Als Fahrzeuge für Zahnradbahnen werden elektrische und dieselbetriebene Triebfahrzeuge und auch heute noch Dampflokomotiven eingesetzt. Selbstbremsende Personen- und Güterwagen können berg- und talseitg gekuppelt werden; Ungebremste Wagen aber nur bergseitig.

Allgemeines

Bei den bestehenden elektrischen Zahnradbahnen sind folgende drei Stromsysteme im Gebrauch: Gleichstrom mit verschiedenen Spannungen bei kurzen und mittleren Betriebslängen. Die Mehrzahl der Gleichstrombahnen verwendet eine Spannung von 1500 Volt. Sie erlaubt Abstände von vier bis fünf Kilometern zwischen den Gleichrichterstationen. Einphasenwechselstrom bei einigen reinen Zahnradbahnen und bei längeren gemischten Adhäsions-/Zahnradbahnen (siehe Liste von Zahnradbahnen). Die hohe Spannung des Wechselstroms erlaubt große Abstände zwischen den Umspannwerken, die Triebfahrzeuge benötigen jedoch einen Transformator, dessen hohe Masse nachteilig ist. Drehstrom bei den reinen Zahnradbahnen auf das Jungfraujoch, den Gornergrat, den la Rhune und den Corcovado. Klassische Drehstromtechnik benötigt zweipolige Oberleitungen, erlaubt jedoch einfache Rekuperationsbremsen, die aber auf der Bergfahrt keine höhere Geschwindigkeit als talwärts erlaubt.

Der Bau und Betrieb von Zahnradtriebfahrzeugen sind und waren technisch sehr anspruchsvoll. Im Vergleich zu Adhäsionsbahnen sind Grenzen gesetzt durch: enge Bögen, große Klimaunterschiede und rauer Winterbetrieb, Belastungsgrenzen der Zahnstange und der Zugvorrichtungen, Sicherheit gegen Entgleisen des Zuges auf der Talfahrt auch in engen Bögen bei Maximalgefälle.

Wichtigster Hersteller von Zahnradtriebfahrzeugen war seit 1874 die Schweizerische Lokomotiv- und Maschinenfabrik (SLM) in Winterthur. Nach der Auflösung der SLM im Jahr 1998 wurde der Geschäftsbereich Schmalspur-, Zahnrad- und Spezialfahrzeuge von Stadler Rail übernommen. Von den weltweit bei bestehenden Zahnradbahnen in Betrieb stehenden Triebfahrzeugen stammen mehr als zwei Drittel von der SLMRudolf Schmid: Die Zahnradbahn als modernes Transportmittel, S. 441 oder von Stadler. Die Lokomotivfabrik Floridsdorf in Wien besaß die alleinigen Lizenzrechte des Zahnstangensystems Abt für das Gebiet Österreich-Ungarns. Sie wurde damit neben der weltweit tätigen SLM zur größten Produzentin von Zahnradbahntriebfahrzeugen und lieferte fast alle in der Doppelmonarchie bestellten Zahnradlokomotiven, unter anderem die Maschinen der Erzbergbahn und der Bosnisch-Herzegowinischen Landesbahnen. In Deutschland erwarb sich die Maschinenfabrik Esslingen einen besonderen Ruf durch den Bau von Zahnradlokomotiven. In den USA belieferte Baldwin Locomotive Works in Philadelphia einige amerikanische Auftraggeber. Nach Asien und Afrika lieferten hauptsächlich SLM und Esslingen.

Die Bauartbezeichnungen der Schweizer Lokomotiven und Triebwagen unterscheiden zwischen reinen und gemischten Zahnradbahnen. Bei reinen Zahnradfahrzeugen kommt das h an erster Stelle nach den Großbuchstaben (z. B. Zahnradtriebwagen Bhe 4/4), bei kombiniertem Adhäsions- und Zahnradantrieb am Schluss (Beh 4/4). Eine H 2/2 ist eine reine Zahnraddampflokomotive, eine HG 2/2 eine kombinierte Adhäsions- und Zahnradlokomotive.

Triebfahrzeuge für reine Zahnradbahnen Bei den reinen Zahnradbahnen werden die Räder nur für die Abstützung und Führung der Fahrzeuge benützt. Die Fortbewegung der Fahrzeuge erfolgt ausschließlich über die Zahnräder. Solche Zahnradbahnen überwinden mit vertikal eingreifenden Zahnrädern Maximalneigungen von 250–300 ‰.

