Enzyklopadie des Eisenbahnwesens

ZAHNBAHNEN

Zahnbahnen(rack railways; chemins de fer à crémaillère; ferrovie a dentiera)auch Zahnradbahnen oder Zahnstangenbahnen genannt. Bei den Z. wird die Zugkraft der Triebmaschine mittels eines Zahnrads auf die Zahnstange, die zwischen die glatten Schienen in der Regel in der Gleisachse verlegt wird, übertragen. Zur Unterstützung der Fahrzeuge laufen deren glatte Räder auf den glatten Schienen, die auch in vielen Fällen einen Teil der Zugkräfte übertragen. Man unterscheidet: 1.ReineZ., bei denen die Zugkräfte nur von den Zahnrädern auf die Zahnstangen übertragen werden, daher Gleise ohne Zahnstange nicht vorhanden sind. 2.Gemischte oder vereinigte Reibungs- undZ., bei denen Reibungs- und Zahnstrecken wechseln. In den meisten Fällen werden dann in den Zahnstrecken auch Reibungszugkräfte ausgenutzt. Die vorliegendenZahnstangen-Bauartenkann man in 3 Gruppen zusammenfassen:

1. Leiterstangen (Riggenbach, Bissinger-Klose, Maschinenbauanstalt Bern, Strub);

2. Stufenstangen (Abt);

3. liegende Doppelstange (Locher-Stehlin, Peter).

1.Leiterstangen,

Bauart Riggenbach, zeigen Abb. 267, 268, und 269. Zwischen 2 -Eisen sind gewalzte Zähne von trapezförmigem Querschnitt kalt eingenietet. Soweit die Zähne in den Wangen stecken, erhalten sie wegen leichterer Ausführung kreisrund abgedrehte Zapfen, oben und unten geebnet, um das Drehen der Zähne zu verhindern. Für die Verzahnung wird Evolventenverzahnung gewählt, bei der die Zähne des Rads durch Evolventen, die der Zahnstange durch ebene Flächen begrenzt werden, da hierbei die Zahnform auch bei verschieden tiefem Eingriff, der wegen Abnutzung von Laufrädern und Schienen nicht zu vermeiden ist, immer richtig bleibt.

Die Zähne haben die in Abb. 267 und 269 gezeichnete Form; ihre Abmessungen sind von der Größe des Zahndrucks und dem Abstand der Wangen abhängig und bewegen sich innerhalb der nachstehend angegebenen Grenzen.

Die Teilung der Stangenzähnetbeträgt 80–110 meist 100mm.Der Abstandt_udes unteren Zahns vom Stangenende ist zur Erreichung größeren Scheerwiderstandes größer wie dert₀, des obersten Zahnes. Die Wärmelücke E beträgt bei der geringen Länge von 3∙0 – 3∙5mder Zahnstangenstücke nicht mehr wie etwa 2mmund ist nur sehr wenig veränderlich, daher nahezut=t₀+t_u+ E. Die Zahnstangen werden aus zähem, nicht zu hartem Flußeisen, auch aus Stahlformguß hergestellt.

Man hat namentlich auf gemischten Bahnen wegen höherer Lage der Zahnräder die Zahnstangen höher gelegt, was durch höhere Wangen oder durch höhere Wangen mit besonderem Querschnitt, Abb. 270 (Wengernalpbahn), auch durch Auflagern auf Sättel Abb. 271 u. 272 (Berner Oberlandbahn), letztere Anordnung nicht zweckmäßig, erreicht wurde. Bei Anordnung Abb. 270 werden die Wangenstege in den oberen Teilen für die Aufnahme der Zähne stärker gehalten wie in den unteren, und die Wangen oben abgebogen, so daß ihr Abstand, daher die Länge der Zähne, somit auch ihre Querschnitts-Abmessungen kleiner gehalten werden können, was eine Verstärkung der Radzähne ermöglicht und trotz des kleineren Maßeslein Aufsteigen des Zahnrads auf die oberen Wangeneisenflanschen vermieden wird. Die Zahnstangen der Bauart Klose (Württembergische Bahnen) haben die aus Abb. 273 ersichtliche Form. An den Stößen werden die Zahnstangenstücke durch Flach- und Winkellaschen verbunden.

Bauart Strub.

Die Zahnstange Bauart Strub (Abb. 274 und 275) besteht aus einem schienenartig geformten Träger, in dem die Zähne durch Aussägen und Fräsen hergestellt werden. Die Wangen und deren Übelstände fallen fort. Der Schienenkopf ist so geformt, daß Zangenbremsen verwendet werden können. Der Zahngrund ist von der Mitte nach beiden Seiten abgeschrägt, um ein leichteres Herausdrücken von Steinen u. dgl. zu ermöglichen. Die Verzahnung ist nach der Evolvente gebildet; die Zahnteilung beträgt 80–100mm.Das Gewicht der Stange bewegt sich von 31 bis 34kg/m.Die Zahnstange Strub hat gegenüber den vorher besprochenen Leiterstangen mit Wangen und eingenieteten Zähnen, so viele Vorzüge, daß sie bereits ausgedehnte Anwendung gefunden hat.

2.Stufenzahnstangen. Bauart Abt.

Nach Abb. 276 u. 277 besteht die Zahnstange aus 2 und 3 Flacheisenlamellen von 15–32mmStärke und etwa 110mmHöhe; man unterscheidet daher zwei- und dreiteilige Zahnstangen. Die Zähne der Lamellen sind gegeneinander um¹/₂und¹/₃der Teilungt,die in der Regel 120mmbeträgt, versetzt, ihre Form ist dieselbe wie bei den Leiterstangen. Die Zahnräder bestehen ebenfalls aus 2 und 3 Scheiben von 45–60mmStärke, deren Zähne ebenso wie die der Stangen gegeneinander versetzt sind. Es ist schwierig, den richtigen gleichzeitigen Eingriff der versetzten Radzähne in die Zahnplatten zu erreichen, da Herstellungsfehler, Bewegungen und verschiedene Abnutzungen nicht zu vermeiden sind. Das ist bei dreiteiliger Zahnstange in höherem Maße der Fall wie bei der zweiteiligen und da letztere auch für starke Belastungen ausreicht, so ist die dreiteilige Zahnstange auf 4 Fälle (Harzbahn, Bolanpaßbahn, Usuipaßbahn, Andenbahn) beschränkt geblieben, obwohl auch in diesen Fällen die zweiteilige Stange ausgereicht hätte. Zu den Platten wird Thomas- oder Siemens-Martin-Stahl mit etwa 5000kg/mm²-Festigkeit und etwa 20%Dehnung verwendet.

