Der ZT 4 (interne Bezeichnung: S-ZT 4.1; nach Bauer Typ 33) ist ein meterspuriges Triebfahrzeug der Stuttgarter Straßenbahnen (SSB), das zwischen 1982 und 2023 auf der Strecke der Zahnradbahn Stuttgart eingesetzt wurde und durch die Nachfolgebaureihe ZT 4.2 abgelöst wurde. Die Bezeichnung „ZT 4“ steht für „Zahnrad-Triebwagen mit vier Achsen“. Der Zahnradantrieb ist für eine einlamellige, leiterförmige Zahnstange nach dem System Riggenbach in Gleismitte und auf gleicher Höhe mit der Schienenoberkante konstruiert.
Vorgeschichte In den 1970er Jahren bestand das Rollmaterial der Stuttgarter Zahnradbahn aus fünf, zum Teil rund 40 Jahre alten, Triebwagen (101–105) und fünf Vorstellwagen aus der Eröffnungszeit (116–120). Das hohe Alter der Fahrzeuge, die es meist bereits auf weit über eine Million Laufkilometer gebracht hatten, und der zunehmende Mangel an Ersatzteilen führten zu immer kürzeren Wartungsintervallen der elektrischen und mechanischen Teile und immer häufigeren Ausfällen. 1974 musste bereits der Triebwagen Nummer 102 ausgemustert werden. Nicht zuletzt verursachten die Fahrzeuge einen beträchtlichen Lärm und waren in Ausstattung und Fahrkomfort nicht mehr zeitgemäß. Der Hintergrund der Überalterung des Fahrzeugparks war, dass die bereits 1959/60 geplant gewesene Beschaffung neuer Wagen gestoppt worden war, weil die SSB gleichzeitig dringend neue Straßenbahnwagen beschaffen musste, um überalterte Vorkriegswagen abzulösen. In den folgenden Jahren gab es keine Fördergelder für meterspurige Wagen. Außerdem litten die SSB ihrerseits unter der wirtschaftlichen Situation und der nach wie vor anwachsenden Konkurrenz durch den Individualverkehr und waren so zu einem konsequenten Sparkurs gezwungen, weshalb sie den kostengünstigeren Ein-Mann-Betrieb auf allen Linien anstrebten. 1978 entschlossen sie sich daher zur Beschaffung neuer, größerer Triebwagen mit der Kapazität eines bisherigen Zuges und damit zum endgültigen Verzicht auf Vorstellwagen.
Hinzu kamen verschärfend rechtliche und wirtschaftliche Probleme: der Einsatz von Wagen mit Holzaufbauten war nach Straßenbahn-Bau- und Betriebsordnung (BOStrab) nur noch mit Ausnahmegenehmigung zulässig, eine Automatisierung der Türen bzw. ein Verschließen der Plattformen wäre zumindest bei den Vorstellwagen nicht oder nur mit hohem Aufwand möglich gewesen. Doch selbst bei automatischen Türen und dem damit möglichen Wegfall des Schaffners hätte man bei den Vorstellwagen auf den Bremser nicht verzichten können, da der Triebfahrzeugführer vom talseitig angeordneten Triebwagen aus die Strecke nicht überblicken konnte.
Entwicklung Der ZT 4 wurde 1979 nahezu zeitgleich mit den ersten drei Stadtbahn-Prototypen von den SSB in Auftrag gegeben. Da die Firma MAN für den Aufbau und den mechanischen Teil beider Fahrzeugtypen verantwortlich zeichnete, bot es sich auch zwecks Vereinheitlichung des Fuhrparks an, auf die gewonnenen Erkenntnisse der Stadtbahnwagenentwicklung zurückzugreifen. Das Fahrzeug hat die äußere Form und das Aussehen eines halbierten DT 8 nach dem Entwurf des Designerbüros Lindinger & Partner, jedoch mit zwei Führerständen, die Innenraumaufteilung erfolgte nach dem später auch für die Stadtbahn-Serienfahrzeuge übernommenen Schema der Prototypen 1 und 3. So entstand als „Nebenprodukt“ des Stadtbahnwagens ein vierachsiger Solotriebwagen.
Da die Zahnradbahn von Anfang an nicht als Straßenbahnstrecke, sondern als Eisenbahn mit entsprechend dimensionierten Fahrzeugen konzipiert war, wirkte sich auch die vermeintliche Überbreite der Meterspurwagen von 2,65 Metern kaum nachteilig aus. Auch die Überschreitung der geplanten Leermasse der Wagen um vier Tonnen auf 33 Tonnen wirkte sich nicht deutlich auf die Tragfähigkeit der Brücken aus.