Dampflokomotiven Dampflokomotiven für reine Zahnradbahnen weisen in der Regel zwei Triebzahnräder oder ein Triebzahnrad und ein Bremszahnrad auf. Für größere Zugmassen müssen zwei Triebzahnräder angewendet werden (recht häufig beim System Abt), damit der Zahndruck nicht zu hoch wird und um der Gefahr des Aufkletterns des Zahnrads aus der Zahnstange zu begegnen. Solche Lokomotiven der Bauart Abt wurden z. B. von der Wengernalp-, der Snowdon-, der Schafberg- und der Schneebergbahn beschafft. Eine Lokomotive mit drei Triebzahnrädern ist bei Pike’s Peak Railway zur Anwendung gekommen.Dolezalek: Zahnbahnen, Kapitel Lokomotiven

Zahnraddampflokomotiven sind fast ausschließlich als Tendermaschinen gebaut, um die gesamte Zugmasse möglichst tief zu halten und die gesamte Lokomotivmasse für die Sicherung des Zahneingriffs auszunutzen. Für die Ergänzung des Speisewasservorrats wird unterwegs mehr Zeit einberechnet.

Da man in den unterschiedlichen Neigungen störende Schwankungen des Wasserstands im Kessel befürchtete, wurden die ersten Lokomotiven der Vitznau-Rigi-Bahn mit stehendem Kessel ausgerüstet. Im Betrieb und besonders im Unterhalt bewährten sich diese Kessel nicht, so dass sie nach 12 bis 19 Jahren durch liegende, um etwa 10 % geneigte Kessel ersetzt wurden.

Die marktbeherrschende Stellung der SLM führte zu einer gewissen Standardisierung der Bauarten. Die Bilderreihen illustrieren jeweils die Entwicklung der Zahnradtriebfahrzeuge,Karl Sachs: 50 Jahre schweizerische elektrische Bergbahnen. In: Schweizerische Bauzeitung, Band 66 (1948), Heft 50 (E-Periodica.ch, PDF; 4,2 MB) und Band 66 (1948), Heft 51 (PDF; 5,0 MB). wobei bei nicht von der SLM oder Stadler Rail stammenden Fahrzeugen der Hersteller erwähnt ist:

Elektrische und dieselelektrische Triebfahrzeuge mini|270px|Triebdrehgestell (Vitznau-Rigi-Bahn, Bhe 2/4)1) Motoren2) Vorgetriebe3) Getriebe4) Triebzahnrad5) Rutschkupplung6) Bandbremse auf Motorwelle7) Bandbremse (Klinkenbremse),    mit dem Triebzahnrad fest verbunden

Da in vielen Gebirgen ausreichend Wasser zur Stromerzeugung zur Verfügung steht, wurde bereits 1892 mit der Chemin de fer du Salève in den Hochsavoyen die erste elektrische Zahnradbahn der Welt dem Verkehr übergeben, die mit 600 Volt Gleichspannung betrieben wurde. Noch vor der Jahrhundertwende wurden die Gornergrat- und die Jungfraubahn eröffnet, wobei man sich dem damaligen Stand der Technik entsprechend zur Verwendung von Drehstrom entschied. Seit dem 20. Jahrhundert verkehrt die große Mehrheit der elektrisch betriebenen Zahnradbahnen mit Gleichstrom.

Der Antrieb heutiger Fahrzeuge erfolgt mit Kompakteinheiten, die Motor, Getriebe, Bremstrommel und Triebzahnrad umfassen. Jeder Fahrmotor treibt ein an einem Radsatz frei drehend gelagertes Triebzahnrad an. Wegen der verhältnismäßig kleinen Fahrgeschwindigkeit hat das Getriebe meistens eine doppelte Übersetzung. Zur Vermeidung von unerwünschten Radentlastungen durch die Motordrehmomente werden die Fahrmotoren üblicherweise quer im Drehgestell eingebaut. Die Triebzahnräder mit Evolventenverzahnung greifen immer mindestens mit zwei Zähnen in die Zahnstange. Sie sind tangential gefedert zum Ausgleich von Stößen, die durch Zahnstangenteilungsfehler verursacht werden können.

Die Anzahl der Triebachsen wird durch die notwendige Zugkraft bestimmt. Für moderne Doppeltriebwagen mit vier baugleichen Drehgestellen genügt in vielen Fällen eine einmotorige Auslegung. Drehgestelle mit je einer Trieb- und einer Laufachse haben den Vorteil gleichmäßiger Zahnstangenbelastung, erlauben Doppeltraktion zweier Doppeltriebwagen und sind im Fall einer Entgleisung sicherer als zwei Trieb- und zwei Laufdrehgestelle.

Die neueren technischen Entwicklungen finden sowohl bei reinen als auch gemischten Zahnradbahnen Anwendung:

Triebfahrzeuge für gemischte Bahnen Dampflokomotiven Gekuppelter Antrieb Die erste Lokomotive für gemischten Adhäsions- und Zahnradbetrieb war die „Gnom“ für die 1350 Meter lange Werkbahn des Sandsteinbruchs Ostermundigen bei Bern. Das Zahnrad lief auf der Adhäsionsstrecke ohne Eingriff leer mit.

Bei der Erzbahn Žakarovce und dann bei der Brünigbahn und der Padangbahn auf Sumatra wurden zunächst Lokomotiven mit zwei Zylindern und gekuppelten Adhäsions- und Zahnradtriebwerk verwendet. Die einfach gebauten Maschinen eigneten sich für kleinere Zugkräfte, jedoch bewährten sie sich nicht im Betrieb auf längeren Strecken wie der Brüniglinie.