3.Liegende Doppelleiter Zahnstangen. Bauart Locher-Stehlin.

Da die Gefahr des Aufsteigens des Zahnrads auf die Zähne der Stange, namentlich beim Abwärtsfahren mit zunehmender Neigung wächst, so wurde für die Pilatusbahn, s. Bd. VIII, S. 82, (480‰Neigung) die in Abb. 278 dargestellte Zahnstange verwendet, in die 2 wagerecht liegende Zahntriebräder mit senkrechten Achsen eingreifen, deren unverrückbare Lage 2 Führungsräder sichern. Die Zahnteilung beträgt 85∙7mm.Die Zähne haben 40mm,die Räder 50mmBreite. Eine weitere Verwendung hat diese Zahnstange wegen der großen Kosten nicht gefunden, daher auch bei so bedeutenden Steigungen zumeist die Seilbahn der Zahnbahn vorzuziehen ist.

Bauart Peter.

Die Zahnstange Peter besteht wie die von Strub aus einem schienenartig geformten Träger Abb. 279, 280, 281, 282, in dessen Kopf aber beiderseits wagrechte Zähne ausgefräst werden, was eine zweckmäßige Anordnung ergibt. Die Zahnstange ist einfacher, daher auch billiger zu erstellen, wie die von Stehlin-Locher. Sie soll nicht nur für reine, sondern auch für gemischte Bahnen mit starken, über 250‰,hinausgehenden Steigungen verwendet werden, weil bei so großen Steigungen der richtige Eingriff des Rads in die Stange mit senkrechten Zähnen bei den noch angängigen Lokomotivgewichten nicht mehr voll gesichert werden kann. Es können auch hierbei, wie auf der Pilatusbahn leichte Triebwagen verwendet werden. Die Zahnstange mit den aus den Abb. 279, 280 u. 281 ersichtlichen Abmessungen wiegt 46∙8 – 56∙6kg/m.Für gemischten Betrieb werden besondere Einfahrtstücke angeordnet. Für bedeutende 300–400‰übersteigende Neigungen wird fürreineZ. wohl auch zumeist die Seilbahn billigere Anlagen ermöglichen. Die Zahnstange Peter ist für mehrere Bahnen mit großen Steigungen in Aussicht genommen und für die Bahn Karlsbad-Dreikreuzberg (500‰Größtneigung) im Bau (durch Kriegsausbruch behindert). Für gemischte Bahnen mit stark geneigten Zahnstrecken kann die Bauart Peter wohl in Frage kommen.

Die Zahnräder.

Die Durchmesser der Zahnräder betragen meist 550–1100mmmit etwa 17–35 Zähnen; sie sind durch die Lokomotivanordnung beschränkt. Nach Abb. 283 für eine Leiterstange ist die durch den ZentralpunktCgehende Tangente an den Grundkreis mit dem Halbmesserr₁=r∙sinβ worinrden Halbmesser des Teilkreises bezeichnet, die Eingriffslinie. Hiernach ist die Eingriffsstreckee=abund die Eingriffsdauer beit-Teilungd=e/t ∙ r/r₁die die gleichzeitig im Eingriff stehenden Zähne angibt. Fürd= 1 beginnt ein Zahn des Rads erst dann zu arbeiten, wenn der vorhergehende außer Eingriff ist; fürd= 2 stehen 2 Zähne, daher fürd> 1,d< 2 nur zeitweilig 2 Zähne im Eingriff. Bei den ausgeführten Leiterzahnstangen bewegt sich die Eingriffsdauer meist vond= 1∙08 bisd= 1∙44, daher ist auch zeitweilig nur ein Zahn im Eingriff. Ein Zahn muß um so länger allein arbeiten, je kürzer die Eingriffstrecke, daher die Eingriffsdauer ist. Die Zugkraft muß also zeitweilig nur von einem Zahn des Rads aufeinenZahn der Stange übertragen werden, dementsprechend ist die Zahnstärke zu bemessen.

Den Eingriff des Zahnrads für diezweiteilige AbtscheStufenstange zeigt Abb. 284. Hiernach befinden sich 4 Zähne des zweiteiligen Zahnrads in den Lücken der Stange und 2 Zähne im Eingriff. Die Eingriffsdauerdist wegen großer Teilungt= 120mm,kleiner Halbmesserrundr₁sowie kleiner Eingriffslängeesehr kurz und nahezu an der zulässigen Grenze, daher sehr genaue Ausführung von Rad und Stange erforderlich ist. Die Form eines Zahnrads fürLeiterzahnstangenmit den Zahnradübersetzungen zeigt Abb. 285. In der Mehrzahl werden die Zahnräder der Lokomotiven durch Vermittlung von Zahnradübersetzungen angetrieben. Da es schwierig ist, den richtigen gleichzeitigen Eingriff der Scheiben des Zahnrads bei denAbtschenzwei- unddreiteiligen Zahnstangenzu erreichen, so hat man auch die einzelnen Scheiben des Rads durch eingesetzte Stahlfedern ein wenig um ihre Achse drehbar gemacht, so daß eine Scheibe bei zu großem Raddruck infolge Zusammendrückens der Stahlfedern etwas nachgibt, wodurch die Zähne der übrigen Scheiben zum Anliegen und daher zur Druckübertragung gelangen. Die Radzähne wälzen sich auf den Flanken der Stangenzähne, sie müssen aber auch, da sich der Teilkreis des Rads auf der Teillinie der Stange wälzt, bis zum vollen Eingriff nach abwärts und dann wieder nach aufwärts gleiten. Um dieses Gleiten zu ermöglichen, müssen die Zahnräder entsprechend stark belastet sein. Die Größe der Belastung ist vom Fahrzeuggewicht, von der Anzahl der Zahnradachsen und von deren Lage zum Schwerpunkt des Fahrzeuges abhängig. Reicht die Belastung zur Überwindung des Gleitwiderstandes nicht aus, so besteht die Gefahr des Aufsteigens des Radzahns auf die Zähne der Stange, somit einer Entgleisung des Fahrzeuges. Die mindestens erforderliche Belastungqdes Zahnrads gegen Aufsteigen (β – φ) und gegen Ausgleiten (β + φ) gibt die Gleichung:

worinPdie in der Bahnneigung wirkende Belastung der Zahnstange durch die Zug- oder Bremskraft, α den Neigungswinkel der Bahn, β den Neigungswinkel der Flanke des Zahns der Stange und φ den Reibungswinkel (Radzahn auf Stangenzahn) bezeichnen (Abb. 286.). Die erforderliche Belastung des Zahnrads gegen Aufsteigen wächst mit der ZugkraftPmit zunehmendem Neigungswinkel der Bahn α, mit abnehmendem ∢ β der Flanke des Stangenzahns und zunehmendem Reibungswinkel φ. Da die übermäßige Belastung der Lokomotive unwirtschaftlich ist, so können für stark geneigte Bahnen nicht die Leiter- oder Stufenstangen, sondern die liegende Doppelleiterstange (Locher, Peter) verwendet werden, wobei eine Gefahr des Aufsteigens nicht besteht. Hierbei ist aber wohl in Erwägung zu ziehen, ob für stark geneigte Bahnen nicht die Seilbahn derreinenZ. vorzuziehen ist. Bei gemischten Bahnen können kurze steile Zahnstrecken zwischen längeren Reibungsstrecken angeordnet werden, daher in solchen Fällen allerdings die liegende Doppelleiterstange, namentlich die Bauart Peter, in Frage kommen kann. Über die Beanspruchung der Zahnstangen und Radzähne s. Literatur (Dolezalek).

Oberbau.

Der Oberbau der Z. besteht aus den beiden Laufschienen und der Zahnstange in der Gleisachse. Zumeist sind Eisenquerschwellen verwendet worden. Die Abb. 287, 288, 289, 290 und 291 zeigen den Oberbau der Wengernalpbahn, der Jungfraubahn, der Monte Generosobahn nach den Bauarten Riggenbach-Pauli, Strub und Abt. Die Spurweiten betragen bei älteren reinen Z. und bei gemischten Bahnen mehrfach 1∙435m,dann bis 0∙8mherab; neuestens wird fürreineZ. eine Spurweite von 1∙0mals die zweckmäßigste angesehen, da kleinere Spurweiten die Lokomotivbauten erschweren, auch die Stabilität gegen wagrechte Kräfte nicht genügend erscheint. Die kleinsten Krümmungshalbmesser gehen bis auf 60m,ausnahmsweise bis auf 30mherab. Spurerweiterungen werden in allen Bögen ausgeführt, in welchen der vorhandene Spielraum zwischen Rad und Schiene nicht mehr ausreicht. Der in Kiesbettung liegende Oberbau wird bei größeren Neigungen gegen Verschiebung nach abwärts gesichert, entweder durch eingerammte Eisenpfähle oder durch Mauerwerkskörper, gegen die sich einzelne Schwellen stützen. Auf der Pilatusbahn mit 480‰Größtneigung liegt der Oberbau durchwegs auf einem durchlaufenden Mauerwerkskörper und ist mit diesem verankert. An denÜbergängen der Reibungsbahnzur Z. auf den vereinigten Reibungs- und Z. werdenbewegliche Einfahrtstückeangeordnet, die den Eingriff der Rad in die Stangenzähne sichern. Sie bestehen aus kurzen Zahnstangenstücken, die im Anschluß an die Zahnstange um eine wagrechte Achse drehbar, senkrecht beweglich und auf Federn gelagert sind, damit beim Auffahren des Rads auf die Stange und bei etwaigem Aufeinandertreffen der beiderseitigen Zahnköpfe Aufsteigen des Fahrzeuges und Beschädigen der Zähne durch das Nachgeben des Einfahrtstücks verhindert, dieses aber beim Eingriff des Rads in die Stangenzähne in die ursprüngliche Lage zurückgeführt wird. Die Möglichkeit des Eingriffs wird meist durch Abschrägen der Zähne am Anfang des aus Platten hergestellten Einfahrtstückes erzielt, wie z.B. Abb. 292 eines Einfahrtstücks aufAbtschen gemischten Z. zeigt. Ein Einfahrtstück für gemischte Bahnen mit liegender Doppelleiterstange, Bauart Peter, mit wagrecht liegenden Federn zeigt Abb. 293. Hierbei ist ein kurzes, einseitiges Zahnstangenstück wagrecht und mittels 4 Federn beweglich gelagert.

Die EinfahrtstückeEwerden in der Reibungsstrecke vor Beginn der Zahnstrecke mit steilerer Neigung verlegt (s. Abb. 294). Werden die Zügegeschoben, so ist am unteren Ende der Zahnstrecke in die Reibungsstrecke auf ZuglängeLeine Zahnstange einzulegen, damit die Zahnradlokomotive zur Mitarbeit gelangt, sobald die Spitze des Zugs die steile Zahnstreckenneigung erreicht. Zur Sicherung wird zwischen EinfahrtstückEund dem Anfang der Steilstrecke in der Reibungsstrecke noch ein kurzes Zahnstangenstückneingelegt.

Weichen.

Anfänglich dienten zur Verbindung von Zahnbahngleisen Drehscheiben und Schiebebühnen. Später hat man besondere Weichen für Zahngleise verwendet, die außer den gewöhnlichen für Reibungsbahnen gebrauchten.

Einrichtungen noch besondere Anordnungen für die Zahnstange erhalten. Die ersten Weichen (Bauart Abt) zeigt Abb. 295. Hierbei wird die innerhalb der Weiche einteilige Zahnstange an den Kreuzungsstellen mit den Laufschienen unterbrochen. Die anschließenden einplattigen Zahnstangenteile werden je an einem Ende drehbar gemacht und am anderen durch einen Winkelhebel so miteinander verbunden, daß sie durch ein gemeinsames Gestänge in entgegengesetzter Richtung bewegt werden. Die Zahnstange wird hierdurch an der Unterbrechungsstelle so nahe an die Laufschiene angeschlossen, daß die zweiteiligen Zahnräder sicher über sie hinweggeführt werden. Später hat man die Unterbrechung vermieden und die beiden gegeneinander versetzten einteiligen Zahnstücke über die Laufschienen ohne Unterbrechung hinweggeführt, wie Abb. 296 zeigt. Die Weichen der BauartStrubzeigt Abb. 297. An der Kreuzungsstelle läuft die Zahnstange ohne Unterbrechung über die Laufschienen. Die hier drehbar gelagerten Stangenstücke haben den Querschnitt der Zahnstange Strub. Das Zahnstangenstück an der Weichenspitze zwischen der Zungenvorrichtung ist drehbar auf Gleitstühlen gelagert. Die Bewegung der Weichenzungen, des Zahnstangenstücks der Ausweichvorrichtung und der Zahnstangenstücke an den Kreuzungsstellen mit den Laufschienen erfolgt gleichzeitig mittels des Weichenhebels.

