Mit den Weichen haben wir den grössten Teil der Bahnen besprochen. Doch es gibt Bahnen, die sich damit nicht zufrieden geben. Es sind Bergbahnen, die über aussergewöhnliche Steigungen verfügen und daher zu speziellen Hilfsmitteln greifen müssen. Dieses Hilfsmittel ist eine Zahnstange, die in der Mitte des Gleises montiert wird und die so den notwendigen Halt in den Steigungen und Gefällen sicherstellt.

Man spricht bei diesen Bahnen von Zahnradbahnen. Diese Zahnradbahnen teilen sich in zwei Gruppen auf. So gibt es Bahnen, die nur auf gewissen Abschnitten mit einer Zahnstange arbeiten und solche, die ausschliesslich mit Zahnrad verkehren. Im Gegensatz zu den Reibungsbahnen, die wir bisher kennen gelernt haben, benutzen diese Bahnen ein Zahnrad zur Kraftübertragung. Da man nicht auf die Reibung angewiesen ist, kann man steilere Steigungen befahren.

Bei allen Zahnradbahnen kommt eine Zahnstange, also eine längliche Stange mit Zähnen zur Anwendung. Diese ist mitten im Gleis montiert, was aber nicht zwingend so sein muss, denn Bahnen, die keine Richtungswechsel haben, könnten diese auch seitlich montieren. In der Mitte des Gleises hat es aber genug Platz und es gibt weniger Probleme bei den Weichen. Trotzdem ist diese Zahnstange sehr unterschiedlich aufgebaut worden. Wie, werden wir noch kennen lernen.

Bei jedem vorgestellten System werden auch die damit in der Schweiz ausgerüsteten Bahnen erwähnt werden. Damit können Sie sich gezielt auf die Suche nach einer solchen Bahn machen. Dabei benutzen die Bahnen die Zahnstange als Sicherung in den grossen Steigungen. Die Bremswege in der Zahnstange sind durch die erlaubte Verzögerung begrenzt, denn theoretisch wären nahezu unbegrenzte Bremskräfte möglich.

Sehen wir uns diese Zahnstangensysteme an, erkennen wir, dass bei den meisten das Zahnrad von oben in diese Stange greift. Damit können jedoch nicht unbegrenzte Steigungen befahren werden. Ist die Steigung zu gross, klettert das Zahnrad auf der Zahnstange auf und springt ab. Nur bei einem System wären theoretisch unbegrenzte Steigungen möglich. Doch beginnen wir mit dem ältesten in der Schweiz verwendeten System.

System Riggenbach: Um keine Zahnstange wird so viel gerätselt, wie um die von Niklaus Riggenbach. Dabei ist die brennende Frage seit Jahren immer die Gleiche, hat er oder hat er nicht. Fakt ist, dass Niklaus Riggenbach mit seiner Zahnstange nach dem System Riggenbach die Vitznau – Rigi Bahn gebaut hat und so Europa zur ersten Zahnradbahn verhalf. Damals eine Sensation und niemand zweifelte an der Erfindungsgabe von Niklaus Riggenbach.

Zu dieser Zeit gab es aber im fernen Amerika eine Zahnstange, die von March erfunden wurde. Diese Zahnstange nach March, soll jener von Riggenbach zum Verwechseln ähnlich sein. So kam es zur Frage ob Niklaus Riggenbach eventuell nur kopiert hat, statt erfunden.

Wir giessen hier kein Öl ins Feuer und meinen, dass diese Zahnstange in den USA nach March benannt wurde und in Europa nach Riggenbach.

Doch wer war Niklaus Riggenbach? Der Schweizer Niklaus Riggenbach wurde am 21. Mai 1817 in Gebweiler (Elsass) geboren. Seine Arbeiten waren der neu entdeckten Eisenbahn gewidmet.

So erfand Niklaus Riggenbach in der Schweiz die Zahnstange, die nach ihm benannt wurde und die Gegendruckbremse für Dampflokomotiven.

In seinem Werk in Olten baute er zudem Lokomotiven für die Bahnen in der Schweiz. Niklaus Riggenbach verstarb am 25. Juli 1899 in Olten.

Bei der Zahnstange handelt es sich um eine so genannte Leiterzahnstange. Das Zahnrad greift dabei in einen Steg ein, der zwischen zwei u-förmigen seitlichen Führungen eingepresst wurde. Die Bezeichnung kam von dem Aussehen her, denn die Zahnstange sah wie eine am Boden liegende Leiter aus. So war es möglich, die Zahnstange ohne grosse Arbeit zu nieten. Sie wurde somit aus mehreren Teilen zusammengebaut.

