Eine gewöhnliche Eisenbahn fährt, weil Stahl auf Stahl haftet. Diese Haftung ist gering: Auf trockener Schiene liegt der nutzbare Reibwert im Bereich weniger Prozent der Radlast, bei Nässe, Laub oder Raureif noch tiefer. Deshalb endet der reine Adhäsionsbetrieb im Bahnbau je nach Fahrzeug bei rund sieben bis zehn Prozent Steigung. Alles darüber verlangt eine andere Lösung.
Diese Lösung ist die Zahnstange: ein drittes, gezahntes Element in der Gleismitte, in das ein angetriebenes Zahnrad des Fahrzeugs formschlüssig eingreift. Damit hängt die Zugkraft nicht mehr an der Reibung, sondern an der Festigkeit von Stahl. Steigungen von zwanzig, dreissig, in einem Fall sogar achtundvierzig Prozent werden damit befahrbar.
Vier Systeme, ein Prinzip
Die Schweiz ist das Land, in dem die wichtigsten Zahnstangensysteme entwickelt und gebaut wurden. Niklaus Riggenbach baute eine Leiterzahnstange aus Rundstäben zwischen zwei Profilen, robust und einfach zu warten. Roman Abt ersetzte sie durch senkrecht stehende Lamellen, meist zwei oder drei versetzt angeordnet, damit immer ein Zahn im Eingriff bleibt und der Lauf ruhiger wird. Emil Strub vereinfachte das Ganze zu einer einzigen breiten Zahnstange mit kopfförmigem Profil.
Für die extremste Aufgabe entwarf Eduard Locher ein System, das die Zähne nicht oben, sondern seitlich anordnet: Zwei liegende Zahnräder greifen von links und rechts ein und umklammern die Zahnstange. Damit lässt sich die Bahn auf den Pilatus bauen, deren Steilstrecke achtundvierzig Prozent erreicht und die als steilste Zahnradbahn der Welt gilt. Bei diesem System kann das Fahrzeug technisch nicht aus der Zahnstange springen, weil es sie umfasst.
| System | Bauform der Zahnstange | Wofür es gebaut wurde |
|---|---|---|
| Riggenbach | Leiter aus Rundstäben zwischen zwei Profilen | Erste Bergbahnen, hohe Robustheit |
| Abt | Zwei bis drei versetzte Lamellen | Ruhiger Lauf, gemischter Adhäsions- und Zahnradbetrieb |
| Strub | Eine breite Zahnstange mit Kopfprofil | Einfacher Unterhalt, mittlere bis grosse Steigungen |
| Locher | Seitlich verzahnt, von zwei Rädern umklammert | Extremsteigungen bis achtundvierzig Prozent |
Warum die Bergfahrt der einfachere Teil ist
Bergwärts arbeitet der Antrieb gegen die Schwerkraft, und die Schwerkraft ist berechenbar. Fällt die Kraft aus, kommt der Zug zum Stehen. Talwärts ist es umgekehrt: Die Schwerkraft treibt, und die Bahn muss diese Energie kontrolliert vernichten. Genau deshalb liegt der ganze technische Aufwand einer Zahnradbahn auf der Bremsseite.
Moderne Fahrzeuge bremsen elektrisch, indem der Fahrmotor als Generator arbeitet und die Energie entweder in Widerständen verheizt oder ins Netz zurückspeist. Dazu kommen mechanische Bremsen, die direkt auf die Zahnradwelle wirken, sowie Klinken- und Bandbremsen als unabhängige Sicherung. Vorgeschrieben ist, dass mehrere voneinander unabhängige Bremssysteme vorhanden sind und dass der Zug talwärts geschoben statt gezogen wird: Der Triebwagen steht immer am talseitigen Ende des Zuges.
Ein Triebwagen auf der Steilstrecke, mit dem Fahrzeug am talseitigen Ende des Zuges.