Betriebsarten.

Auf denreinenZ. bestehen die Züge je nach den Neigungsverhältnissen aus einer Lokomotive und 1–3 Wagen, oder aus einem Triebwagen ohne, mit einem oder auch mit 2 Anhängewagen. Die Lokomotive oder der Triebwagen ist für Berg- und Talfahrt stets talwärts angeordnet, so daß die Wagen bergauf geschoben, bergab gehemmt werden; die Kupplungen mit den Wagen werden hierbei nicht beansprucht. Kupplungen fehlen daher auch, meistens jedoch sind solche vorhanden, um die stoßweisen Bewegungen der Fahrzeuge infolge Voreilens nicht gekuppelter Wagen zu verhindern; sie sind aber jedenfalls so einzurichten, daß eine sofortige leichte Trennung der Lokomotive von den Wagen im Gefahrsfall möglich ist. Die Fahrgeschwindigkeit auf den reinen Z. bewegt sich meist von 6 bis 12km/Std., nur ausnahmsweise etwas mehr, damit der richtige Zahneingriff in jedem Fall gesichert werden kann und auch die Lokomotivzugkraft nicht zu groß ausfällt.

Auf dengemischten Bahnenwerden die Wagen teils geschoben, teils gezogen. Namentlich in längeren Reibungsstrecken ist es zweckmäßig, die Wagen zu ziehen; die Lokomotive befindet sich an der Spitze des Zuges, so daß abgesehen von den geringeren Neigungsverhältnissen, bei größerer Sicherheit mit größerer Geschwindigkeit gefahren werden kann, als auf den steileren Zahnbahnstrecken. Das Ziehen der Züge auf den steilen Zahnstrecken, wobei Zugkräfte auch von 12.000–15.000kgentwickelt werden, ist nur bei ausreichend starken Wagenkupplungen zulässig. Da die Kupplungen der Fahrzeuge der Reibungsbahnen, die auf die gemischten Bahnen übergehen, meist keine nennenswert größeren Zugkräfte wie etwa 10.000kgaufnehmen können, werden die Wagen auf den Zahnstrecken der gemischten Bahnen in der Regel geschoben. Auf den Zahnbahnstrecken wird mit 9–12km/Std., ausnahmsweise etwas mehr, auf den Reibungsstrecken mit 15–45km/Std. gefahren, meist nicht viel über 30km/Std. Der Betrieb auf den gemischten Bahnen kann in der Weise erfolgen, daß auf den Reibungsstrecken nur Reibungslokomotiven, auf den Zahnstrecken nur Zahnradlokomotiven die Züge ziehen bzw. schieben; oder die Züge werden auf Reibungs- und Zahnstrecken von Reibungslokomotiven gezogen, auf den Zahnstrecken unterstützt eine am Zugende angesetzte schiebende Zahnradlokomotive die ziehende Reibungslokomotive, oder die Züge werden durchweg von gemischten Lokomotiven, die für Reibungs- und Zahnradbetrieb eingerichtet sind, gezogen oder geschoben. Bei häufigem Wechsel von Reibungs- und Zahnstrecken ist die letztgenannte Betriebsart die zweckmäßigere, wenn auch in den Reibungsstrecken das durch die Einrichtungen für den Zahnradbetrieb vermehrte Lokomotivgewicht mitgeschleppt werden muß (s. auchGemischte BahnenBd. V, S. 272).

Lokomotiven.

Auf den reinen und gemischten Z. sind Dampflokomotiven, elektrische Lokomotiven und Triebwagen in Verwendung. Die Dampflokomotiven haben gegenüber den elektrischen die Vorteile der Unabhängigkeit vom Kraftwerk, der Möglichkeit rascher Erhöhung der Leistungsfähigkeit durch Beschaffung von Lokomotiven, die Vermeidung von Kraft Verlusten durch starke Übersetzungen und der geringeren Anlagekosten, dagegen die Nachteile größeren Gewichts bei gleicher Leistung, daher unter gleichen Verhältnissen geringere Nutzlast, ungünstiger Dampfausnutzung, ungleichförmigen Ganges, stärkeren Geräuschs und Rauchentwicklung, neuestens auch die schwierige und kostspielige Beschaffung des Brennstoffs. Wo daher Wasserkräfte leicht zu gewinnen sind wie meist im Gebirge, wird der elektrische Betrieb dem Dampfbetrieb vorzuziehen sein. Bei Verwendung elektrischer Triebwagen fällt das Eigengewicht noch kleiner aus wie bei elektrischen Lokomotiven. Da zur Sicherung des Zahneingriffs eine bestimmte Belastung erforderlich ist, muß auch der Triebwagen ein entsprechend großes Gewicht erhalten, da die Größe der Nutzlast veränderlich ist und sehr klein werden kann.

DieDampflokomotiven der reinenZ. haben 1 oder 2 Zahntriebräder und bei 1 Zahntriebrad meist noch 1 Bremszahnrad, was aus Sicherheitsgründen zu empfehlen ist. Eine Lokomotive mit 3 Zahntriebrädern ist, soweit bekannt, nur in einem Fall (siehe Pikes-Peak-Bahn, Band VIII, S. 82) zur Anwendung gekommen. Die Ansichten über die; Zweckmäßigkeit der Lokomotiven mit 1 und 2 Zahntriebrädern sind geteilt; da im letzteren Fall bei nicht sehr genauer Ausführung und Erhaltung häufig nur 1 Zahnrad im Eingriff sich befindet und die den Auftrieb hindernde Belastung für 2 Zahnräder geringer ausfällt.