Die Lokomotiven griffen mit einem Zahnrad in diese flach auf dem Boden liegende Leiter und zogen sich so in die Höhen der Rigi. Anfänglich konnte mit den Maschinen keine Weichen befahren werden, da die Zahnstange sehr tief montiert wurde und so das Zahnrad an den Schienen angestanden wäre. Erst mit den Jahren wurden spezielle Weichen für diese Zahnstange entwickelt und eingebaut. Diese Zahnstange nach Riggenbach kam bei vielen Bahnen zur Anwendung. Eine kleine Liste sollte hier weiterhelfen:

Nimmt man es mit dem Begriff sehr genau, dann ist das System Riggenbach gar keine Zahnstange, denn es gibt im Grunde gar keine Stange, sondern eine Leiter. Durch den Aufbau als Leiter konnten vor allem im Winter die Stangen leicht vom Schnee befreit werden. Da der Schnee unten entweichen konnte, dauerte es auch lange, bis Schnee in der Zahnstange lag. Bei Bergbahnen ist das ein Punkt, dem man damals noch eine grosse Bedeutung zumass.

Die Zahnstange System Riggenbach oder March kommt in der Schweiz bei reinen Zahnradbahnen und bei Bahnen, die auch Abschnitte mit Haftreibung haben, zur Anwendung. Besonders bei den letzteren musste die Leiterzahnstange nach Riggenbach jedoch höher montiert werden. Nur so konnte auf den Abschnitten ohne Zahnstange das Zahnrad über die normalen Weichen geführt werden. Diese Lösung mit erhörter Zahnstange gab es bei March nicht, so dass diese nach Riggenbach benannt werden darf.

Die maximale Steigung, die für dieses System angeben wird, liegt bei 250‰. Viele der heute noch betriebenen Bergbahnen erreichen diese Steigung. Rekordhalter ist hingegen die Bahn Rheineck – Walzenhausen. Sie erreicht mit 252‰ die grösste mit einer Zahnstange nach Riggenbach erreichte Steigung. Steilere Riggenbach-Zahnstangen gab es bei Standseilbahnen, wo die Zahnstange zum Abbremsen der Wagen benutzt wurde.

System Strub: Die Zahnstange nach dem System Emil Strub baute auf den Erfahrungen von Riggenbach auf. Jedoch begegnet Strub dem gefürchteten Aufklettern des Zahnrades, indem er statt einer Leiterzahnstange eine Keilschiene mit eingefrästen Zähnen verwendete. In den steilen Abschnitten konnte so unter die Lamellen gegriffen werden. Beim grundlegenden Prinzip mit einer einlamelligen Zahnstange blieb Emil Strub jedoch treu.

Emil Viktor Strub wurde am 13. Juli 1858 in Trimbach bei Olten geboren. Bei seiner Tätigkeit in den Werkstätten von Niklaus Riggenbach lernte er unter dessen Anleitung das Handwerk kennen.

So verschaffte sich Emil Strub im Laufe seiner Arbeit grosses Ansehen beim Bau von Zahnradbahnen und Standseilbahnen. Insbesondere bekannt wurde er durch sein Zahnradsystem. Emil Viktor Strub verstarb am 15. Dezember 1909.

Im Gegensatz zum System von Niklaus Riggenbach kam hier eine Zahnstange zur Anwendung, die speziell bearbeitet werden musste. Die Zähne wurden aus der Keilschiene heraus gearbeitet und die Schiene dann entsprechend metalltechnisch behandelt.

So erreichte die Keilschiene die notwendige Festigkeit. Die Teilung bei der Zahnstange war mit der Leiter-zahnstange von Riggenbach identisch, so dass diese beiden Systeme auch kombiniert werden konnten.

Die Montage der Keilschiene erfolgte auf den Schwellen wie bei einer normalen Schiene, deshalb war dort eine Vereinfachung vorhanden. Zudem konnten die Schienen von Strub besser an unterschiedliche Radien angepasst werden. Das eröffnete der Zahnstange einen grossen Vorteil, was die Kosten für die Fertigung  rechtfertigte, denn die metallische Bearbeitung war damals noch teuer und sehr aufwendig.

