Zahnradbahn

mini|hochkant=1.8|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 formschlüssigmini|Eingriffslinie 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. 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.

Reine Zahnradbahnen mini|Reine Zahnradbahn: Zug der Schynige-Platte-Bahn mit zwei Vorstellwagen 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 mini|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 40 km/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.

Siehe auch: Abschnitte Triebfahrzeuge für reine Zahnradbahnen und Triebfahrzeuge für gemischte Bahnen Treidelbahnen mini|links|Treidellokomotiven, Panamakanal Mit zahnradgetriebenen Treidellokomotiven werden Schiffe durch die Schleusen des Panamakanals getreidelt. 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.

Zahnstangen bei Standseilbahnen mini|Nerobergbahn, Wasserballastbahn mit Zahnstangenbremse

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 mini|Zahnradbahnen können sehr leistungsfähig sein. Der abgebildete vierteilige Zahnrad-Triebzug der Perisher Skitube in Australien kann in Doppeltraktion verkehren und so 1768 Fahrgäste transportieren. mini|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 2100 kW für 246 ‰ Neigung wurde auf 16 Millionen 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 BDeh 4/4 hätte rund 130 Millionen Franken gekostet. Man zog es vor, stattdessen den für 68 Millionen 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.