Es werden Lokomotiven mit 1 und 2 Triebzahnrädern gebaut. Es genügt aucheinZahntriebrad, das tunlichst nahe der Schwerachse der Lokomotive zu legen ist, namentlich wenn noch ein Bremszahnrad vorhanden ist. Die Lokomotive Nr. 12 der mit der Spurweite von 1∙435mversehenen Vitznau-Rigi-Bahn aus dem Jahre 1902 zeigen die Abb. 298, 299 und 300, gebaut von der Lokomotivfabrik Winterthur. Sie haben ein ZahntriebradT,das durch Vermittlung der Übersetzung durch Schwungradb₁von den ZylindernCangetrieben wird. Auf der hinteren LaufachseLsitzen das Bremszahnrad und die Bremsscheibenb₂. Die Lokomotiven haben 891mmZahntriebraddurchmesser, 2∙9mfesten Radstand, 290mmZylinderdurchmesser, 450mmHub, 12 Atm. Kesselspannung, 0∙93m²Rostfläche, 1∙07mKesseldurchmesser, 14∙9tLeergewicht, 18∙8tDienstgewicht. Später wurden für die Rigibahn von der Winterthurer Lokomotivfabrik schwerere Lokomotiven mit 2 Zahntriebrädern und 4 großen sowie 2 kleinen Laufrädern gebaut, die 19tLeergewicht und 23tDienstgewicht haben und eine Zugkraft von rd. 11.000kgentwickeln sollen. Die Zahntriebräder haben 732mm,die großen Laufräder 744mm,die kleinen Laufräder 600mm,die Zylinder 340mmDurchmesser. Der Kolbenhub beträgt 450mm,der gesamte Radstand 4∙2m.Die Lokomotive fährt einen Zug mit 120 Reisenden von zusammen 43tmit 10km/Std. Geschwindigkeit über die mit 250‰Größtneigung ausgeführte Bahn.

Lokomotiven mit 2 Zahntriebrädern, wie sie z.B. auf derWengernalp-,Snowdon-,Schafberg-undSchneebergbahnmit 0∙8mund 1∙0mSpurweite (s.d., Bd. VIII, S. 306 u. 384) im Betrieb waren bzw. noch sind, zeigen Abb. 301 u. 302. Hierbei erfolgt der Antrieb durch Vermittlung einer einarmigen SchwingeRmit dem tiefliegenden Drehpunkta.Es wird die mittlere Achse, auf die das 1. ZahntriebradT₁aufgezogen ist, angetrieben, wodurch gleichmäßigere Kraftübertragung und größere Sicherheit gegen Entlastungen erreicht werden soll. Die hinterste Laufachse ist in einem Bissel-Gestell drehbar gelagert. Die Lokomotiven haben 573mmZahntriebraddurchmesser, 1 : 1∙5 Übersetzungsverhältnis, 1∙35 bis 1∙47mfesten Radstand, 300–320mmZylinderdurchmesser, 600mmHub, 14 Atm. Kesselspannung, 12∙3 – 16tLeergewicht und 15∙6 bis 18tDienstgewicht.

DenBremseinrichtungender Lokomotiven muß besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden. Da die in der Bahnneigung wirkende Seitenkraft der Schwerkraft des Zuges weit größer ist als die Zugwiderstände, so erfolgt die Talfahrt im gebremsten Zustand. Es werden meist mehrere Bremsen verwendet, damit beim Versagen der einen andere zur Verfügung stehen; auch sind selbsttätige Bremsen, die den Zug bei Überschreitung der größten zulässigen Geschwindigkeit anhalten, zu empfehlen. Zumeist sind die Lokomotiven auf reinen Z. mit folgenden Bremsen versehen: 1. Luftdruck-Gegenbremse zur Regelung der Talfahrt; 2. Zahnradbremsen, bestehen aus Keilbremsscheiben auf den Achsen der Triebräder, der Bremsräder oder der Vorlege-Kurbelachsen, in die Klötze oder Bänder aus Bronze oder Gußeisen, bei Bandbremsen auch aus Holz eingreifen; 3. selbsttätige Bremsen sind in der Regel auf 9–10km/Std. Fahrgeschwindigkeit eingestellte Schwungkraftregler.

Über den Dampftriebwagen derPilatusbahns. Pilatusbahn Bd. VIII, S. 82.

Die Dampflokomotiven dergemischten Bahnen, in denen Antriebe der Reibungsräder und der Zahnräder in einer Maschine vereinigt sind, haben 1 oder 2 Zylinderpaare, 1 oder 2 Triebzahnräder, 2–4 Reibungstriebachsen und 1–2 Laufachsen. In den Reibungsstrecken arbeiten die Reibungszylinder, in den Zahnstrecken sowohl diese wie die Zahnradzylinder, so daß die gesamten Zugkräfte zur Wirkung gelangen. Bei Lokomotiven mit einem Zylinderpaar werden Reibungs- und Zahnräder durch dieses angetrieben; bei den Lokomotiven mit 2 Zylinderpaaren ist das eine für den Antrieb der Reibungsräder, das andere für den Antrieb der Zahnräder bestimmt, wobei auch Verbundwirkung zur Anwendung kommt.

Die Anordnung gemischterLokomotiven mit einem Zylinderpaar, wie sie vorerst z.B. auf der Brünigbahn (Schweiz) und Padangbahn (Sumatra) verwendet, später aber durch Vierzylindermaschinen ersetzt wurden, zeigt Abb. 303. Es bezeichnenTdas Zahntriebrad,V, vdie Übersetzung,Rdie Reibungstriebräder,bdas Schwungrad,c, d, edie Kupplung der 3 Achsen. Diese Anordnung hat die Nachteile, daß die Achse des Zahntriebrads im abgefederten Lokomotivrahmen gelagert ist, daher bei etwas größerer Geschwindigkeit der sichere Eingriff des Zahnrads in die Stange leide, und der kleinen Zugkraftsgrößen. Sie haben allerdings gegenüber den Lokomotiven mit 2 Zylinderpaaren den Vorzug größerer Einfachheit, kleineren Gewichts und geringerer Kosten; für kleinere Zugkräfte können sie daher noch immer in Frage kommen. Für größere Zugkräfte sind sie aber durch 4 Vierzylindermaschinen ersetzt worden.

