten]

Das System Stahlrad/Schiene konventioneller Adhäsionsbahnen stößt bei größeren Steigungen an technische Grenzen, die durch die schlechte Haftung des Stahlrads auf der Schiene hervorgerufen sind.

  • Die Grenze wird auf trockener Schiene bei einer Steigung von 160 ‰ erreicht,
  • auf nasser Schiene bei einer Steigung von 140 ‰.

Um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, werden Bahnstrecken allgemein mit bis zu 70 ‰, auf Hauptbahnen bis zu 30 ‰ Steigung angelegt. Ausnahmen sind z. B.

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

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

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

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

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

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

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

Viele ursprünglich mit Dampf betriebene Bahnen wurden später elektrifiziert, bei einigen wurden die Dampfloks durch Dieseltriebfahrzeuge ersetzt oder ergänzt.

Systeme[Bearbeiten]

Die vier weltweit bekanntesten Zahnstangensysteme wurden von Schweizern entwickelt und nach ihnen benannt:

  • System Riggenbach: Niklaus Riggenbach, Leiterzahnstange. Zwischen zwei U-förmigen Profilen sind die Zähne als Sprossen eingesetzt (ursprünglich genietet, heute geschweißt). Diese Bauart lässt sich mit einfachen Mitteln fertigen, erfordert aber für Bögen Spezialanfertigungen, da sich die fertige Zahnstange nicht biegen lässt. Weichen wurden daher als Schiebeweichen, bei denen ein Gleisabschnitt verschoben wird, ausgeführt, während heute konventionelle Weichen in Verbindung mit Zahnstangen des Systems von Roll (s.u.) zur Anwendung kommen.
  • System Strub: Emil Strub, Zahnschiene, genau eine Strub'sche Breitfußschiene mit Evolventenverzahnung. Die Zähne sind in eine der Keilkopfschiene ähnlichen Schiene eingefräst. Durch Haken, die um den Schienenkopf herumgreifen, soll bei besonders steilen Abschnitten ein Aufklettern verhindert werden, d. h. die Lokomotive oder ein Triebwagen kann durch die an den Zähnen auftretenden Kräfte nicht aus dem Gleis gehoben werden. Zahnstangen vom System Strub können mit den gleichen Zahnrädern wie die Riggenbachsche Zahnstange befahren werden, vorausgesetzt Teilung und Teilkreishöhe sind identisch (z. B. bei den Appenzeller Bahnen). Nachdem die Strubsche Zahnstange 50 Jahre nicht gefertigt worden ist, hat die Firma Tensol Anfang des 21. Jahrhunderts eine verbesserte Strubsche Zahnstange auf dem Markt gebracht, die im Unterschied zum Vorläufer auch durchgehend verschweißt werden kann.
  • System Abt: Carl Roman Abt, Lamellenzahnstange. Zwei oder drei Lamellen liegen gegeneinander versetzt mit den Zähnen nach oben im Gleis; ein entsprechendes Zahnrad greift von oben ein. Besonderer Vorteil bei Verwendung mehrerer Lamellen ist die gleichmäßigere Kraftübertragung, da sich immer mindestens ein Zahn im Eingriff befindet; dabei ist allerdings eine Torsionsfederung der Triebzahnräder erforderlich. Technisch eng mit dem System Abt verwandt ist das System Von Roll mit nur einer Lamelle (s.u.). Es gibt für diese Zahnstange Sicherungen gegen ein Aufklettern in Form eines Spurnagels, der zwischen zwei Lamellen durchreicht und dessen Kopf in die Unterseite der Lamellenzahnstangen eingreift. Dazu müssen die Zahnstangen allerdings so befestigt werden, dass für den Nagel ein freier Lichtraum gegeben ist. In Weichenbereichen oder in flachen Abschnitten wird zum Teil nur eine Lamelle (außermittig) verlegt.
  • System Locher: Eduard Locher, Fischgrätenzahnstange. Eine Doppelzahnstange mit Zähnen auf der linken und rechten Seite liegt im Gleis, die Zahnräder greifen von der Seite aus ein. Mit diesem System wird ein Aufklettern nicht nur durch die waagrechte Krafteinwirkung (und somit fehlende hochhebende Kraft) verhindert, sondern auch durch eine schmale durchgehende Zusatzschiene hinter resp. unter der Zahnstange. Zudem heben sich die seitlich wirkenden Kräfte gegenseitig auf. Das System Locher wurde bislang nur bei der Pilatusbahn verwendet. Der Tschuggen Express in Arosa und das Schiffshebewerk am Krasnojarsker Stausee benutzt eine ähnliche Konstruktion.