Merkposten
Zahnradbahnen fahren langsam, und das ist eine Konstruktionsentscheidung. Ein Fahrzeug, das mit rund zwanzig Kilometern pro Stunde bergwärts und noch langsamer talwärts unterwegs ist, hält Zahneingriff und Bremsweg in einem Bereich, den die Mechanik dauerhaft aushält.
Was das Gebirge der Maschine antut
Eine Bergbahnstrecke steht das ganze Jahr im Freien, oft über der Waldgrenze. Sie muss Schnee, Steinschlag, Frostwechsel und Lawinen aushalten. Deshalb sind Streckenteile in Galerien geführt, deshalb stehen Lawinenverbauungen über den Trassen, und deshalb hat jede Bahn ihre Revisionsfenster: Wochen im Frühjahr und im Spätherbst, in denen kein Betrieb stattfindet, weil Zahnstangen, Weichen, Fahrleitung und Bremsen kontrolliert werden.
Für die Tourenplanung sind diese Fenster genauso wichtig wie der Fahrplan selbst. Wer im Mai oder im November auf eine Bahn zählt, prüft zuerst, ob sie überhaupt fährt. Der Rest der Fahrplanlogik, von der ersten Bergfahrt bis zur letzten Talfahrt, steht in Erste Bahn, letzte Bahn: der Fahrplan bestimmt die Tour.
Kontrolle der Zahnstange in der Bergstation, wie sie in den Revisionswochen ausserhalb der Saison stattfindet.
Warum die Technik den Tourismus geprägt hat
Die Vitznau-Rigi-Bahn nahm 1871 den Betrieb auf und war die erste Bergbahn Europas. Ihr Erfolg löste eine Bauwelle aus, die das Bild der Schweizer Alpen bis heute prägt: die Gornergratbahn von 1898, elektrisch betrieben und bis auf gut dreitausend Meter führend, die Jungfraubahn mit ihrer Endstation auf 3454 Metern, dem höchstgelegenen Bahnhof Europas, und Dutzende kleinere Linien, die Dörfer erschlossen, die vorher einen halben Tag Fussmarsch entfernt lagen.
Die Zahnradbahn hat damit dasselbe getan wie die Standseilbahn eine Generation zuvor: Sie hat Höhenmeter in Fahrminuten übersetzt und damit den Tagesausflug ins Gebirge erfunden. Wie das begann, beschreibt Die Standseilbahn und die Erfindung des Ausflugstags.
Wo Adhäsion und Zahnstange sich abwechseln
Nicht jede Zahnradbahn fährt auf ihrer ganzen Länge im Zahneingriff. Viele Strecken beginnen im Tal als gewöhnliche Adhäsionsbahn und schalten erst dort auf die Zahnstange um, wo die Steigung es verlangt. Der Übergang ist eine eigene Konstruktion: eine Einlaufvorrichtung, in der die ersten Zahnstangenglieder federnd gelagert sind, damit das Zahnrad auch dann sauber einfädelt, wenn Zahn auf Zahn statt Zahn auf Lücke trifft.
Diese Einfahrt erfolgt langsam und mit überwachter Geschwindigkeit, weil ein misslungener Eingriff Material zerstören würde. Wer im Fahrzeug sitzt, merkt sie am kurzen Ruck und am veränderten Geräusch: Aus dem Rollen wird ein gleichmässiges metallisches Klacken, das bis zur Bergstation anhält. Ab diesem Punkt hängt der Zug nicht mehr an der Reibung, sondern am Formschluss.
Der Beginn der Zahnstange am Fuss der Steilstrecke, mit federnd gelagerten Anfangsgliedern.
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Wer die Bahn als Aufstiegshilfe für eine Wanderung nutzt, kombiniert sie am besten mit einer Traverse statt mit einem Gipfelsturm: Höhenwege im Berner Oberland zeigt diese Logik. Und wenn die Strasse statt der Schiene den Zugang bildet, gelten die Regeln aus Wann ein Alpenpass wirklich offen ist.