Lokomotiven mit 2 Zylinderpaaren und einem Triebzahnrad.

Nach Abb. 304 wird durch das ZylinderpaarCdie Reibungsachse 2 angetrieben, die Achsen 1 und 3 sind mit ihr gekuppelt. Das drehbar auf die Reibungsachse gesetzte TriebzahnradTwird durch das ZylinderpaarC₂durch das Übersetzungszahnradvangetrieben. Auf Achse 1 sitzt das BremszahnradBmit den Bremsscheiben. Ein Beispiel einer hiernach auf denBerner Oberlandbahnenmit 1∙0mSpurweite seinerzeit verwendeten Lokomotive zeigen Abb. 305 u. 306. (Die Berner Oberlandbahnen sind seither elektrifiziert worden.) Die Reibungsräder haben 915mm,das Zahnrad 764mmDurchmesser. Das ÜbersetzungsverhältnisV : Tist 1 : 1∙84. Die Zylinder der Reibungsmaschine haben 320mmDurchmesser und 450mmHub, die der Zahnradmaschine 320mmDurchmesser und 400mmHub. Der Kesseldruck beträgt 12 Atm. Das Leergewicht ist 23∙6t,das Dienstgewicht 28∙5t;die Achsstände betragen 1∙2 und 1∙5m.In den Reibungsstrecken wurde mit 18–30km/Std., in den Zahnstrecken mit 8–12km/Std. gefahren.

Für dieBrünigbahnmit 1∙0mSpurweite wurden neue Vierzylindermaschinen mit 1 Triebzahnrad, 1 Bremszahnrad und 3 Reibungsräderachsen von der Winterthurer Maschinenfabrik erbaut nach Abb. 307, Auf den Reibungsstrecken arbeitet die Maschine als Zwillingslokomotive, auf den Zahnstrecken als Verbundlokomotive. Die Reibungszylinder wie die Zahnradzylinder haben 380mmDurchmesser und 450mmHub. Das Übersetzungsverhältnis des Zahnrads ist 1 : 2∙2. Die Reibungstriebräder haben 910mm,das Zahntriebrad 860mmDurchmesser. Das Leergewicht der Maschine beträgt 23∙5t,das Dienstgewicht 30t.Die Reibungszugkraft wird mit 5000kg,die Zahnzugkraft mit 6000kg,daher die Gesamtzugkraft in den Zahnstrecken mit 11.000kgangegeben. Auf den Reibungsstrecken mit 20‰Größtneigung wird mit 20 bis 30km/Std., auf den Zahnstrecken wird bei einer Zuglast von 50tauf 120‰Größtneigung mit 11km/Std. gefahren.

Für die Holländischen Staatsbahnen auf Sumatra mit 1∙067mSpurweite, in den Zahnstrecken mit Riggenbach-Zahnstange, sind von der Winterthurer Lokomotivfabrik neuestens gemischte Vierzylinderlokomotiven nach nebenstehenden Abb. 308 u. 309 geliefert worden. Die Lokomotive mit 5 Reibungstriebrädern und 1 Zahntriebrad ist eine Heißdampfverbundlokomotive, Dampfdruck 14 Atm., ihr Leergewicht beträgt rd. 42t,ihr Dienstgewicht 52t,der Gesamtradstand 5∙0m.Die Reibungstriebräder haben 1 ∙0m,das Zahntriebrad 0∙975m,die Zylinder 0∙450mDurchmesser; der Kolbenhub beträgt 0∙52mund das Zylinderverhältnis 1 : 2∙033. Diese Lokomotive fördert 200tangehängter Last auf der Steigung von 50‰mit 10km/Std. Geschwindigkeit. Weitere Einzelheiten dieser Lokomotive s. Literatur.

Die Lokomotiven mit 2 Zylinderpaaren und 2 Zahntriebrädern.

Die Mehrzahl der Lokomotiven für gemischten Betrieb gehört dieser Klasse an. Für starke Steigungen und große Zugkräfte werden diese Lokomotiven denen mit nur einem Zahntriebrad vorgezogen, wobei allerdings die schon vorher bei den Lokomotiven für reine Z. hervorgehobenen Übelstände bestehen. Der Antrieb der Zahnräder erfolgt entwederunmittelbaroder durch Vermittlung einerSchwingenübersetzungoder einerZahnradübersetzung.

Die Lokomotiven mitunmittelbaremAntrieb der Zahnräder, wie sie von Abt gebaut wurden, zeigt Abb. 310. Die Lokomotiven Abb. 311 wurden z.B. auf der gemischten Bahn vonEisenerznachVordernbergin Steiermark mit 1∙435mSpurweite und Größtsteigungen von 26‰in den Reibungsstrecken und 71‰in den Zahnstrecken und 180mkleinem Krümmungshalbmesser verwendet. Die Reibungsräder haben 1∙05m,die Zahnräder 0∙688m,die Zylinder 0∙48 und 0∙42mDurchmesser. Die Kolbenhübe betragen 0∙5 und 0∙45m,der Kesseldruck 11 Atm., das Dienstgewicht 57t,das Reibungsgewicht 43t,der volle Achsstand 5∙0m,der Abstand der beiden Zahnräder 1∙05m.In den Reibungsstrecken wird mit 30km/Std., in den Zahnstrecken mit 12km/Std. gefahren.

Ganz ähnliche Größenverhältnisse weisen auch die Lokomotiven auf der vollspurigen gemischten Bahn vonIlmenau nach Schleusingenauf.