Emil Strub sah seine Zahnstange jedoch nicht als Konkurrenz zu dem Modell von Riggenbach. Vielmehr wollte er eine Zahnstange entwerfen, die auch bei Steigungen von über 250‰ zuverlässig verhinderte, dass das Zahnrad aufklettern konnte. Steilere Bergbahnen sollten daher mit dem System Strub ausgerüstet werden. Flachere Strecken blieben der Zahnstange nach Riggenbach vorbehalten. Gerade die mögliche Kombination förderte das.

Bei den ausgerüsteten Bergbahnen fällt eigentlich nur auf, dass mit Ausnahme der Zahnradbahn Ouchy – Lausanne-Flon sämtlichen Bahnen schmalspurig waren. Mittlerweile konnte man auch Bergbahnen schmalspurig ausführen, was dazu führte, dass kaum mehr normalspurige Zahnradbahnen gebaut wurden. Es wäre daher falsch anzunehmen, dass das System Strub besser für schmalspurige Bahnen geeignet gewesen wäre.

Die Zahnstange nach Emil Strub war eigentlich für Bahnen mit grösseren Steigungen gedacht. Trotzdem kam die Zahnstange in der Schweiz nur bis zu Steigungen von 250‰ zur Anwendung. Diese Bahnen nutzen die erhöhte Sicherheit für schwerere Züge. Letztlich erreicht wurde die maximale Steigung von 250‰ nur bei der Jungfraubahn, die von der kleinen Scheidegg auf das Jungfraujoch führt. Auch heute kann dort noch die Zahnstange nach Emil Strub bewundert werden.

System Von Roll: Beim System von Roll, war eigentlich kein grosser Erfinder am Werk. Die Idee bei diesem System war, die vorhandenen Zahnstangen von Emil Strub und Niklaus Riggenbach zu ergänzen. Letztlich war das System so gut, dass es sich als eigenes System durchsetzen konnte. Trotzdem sollte das System von Roll nie eigenständig verwendet werden, sondern diente immer als Ergänzung.

Die Firma von Roll entstand 1803, als man einen Schmelzofen in Matzendorf in Betrieb nehmen wollte. Gebaut wurde der Ofen von den Gebrüdern Dürholz schliesslich in Gänsbrunnen.

Mit ein Einstieg von Ludwig von Roll kam die Firma schliesslich zu ihrem Namen. Die Werke in der Region fertigten in der Folge Gussprodukte und Baukomponenten in mehreren Bereichen. Bekannt wurden darunter die Werke in der Klus bei Oensingen.

Man vereinfachte bei von Roll die Zahnstangen von Niklaus Riggenbach und Emil Strub. Statt einer Leiterzahnstange oder einer Keilschiene, verwendete man bei von Roll ein einfaches flaches Eisen.

Diese Lösung reduziert die Kosten bei der Fertigung der einzelnen Elemente und liess eine einfachere Bearbeitung der Zahnstange zu. Die Teilung entsprach dabei den Systemen Riggenbach und Strub, so konnte man diese mit dem System von Roll kombinieren.

Das System von Roll ist eigentlich kein eigenständiges Zahnstangensystem und wurde auch nicht als solches geplant. Vielmehr war das System dazu gedacht, die Zahnstangen nach Niklaus Riggenbach und Emil Strub zu ergänzen.

Man wollte die dortigen Probleme mit den Weichen lösen. Da die Weichen für Zahnrad ausgesprochen kompliziert waren, erachtete man bei von Roll eine Vereinfachung als grossen Vorteil.

Im Bereich von Weichen war die Zahnstange von Roll mit ihren geraden flachen Eisen viel einfacher zu montieren. Damit wollte man die komplizierten Weichen nach Riggenbach ersetzen. Es war daher nie geplant auch Strecken damit auszurüsten. Trotzdem wurde das System bei drei Bahnen als Ergänzung zu den Systemen Riggenbach und Strub verwendet. Diese kennen Sie bereits, trotzdem erscheint diese sehr kurze Liste.

Wenn man die Tabelle ansieht, könnte man davon ausgehen, dass das System von Roll keinen Erfolg hatte und mittlerweile wieder gänzlich verschwunden sein könnte. Das war aber so geplant gewesen, denn das System von Roll war nicht gedacht, bestehende Bergbahnen zu ersetzten. Neu gebaute Zahnradbahnen setzten auf das bessere System nach Abt. So blieb das System von Roll immer ein ergänzendes System.

Wenn Sie heute aber die Bergbahnen ansehen, die mit Zahnstangen nach Riggenbach und Strub ausgerüstet sind, erkennen Sie bei den Weichen oft Elemente der Firma von Roll. Die Idee mit den vereinfachten Weichen verhalf dem System von Roll zum Durchbruch. Heute werden neue Weichen nahezu nach dem System von Roll mit Zahnstange versehen, denn diese ist wirklich sehr einfach zu montierten.