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

Zahnradbahnweiche der Wengernalpbahn im Bahnhof Lauterbrunnen (System von Roll)
  • System Riggenbach-Klose: Adolf Klose, Leiterzahnstange. Wobei hier die einzelnen Zähne zwischen den Wangen auf einer Längsrippe aufliegen, so dass sich die Zähne nicht verdrehen können. Dieses etwas aufwändigere System wurde nur für die elektrische Bahn St. Gallen–Gais–Appenzell und auf der Strecke FreudenstadtBaiersbronn der Murgtalbahn verwendet
  • System Wetli: Kaspar Wetli. Das Walzenradsystem sollte bei der Wädenswil-Einsiedeln-Bahn Verwendung finden, kam auf Grund eines Unfalles bei einer Probefahrt am 30. November 1876 aber nicht in den kommerziellen Betrieb.
  • System Marsh: Sylvester Marsh, Leiterzahnstange mit Zähnen aus Rundprofil. Es wird bei der ab 1866 gebauten und 1869 fertiggestellten Mount Washington Cog Railway eingesetzt
  • System von Roll: Firma von Roll (heute Tensol), Lamellenzahnstange. Wie beim System Abt besteht diese Zahnstange aus einem Flachstahl, in den die Zähne mit der Verzahnungsgeometrie der Systeme Riggenbach und Strub eingefräst werden. Die Zahnstange kommt in erster Linie bei Neubauten sowie beim Ersatz alter Zahnstangen nach den Systemen Riggenbach oder Strub zur Anwendung, da sie in der Herstellung günstiger und in der Anwendung flexibler ist als die Originalfertigung nach Riggenbach oder Strub. Die Zahnstange kann auch durchgehend verschweißt werden.
  • Sonderbauarten: Bei den Treidellokstrecken des Panamakanals werden zur Überwindung der Höhenunterschiede an den Schleusen spezielle Zahnstangen verwendet, die jedoch auch auf dem System Riggenbach beruhen.

Umweltaspekt und Kosten[Bearbeiten]

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Beleg zur Verbrauchsmenge

Wie alle beweglichen Verzahnungen benötigt auch die einer Zahnradbahn eine Schmierung, typischerweise durch Fett. Dies ist eine Verbrauchsschmierung, folglich bleibt auf der Zahnstange Schmierstoff zurück. Dieser kann z. B. durch Niederschläge ins Erdreich gespült werden. Um Umweltschäden zu vermeiden, darf folglich kein gewöhnliches Maschinenfett (Mineralölprodukt) verwendet werden sondern nur vergleichsweise teure – und weniger temperaturbeständige – pflanzliche oder tierische Fette.[1] Der Verbrauch an Schmierfett hängt von den jeweiligen Bedingungen ab, eine Größenordnung von mehreren hundert Gramm pro Wagen und Kilometer ist realistisch.