Schwingenübersetzungwurde von Abt für die ersten von ihm erbauten Vierzylinderlokomotiven gebraucht. Diese Bauart hat er aber später verlassen. Die Lokomotiven der vollspurigenHarzbahn von Blankenburgnach Tanne, mit Größtneigungen von 25‰in den Reibungsstrecken und 60‰in den Zahnstrecken, die mit dreiteiligen Abtschen Zahnstangen versehen sind, waren nach dieser Bauart ausgeführt und hatten 56tDienstgewicht, 47tLeergewicht, 43∙5tReibungsgewicht und in den Zahnstrecken bei 12km/Std.-Geschwindigkeit eine Zugkraft von 11.500km.Diese Lokomotiven wurden jüngst ersetzt durch reine Reibungslokomotiven mit 5 Trieb- und 2 Laufachsen, 100tDienstgewicht und 75tReibungsgewicht, sie können also höchstens eine Zugkraft von 11.500kgentwickeln, aber mit größerer Geschwindigkeit fahren, auch dürften die Reparaturkosten geringer ausfallen. Den Vorteilen der erhöhten Geschwindigkeit, die mit Rücksicht auf Personalkosten und Fahrparkausnutzung immerhin nicht unbedeutend sind, stehen die Nachteile einer um etwa 50tgrößeren Lokomotivlast mit größerer Fahrgeschwindigkeit, daher des größeren Kohlenverbrauchs für gleiche Nutzlasten und die für die Beanspruchung der Laufschienen weit ungünstigere Lastverteilung, wodurch rascherer Schienenverschleiß bedingt ist, gegenüber. Auch ist die Talfahrt auf den Steilstrecken nicht in dem Maße gesichert, wie bei den mit Zahnrädern versehenen gemischten Lokomotiven.

Zahnradübersetzungenan Vierzylindermaschinen mit 2 Zahntriebrädern sind mehrfach ausgeführt. Namentlich sind solche nach Anordnung von Klose, Lokomotiven mit Verbundwirkung von der Maschinenfabrik Eßlingen, für die gemischten Linien in Württemberg gebaut worden. Aus nebenstehender Abb. 312 ist der Antrieb der ReibungsräderRund TriebzahnräderTmittels des ZahnkolbensVund der Ellipsenlenkerc d e f gzu ersehen. Abb. 313 zeigt eine hiernach ausgeführte Lokomotive der Staatsbahnen in Württemberg mit einem Dienstgewicht von 54t,einem Leergewicht von 43,7t,und einem Reibungsgewicht von 42t,mit Zylinderdurchmesser von 420mm.Kolbenhübe von 620 und 540mm,Reibungstriebraddurchmesser 1∙23, Zahnraddurchmesser 1∙08, Übersetzungsverhältnis 1 : 2∙26, Kesseldruck 14 Atm.

AnBremsensind in der Regel vorhanden: Eine Luftdruckbremse zur Regelung der Geschwindigkeit auf der Talfahrt; auch selbsttätige Geschwindigkeitsbremsen; Bremsen auf die Triebzahnräder oder das Trieb- und Bremszahnrad wirkend, Bremsen der Reibungsachsen. Vakuumbremsen, die auch auf die Reibungs- wie auf die Zahnradachsen als auch auf die Fahrzeuge des ganzen Zuges wirken.

Elektrische Lokomotiven und Triebwagen.

Lokomotiven und Triebwagen für reine und gemischte Zahnbahnen werden mit Gleichstrom 450–1500 Volt oder Drehstrom mit 450–750 Volt Fahrdrahtspannung betrieben. Einphasiger Wechselstrom ist, soweit bekannt, für Z. noch nicht gebraucht worden. Für die Stromzuführung kommt zweckmäßig Oberleitung über dem Gleis in Frage. Schienen und Zahnstange können als Rückleitung benutzt werden. Drehstrom ist meist dann zweckmäßig, wenn der Strom in großer Entfernung von der Bahn erzeugt wird, was meist bei Ausnutzung von Wasserkräften der Fall ist. Entweder werden hochgespannte Drehströme von 5000–7000 der Gebrauchstelle zugeführt und dort in Drehströme niedriger Spannung umgeformt, was durch einfache Umformer ohne Bedienung erfolgt, oder der Drehstrom von hoher Spannung wird an der Gebrauchstelle in Gleichstrom von niedriger Spannung umgeformt. In der Mehrzahl der Fälle wurde Gleichstrom verwendet, der gegenüber dem Drehstrom viele Vorteile hat, die in der größeren Einfachheit der Anlage, in der leichten Steigerung der Leistungsfähigkeit, in der Unabhängigkeit der talwärts fahrenden Züge von der Anlage und der Leitung bestehen.Lokomotivbetrieb mit Gleichstromverwenden z.B. die Bahnen: Aigle-Leysin, Bex-Gryon-Villars, Triest-Opcina, Vesuvbahn, Martigny-Chatelard, Wendelsteinbahn, Lyon-Fourvière, Mattarone-Bergbahn, Wengernalpbahn, die Schöllenenbahn, die Bahn Montreux-Glion u.a.m.Triebwagen mit Gleichstromz.B. die Bahnen auf den Mont Salève, Barmen-Toelleturm, Monte Carlo, Stuttgart-Degerloch u.a.m.Lokomotivbetrieb mit Drehstromz.B. die Gornergrat- und Jungfraubahn, die Bahn Stanstad-Engelberg, die Usuipaßbahn (seit 1912) und die Monthey-Champery-Bahn.

Wie für den Dampfbetrieb werden auch elektrische Lokomotiven und Triebwagen mit 1 oder 2 Triebzahnrädern oder mit einem Trieb- und einem Bremszahnrad gebaut.

Die Anordnung einer elektrischen Lokomotive für Drehstrom mit 2 Zahntriebrädern für eine reine Z., wie sie für die Jungfraubahn mit 250‰Größtneigung (s.d. Bd. II, S. 211 und Bd. VI, S. 312) erbaut wurde, zeigen Abb. 314 und 315.

Die Lokomotiven haben 2 Antriebe von je 120 PS. mit Drehstrom von 450–550 Volt und 750 Umdrehungen in der Minute, die Fahrgeschwindigkeit beträgt etwa 8km/Std.; die Zugkraft etwa 6500kg,das Gewicht 13∙5tDie ZahntriebräderT₁T₂haben 700mmDurchmesser; die Zahnradübersetzungenu₁/U₁undv₁/V₁geben zusammen das Übersetzungsverhältnis 1 : 12∙66.

Eine mit Drehstrom von 750 Volt Spannung betriebene elektrischegemischte Lokomotivemit einem Trieb- und einem Bremszahnrad, wie sie auf der vereinigten Reibungs- und Z. mit 1∙0mSpurweite von Stanstad nach Engelberg (Schweiz) in Verwendung ist, zeigen Abb. 316 und 317.