Technik Antrieb mini|Blick aus dem Führerstand eines neuen ZT 4 auf einen weiteren an der Wielandshöhe (1983) Der Antrieb der ZT 4 erfolgte durch zwei quer zur Fahrtrichtung liegende Mischstrom-Reihenschlussmotoren über ein Getriebe nur auf das Antriebszahnrad, das sich ohne kraftschlüssige Verbindung an der jeweils talseitigen Achse eines Drehgestells befindet (Näheres siehe bei Besonderheiten). Die Drehgestelle stammen von der Schweizerischen Lokomotiv- und Maschinenfabrik Winterthur (SLM) und verfügen über keinen Drehzapfen. Der Wagenkasten stützt sich über zwei Gummi-Metall-Schichtfedern als Querträger ab, die Längskräfte wurden von außen liegenden Längslenkern übernommen.
Zur Vereinfachung der Wartung und um Standzeiten zu verkürzen beschaffte die SSB außerdem ein zusätzliches Reservedrehgestell. Jeweils eines der Drehgestelle wurde üblicherweise ständig in der Hauptwerkstatt der SSB gewartet und im Wechsel in die drei Wagen eingebaut. Üblicherweise jede Woche wechselte der Fahrzeugeinsatz um einen Wagen weiter.
Technisch sind die Fahrzeuge doppeltraktionsfähig, was im regulären Fahrgastbetrieb aus verschiedenen Gründen, insbesondere der unzureichenden Haltestellenlänge, nie gemacht wurde. Betrieblich nötig war die Doppeltraktionsfähigkeit zum beidseitigen Abschleppen durch einen weiteren Wagen. Außerdem konnten die Fahrzeuge so durch die Nachfolgegeneration geschleppt werden.
Bremssysteme Der ZT 4 besitzt drei voneinander unabhängige Bremssysteme. Als Haupt- und Betriebsbremse dient die generatorische Widerstandsbremse, die eine Rückspeisung der Bremsenergie ins Leitungsnetz bei Anwesenheit eines Abnehmers ermöglicht. Dies ist in der Regel der zweite eingesetzte Wagen. Außerdem dient die Fahrleitung der Zahnradbahn zum Leistungsausgleich zwischen den Talquerlinien (Degerloch) und den Tallängslinien (Marienplatz) der Stadtbahn Stuttgart, so dass ein Stromverbundnetz vorliegt. Außerdem sind zwei mechanische Federspeicherbremsen (Klinkenbremse und Getriebebremse, beides hydraulische Federspeicherbremsen) vorhanden, die im unteren Geschwindigkeitsbereichen durch den Fahrer manuell betätigt wurden. Eine davon ist als Klinkenbremse zur Rücklaufsicherung bei Bergfahrt ausgeführt. Die Funktion ähnelt etwa einer Kombination von einem Fliehkraftregler mit einer Rücktrittbremse, wie man sie vom Fahrrad kennt. Typisch für die Klinkenbremse war bei der Bergfahrt das klickende Geräusch der Rastnasen in der Bremstrommel, wo sie an einer mechanischen Kulisse entlangglitten. Bei der Talfahrt spreizten sich die Rastnasen hingegen durch die Umdrehung der Räder so weit von ihrer Achse ab, dass sie im Luftraum der Trommel rotierten, ohne anzustoßen. Würde die Geschwindigkeit talwärts ein gewisses Maß überschreiten, berühren die Rastnasen die Kulisse und greifen dort ein. Durch einen Öldämpfer abgemildert würde das Fahrzeug dann zum Stillstand gebracht. Die eigentliche Bremswirkung erfolgte dabei durch die mechanische Reibungsbremse auf die Hauptzahnräder. Bei der Bergfahrt wurde grundsätzlich mit der Hangabtriebskraft angehalten; hier dient die mechanische Bremse nur als Feststellbremse.
Besonderheit Damit Schienenfahrzeuge bei einer normalen Reibungsbahn den geometrisch idealen Sinuslauf auf dem Gleis erzielen können, sind üblicherweise Räder und Achswellen fest miteinander verbunden, genannt Radsatz. In den Gleisbögen führt dies zum geringfügigen intervallartigen Gleiten des jeweils einen Rades („Schlupf“), wird aber wegen der Vorteile im geraden Gleis hingenommen. Bei einem Zahnradbahnfahrzeug käme es selbst in der Geraden zum ständigen Schlupf, weil sich der Durchmesser der Laufräder durch Abnutzung verkleinern würde, während der Durchmesser des Zahnrades immer genau der gleiche bleibt. Denn das Zahnrad nützt sich nur an den talseitigen Flanken der Zähne ab, nicht an deren Spitze. Die Folge wäre, dass das Laufrad so gut wie nie die gleiche Geschwindigkeit am Umfang hätte wie das Zahnrad. Die weitere Folge wäre ein enorm hoher Verschleiß an der Oberfläche von Laufrädern und Schienen.