Geschichte[Bearbeiten]

Nachbau des ersten Triebzahnrades
Triebwerk einer Zahnraddampflokomotive mit vier Zylindern
Denkmal der Barmer Bergbahn

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

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

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

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

Vor 1847 entwickelte der Amerikaner Andrew Cathcart für die Steilstrecke (sechs Prozent) der Madison & Indianapolis Railroad aus dem Ohiotal heraus eine gusseiserne Lamellenzahnstange und eine entsprechende Lokomotive. Die Bahnstrecke wurde 1848 in Betrieb genommen. 1868 wurde die Strecke mit einer besonders dafür konstruierten Lokomotive auf Adhäsionsbetrieb umgestellt.[2]

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

Die erste Bergbahn der Welt mit Zahnradantrieb wurde ab 1866 von Sylvester Marsh errichtet. Sie erklimmt den Mount Washington, New Hampshire, USA und wurde 1869 eröffnet.

Die von Niklaus Riggenbach nach seinem französischen Patent Nummer 59625 von 1863 konstruierte Vitznau-Rigi-Bahn wurde 1871 eröffnet und ist die erste Bergbahn mit Zahnradantrieb Europas. Sie führt von Vitznau (Schweiz) am Vierwaldstättersee auf die Rigi. Die Bahn endete zunächst an der Luzerner Kantonsgrenze, da die Konzessionen damals von den Kantonen erteilt wurden. Erst zwei Jahre später erreichte sie den heutigen Endpunkt Rigi Kulm. Ihr Status als „erste Zahnradbahn Europas“ beruht unter anderem darauf, dass die (ebenfalls von Riggenbach konstruierte) Bahn in den Steinbruch Ostermundigen, trotz Inbetriebnahme 1870 aus Marketinggründen erst vier Monate nach der Rigibahn offiziell eingeweiht wurde.[3]

Älteste Zahnradbahn Deutschlands ist die am 13. Juli 1883 in Betrieb genommene Drachenfelsbahn.

Die weltweit steilste Zahnradbahn ist mit einer maximalen Steigung von 48 Prozent 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.

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

  • Wolfgang Messerschmidt: Zahnradbahnen, gestern, heute, in aller Welt. Die Geschichte der Zahnradbahnen, Frankh, Stuttgart 1972 ISBN 3-440-03833-5
  • Walter Hefti: Zahnradbahnen der Welt. Birkhäuser, Basel 1971, ISBN 3-7643-0550-9.
  • Walter Hefti: Zahnradbahnen der Welt. Nachtrag. Birkhäuser, Basel 1976, ISBN 3-7643-0797-8.
  • Die Lokomotive, Fachzeitschrift für Eisenbahntechniker. Verschiedene Ausgaben. Wien 1904–1948 (Berlin 1938–1944).
  • Thomas Fleißig: Zahnradbahnen in Österreich. Eisenbahn-Bildarchiv. EK, Freiburg 2004, ISBN 3-88255-349-9.
  • Arthur Meyer, Josef Pospichal: Zahnradbahnlokomotiven aus Floridsdorf, Verlag bahnmedien.at, Wien 2012, ISBN 978-3-9503304-0-3
  • Klaus Fader: Zahnradbahnen der Alpen. 19 Bergbahnen in Deutschland, Frankreich, Österreich und der Schweiz. Franckh-Kosmos, Stuttgart / Ott, Thun 1996, ISBN 3-440-06880-3 / ISBN 3-7225-6346-1 (Ott); Tosa, Wien 2003, ISBN 3-85492-791-6.
  • 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, transpress Verlag, Berlin 1990 ISBN 3-344-00475-1

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Zahnradbahn – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
 Wiktionary: Zahnradbahn – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Zahnstangenschmierung– Praktische Erfahrungen (PDF; 113 kB), Ernst Zbinden bei der Fachtagung Zahnradbahnen 2010 in Brig, abgerufen am 29. Oktober 2012
  2. 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.
  3. http://www.museumsfabrik.ch/tl_files/museumsfabrik/downloads/museumsberatung/Restaurierung%20Dampflok%20INKU%20Okt.%202000.pdf Restaurierung der Zahnrad-Dampflok Gnom im Verkehrshaus der Schweiz, Januar 2000 bis März 2002