Die beiden TriebmaschinenM₁undM₂treiben durch die Übersetzungenu U, v Vdas auf derhohlenAchseAbefestigte ZahntriebradTan. Durch die hohle AchseAgeht die Kurbelachse, die mit den ReibungsachsenRRgekuppelt ist. Mittels des ZahnradpaarsV₂v₂kann die Kurbelachse unmittelbar angetrieben werden und damit auch die ReibungsachsenR.Das untere Zahnradv₂sitzt auf der durch die hohle AchseAgehenden Kurbelachse, das obere ZahnradV₂auf der Achsea;letzteres ist ausrückbar und hat Reibungskupplung, so daß es außer Eingriff mit dem unteren Zahnradv₂gebracht werden kann. Auf der vorderen Reibungsachse sitzt lose das BremszahnradB.Bremsscheibenb₁, undb₂sind zu beiden Seiten des Trieb- und Bremszahnrads angeordnet. Auf den Zahnstrecken wird das TriebzahnradTallein angetrieben, es werden die ZahnräderV₂v₂außer Eingriff gesetzt, Kurbelachse und Reibungsachsen laufen lose mit. Auf den Reibungsstrecken werden die StirnräderV₂v₂in Eingriff gebracht, so daß die mit der Kurbelachse gekuppelten Reibungsachsen angetrieben werden; das Zahntriebrad läuft ohne Eingriff mit, da Zahnstange fehlt.

Die Leistung beider Triebmaschinen beträgt bei 12tLokomotivgewicht etwa 150 PS.; die Zugkraft auf der mit 250‰geneigten Zahnstrecke wird mit 7500kg,auf der mit 50‰geneigten Reibungsstrecke mit 1800kgangegeben (s. Stanstad-Engelberg-Bahn, Bd. IX, S. 146).

Über gemischte Triebwagen für den elektrischen Betrieb auf der vereinigten Reibungs- und Z.Martigny-Chatelard, wo viermotorige Triebwagen in Verwendung stehen, s.Elektrische Lokomotiven, Bd. IV, S. 279 undMartigny-Chatelard, Bd. VII, S. 246.

Neigungsverhältnisse der reinen und gemischten Z.

Die obere Neigungsgrenze derreinenZ. ist durch die Bedingung gegeben, daß das Aufsteigen oder Ausgleiten der Radzähne in allen Fällen, namentlich beim Anhalten durch Bremsen auf der Talfahrt, vermieden und bei gegebener Zugbelastung der durch die Festigkeit der Radzähne und Zahnstange begrenzte Zahndruck eingehalten werden muß. Bei den neueren ausgeführten reinen Z. beträgt die größte Neigung nicht mehr als 250‰,wobei auch bei kleineren Lokomotivbelastungen die Gefahr des Aufsteigens vermieden werden kann und noch ein wirtschaftlicher Betrieb bei einer nicht zu geringen Nutzlast möglich wird. Nur bei einigen älteren Z. ist man über diese Neigung hinausgegangen, wie z.B. an der Mount-Washington-Bahn in Nordamerika, die mit 370‰Größtneigung ausgeführt wurde. Die Pilatusbahn in der Schweiz hat zwar 480‰Größtneigung; hier ist aber die liegende Doppelleiterstange Bauart Locher-Stehlin zur Anwendung gekommen, wobei der sichere Eingriff der Räder in die Zahnstange von der Lokomotivbelastung unabhängig ist. Bei dengemischten Reibungs- undZ. sind die Größtneigungen von der Betriebsart, der Lokomotivform und der Zugbelastung abhängig. Bei den ausgeführten Bahnen bewegen sich die Größtneigungen auf den Reibungsstrecken zumeist von 20 bis 35‰,auf den Zahnstrecken von 50 bis 150‰;in wenigen Fällen mehr oder weniger. Außergewöhnlich große Neigungen haben z.B. erhalten die gemischten Bahnen:Stanstad-Engelberg(Schweiz) mit 50‰in den Reibungs- und 250‰in den Zahnstrecken, dieRittnerbahn(Tirol) mit 45‰in den Reibungs- und 255‰in den Zahnstrecken, dieWendelsteinbahn(Bayern) mit 37‰in den Reibungs- und 235‰in den Zahnstrecken, die BahnMartigny-Chatelard(Schweiz) mit 70‰in den Reibungs- und 200‰in den Zahnstrecken, die BahnDiakophto-Kalavryta(Griechenland) mit 35‰in den Reibungs- und 145‰in den Zahnstrecken,Furkabahn(Schweiz) mit 40‰in den Reibungs- und 110‰in den Zahnstrecken. Bei den gemischten Vierzylinderdampfmaschinen ist das Verhältnis der Größtneigung auf der Reibungsstrecke zu der auf der Bahnstrecke durch die Lokomotivbauart gegeben, wenn für beide Bahnstrecken eine volle Ausnutzung der Lokomotivzugkraft erreicht werden soll. Die Neigung der Z. für gemischte Vierzylinderlokomotiven folgt hierbei aus der Gleichung:

S_z=C ∙ S_r(CW_r– W_z).

Es bezeichnenS_zS_rdie Neigungen auf den Zahn- und Reibungsstrecken,Ceinen Wert, der von der Lokomotivbauart abhängig ist und der gesetzt werden kann:

worinZ_rundZ_zdie Zugkräfte der Lokomotive für den Antrieb der Reibungsräder und der Zahnräder bezeichnen.W_rundW_zbezeichnen die Laufwiderstände in den Reibungs- und Zahnstrecken. Auf gemischten Bahnen, die mit solchen Lokomotiven betrieben werden, finden sich bei Größtneigungen von 20–25‰in den Reibungsstrecken meist Größtneigungen von 50–70‰in den Zahnstrecken, in wenigen Fällen 100–120‰in letzteren Fällen ist die mögliche größte Zugbelastung auf den Zahnstrecken kleiner wie auf den Reibungsstrecken. Vor dem Krieg standen in der Schweiz 29, in Deutschland 18, in Österreich-Ungarn 16, und in allen Teilen der Erde etwa 140 Z. in Betrieb. NachPeterschwanken die Kosten der reinen Z. in der Schweiz zwischen 170.000 bis 970.000 Frs./km,die der gemischten Bahnen von 100.000 bis 320.000 Frs./km.Die mittlere Verzinsung des gesamten Anlagekapitals dieser Bahnen betrug vor dem Krieg etwa 3∙8%

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Dolezalek.

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