Getrennte Zahnrad- und Adhäsionsantriebe Ab dem Jahr 1885 hat man damit begonnen, bei längeren Adhäsionsbahnen einzelne Abschnitte mit Zahnstangen für die Überwindung steiler Talstufen anzuwenden (anstelle künstlicher Längenentwicklungen). Für diesen Betrieb waren verkuppelte Antriebe wegen der auftretenden Zwängungskräfte schlecht geeignet. Das hatte zur Folge, dass Adhäsions- und Zahnradtriebwerk getrennt wurden, wodurch die Abnutzung der Adhäsionsräder problemloser wurde. Der Adhäsionsantrieb wird dabei grundsätzlich auf der ganzen Strecke verwendet. Das Zahnradtriebwerk wird nur auf den Zahnstangenabschnitten aktiviert und nach dem Verlassen der Steilrampe wieder stillgesetzt. Anfänglich wurden die Lokomotiven nach der Bauart Abt mit innen liegendem Zahnradtriebwerk konstruiert und beide Triebwerke hatten einen eigenen Regler und Steuerung. Zur Minderung des Dampfverbrauchs wurde später der Verbundantrieb verwendet wie bei den HG 3/4 der Furka-Oberalp-Bahn.

mini|390px|Dampflokomotiven mit dem System Winterthur werden auf den Zahnstangen­abschnitten als Verbund­lokomotiven betrieben. Die Hochdruck­zylinder C1 treiben die Reibungsachse 2 an, die mit den Achsen 1 und 3 gekuppelt ist. Das drehbar auf einer Achswelle sitzende Triebzahnrad T wird durch die Niederdruckzylinder C1 und das Übersetzungszahnrad v angetrieben. Im reinen Adhäsionsbetrieb arbeitet die Maschine mit einfacher Dampfdehnung. Bei Schmalspurlokomotiven für Adhäsions- und Zahnstangenstrecken war es aber oft schwierig, die Innentriebwerke unterzubringen. Eine gute Lösung fand die SLM mit dem System Winterthur, das für Adhäsions- und Zahnradtriebwerk äußere Lage und doch getrennte Ausführung erlaubt. Das ermöglicht eine gute Zugänglichkeit und damit eine einfachere Wartung des Triebwerks. Bei zunehmender Radreifenabnutzung lässt sich die Tiefe des Zahneingriffs leicht nachstellen.

Die zwei untenliegenden Hochdruckzylinder wirken auf das Adhäsionstriebwerk und bei reinem Adhäsionsbetrieb arbeiten sie mit einfacher Dampfdehnung. Der Dampf entweicht anschließend direkt ins Blasrohr. Auf den Zahnstangenabschnitten arbeitet die Lokomotive in Verbundwirkung, indem der Dampf nach den unteren Adhäsions-Hochdruckzylindern in die oben liegenden Zahnrad-Niederdruckzylinder geleitet wird. Durchmesser und Kolbenhub der vier Zylinder sind dabei annähernd gleich groß. Bedingt durch die Übersetzung des Vorgeleges arbeitet das Zahnradtriebwerk mit ungefähr der doppelten Drehzahl wie das Adhäsionstriebwerk, womit das richtige Volumenverhältnis zwischen den Hoch- und Niederdruckzylindern entsteht.Vierzylindrige Zahnrad- und Adhäsionslokomotive der Brünigbahn (Schweizer Bundesbahnen). In: Die Lokomotive, 1906, S.21–22 (ANNO – AustriaN Newspapers Online)

Durch die Verbundwirkung wird der Dampf besser ausgenutzt und es resultiert ein geringerer Kohle- und Wasserverbrauch. Es ergibt sich ein guter Ausgleich zwischen dem Zahnrad- und dem Adhäsionsantrieb, der das Schleudern des Adhäsionsantriebs vermindert, aber nicht ausschließen kann. Die raschen, aber nicht zu starken Auspuffschläge des Zahnradtriebwerks bewirken eine gute Feueranfachung und damit Dampfentwicklung. Die Einfahrt in einen Zahnstangenabschnitt bleibt dennoch komplex, weil zuerst das Zahnradtriebwerk über ein Hilfsventil auf die passende Drehzahl beschleunigt werden muss. Erst nach vollendeter Einfahrt kann das Umschaltventil zwischen Hoch- und Niederdruckzylinder betätigt werden und die beiden Triebwerke arbeiten dann mit zweistufiger Dampfdehnung im Verbundbetrieb. Bei der Einfahrt ins Gefälle muss zusätzlich auch noch die Steuerung in die Gegenrichtung ausgelegt werden und das Umschaltventil für das Ansaugen von Frischluft geöffnet werden. Anschließend kann die Geschwindigkeit durch die Gegendruckbremsen beider Triebwerke reguliert werden.