Um dies zu umgehen, sitzt das Hauptzahnrad (Ritzel) lose auf der Achswelle. Damit erfolgte die Umdrehung des Hauptzahnrades jeweils exakt synchron zur Zahnstange, ohne Irritation durch die Laufräder. Alle Radsätze und Laufräder des Wagens liefen somit ohne Antrieb mit. Dadurch ist auch eine Fahrt durch den Gleisbogen ohne Ruckeln möglich, was das Sicherheitsgefühl bei einer Zahnradbahn stärkt.
Weiter ist das Hauptritzel auf der Achswelle federnd angeordnet. So übertrugen sich Unebenheiten im Gleis, Schwingungen im Fahrzeuglauf oder Schwankungen des Wagenkastens, etwa bei starkem Andrang von Fahrgästen, nicht auf das Hauptritzel. Dadurch griff das Ritzel ständig mit gleichbleibender Tiefe in die Zahnstange, was für die gleichmäßige Kraftübertragung und Flächenbelastung der Zähne wichtig ist. Antrieb und Bremsung erfolgten nur durch die beiden Hauptritzel. Bei der starken Neigung der Zahnradbahn wären Antrieb oder Bremsung über die Laufräder ohne Belang. Die Achswelle diente lediglich als Widerlager für das Hauptritzel, in welches das Getriebe des Antriebsmotors eingreift. Auch die Bremsen wirkten auf das Hauptritzel, nicht auf die Achswelle oder die Laufräder. Die Führung des Wagens im Gleis übernahmen in gewohnter Weise die Laufräder. Die Zahnstange hatte keine führende Funktion, sie übertrug nur die Druckkräfte. Wegen der Sicherheit und der gleichmäßigeren Verteilung der Kräfte besitzt jedes Triebfahrzeug einer Zahnradbahn zwei Hauptritzel.
Ausstattung mini|Wagen 1001 im Jahr 1983 am Zahnradbahnhof in Degerloch, damals noch mit Rollband
Der ZT 4 verfügte über 56 Sitz- und ebenso viele Stehplätze, die Innenraumaufteilung entsprach der des DT8 mit zwei abgetrennten, teilweise verglasten Fahrerkabinen, zwei doppelflügeligen Türen auf beiden Seiten und Anordnung der Sitzlehnen auf Höhe der Fensterholmen. Auch der ZT 4 ist ein Hochflurfahrzeug mit 1005 Millimeter Fußbodenhöhe, allerdings musste der Höhenunterschied mittels dreier fest eingebauter Trittstufen in den Türbereichen überwunden werden. Die ursprüngliche Farbgebung wich sowohl vom Serien-DT 8 als auch von den Prototypen ab: es wurden grüne Sitzpolster mit gelben Haltestangen und einem braunkarierten Textilteppich-Fußboden kombiniert, außen waren die Wagen schwarz im Unterbereich, cadmiumgelb an den Seiten und anthrazit an Fensterpartie und Dach lackiert.
Die Linien- und Zielbeschilderung erfolgte ursprünglich über Rollbänder an den Frontseiten, auf eine seitliche Beschilderung und eine innere Perlband-Anzeige wie beim DT 8 konnte verzichtet werden.
Einsatz und schrittweise Modernisierung mini|Innenraum des Wagens 1002 mit Türbereich, Kunststoffbodenbelag und blauen Sitzpolstern
Um den ZT 4 auf der Stuttgarter Zahnradbahnstrecke einsetzen zu können, musste diese zuvor grundlegend modernisiert werden. Dabei wurde unter anderem der Unterbau verstärkt, die leistungsschwache Doppelfahrleitung durch eine moderne Tragseilfahrleitung ersetzt und eine neue, längere Schiebebühne in den Betriebshof eingebaut. Der historische Zahnradbahnhof an der Filderstraße wurde zur modernen Abstellhalle für zwei ZT 4 umgestaltet, der dritte fand auf dem ertüchtigten Gleis 3 der südlichen Wagenhalle Platz. Die Werkstatthallen auf der Nordostseite wurden aufgegeben, hier zog einige Jahre später das Theater Rampe ein.
Gebaut wurden die Wagen vom damaligen Generallieferant Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg (MAN) im Werk Nürnberg. Zulieferer waren die damalige Schweizerische Lokomotiv- und Maschinenfabrik (SLM) Winterthur sowie der AEG-Konzern, Werk Berlin, für die Elektrotechnik.