System Abt: Die bisherigen Systeme nach Riggenbach und Strub funktionierten zwar, waren jedoch nicht über alle Zweifel erhaben. Immer wieder gab es Probleme in den steileren Abschnitten. Das einzelne Zahnrad neigte dazu, auf die Zahnstange aufzuklettern und dann wieder einzugreifen. Die Folgen waren grosse Schäden an der Zahnstange und am Zahnrad. Roman Abt entwickelte daraufhin eine Zahnstange, die das Problem mindern sollte.

Carl Roman Abt wurde am 16. Juli 1850 in Bünzen geboren. Der Aargauer verbesserte schon in den Jugendjahren Flechtmaschinen. Das bewog den jungen Mann dazu, am Polytechnikum Maschinenbau zu studieren.

Später lernte er sein Handwerk im Bau von Eisenbahnen in den Werk-stätten von Niklaus Riggenbach in Olten. Mit der von ihm entwickelten Zahnstange erlebte Carl Roman Abt weltweit Erfolge. Carl Roman Abt starb am  1. Mai 1933 in Luzern.

Bei der Zahnstange nach Abt kommen die vom System von Roll her schon bekannten Flachstähle mit eingefrästen Zahnprofilen zur Anwendung. Abt montierte aber zwei in seltenen Fällen sogar drei solche auch Lamellen genannten Zahnstangen nebeneinander.

Diese beiden Zahnstangen waren in der Längsachse leicht versetzt, so dass für jede Lamelle ein eigenes Zahnrad notwendig wurde. Abt erhoffte sich so Verbesserungen beim gefürchteten Aufklettern von Zahnrädern.

Durch die versetzten Lamellen waren die Zahnräder immer im optimalen Eingriff. Das heisst, es gab die Situation, dass das Rad nur knapp in der Zahnstange eingriff nicht mehr. So sollten auch die Kräfte für jedes Zahnrad kleiner gehalten werden, was letztlich ein aufklettern desselben verhinderte. Das System von Carl Roman Abt wurde letztlich bei vielen Schweizer Bahnen und bei Bergbahnen in Südamerika angewendet. Wobei die dreiteilige Version in der Schweiz nicht verwendet wurde. 

Nach der Erfindung der Zahnstange nach Abt, wurden in der Schweiz die Bergbahnen nur noch damit ausgerüstet. Das führte unweigerlich dazu, dass nur schmalspurige Bergbahnen mit einer Zahnstange nach Abt gebaut wurden. Die Bahnen in Südamerika verkehren jedoch sogar auf Breitspur, daher ist auch das System Abt bei mehreren Spuren verwendet worden. Aber wie schon gesagt, in der Schweiz baute man nur noch schmalspurige Bergbahnen.

In der Schweiz werden ausschliesslich Zahnstangen mit zwei Lamellen verwendet. Diese sind nahezu gleich aufgebaut, so dass es schon zu vermieteten Lokomotiven kam. Ein Vorgang, der bei Bergbahnen äusserst selten ist, denn zu unterschiedlich sind die verwendeten Systeme mit Zahnstange. Bahnen mit Zahnstangen nach Riggenbach haben sogar unterschiedliche Höhen. So gesehen, hatte Carl Roman Abt eine Standardisierung eingeführt.

Verwendet wurde die Zahnstange nach Abt bei Steigungen bis zu 250‰. Höhere Werte waren auch hier nicht zugelassen, da keine Verbesserung für steilere Abschnitte erzielt wurde. Diese Steigung schafft dabei nur die Brienz Rothornbahn, welche mit durchschnittlich 250‰ mit den Dampflokomotiven auf das Rothorn oberhalb von Brienz fährt. Die wirklichen Erfolge der Zahnstange waren aber die höheren Zugkräfte, die insbesondere in Südamerika erzielt wurden.

Gänzlich eliminieren konnte die Zahnstange nach Abt das Aufklettern jedoch nicht. Besondern bei den Bahnen mit gemischtem Betrieb kam es immer wieder zu Fehleingriffen bei den Einfahrten in die Zahnstange. Die nahe beieinander montierten Lamellen lassen nur eine geringe seitliche Abweichung zu. Die ist aber im Gleis wieder gewünscht. Doch letztlich sollte nur noch eine Zahnradbahn in der Schweiz für Aufsehen sorgen.

System Locher: Um es einfach zu machen, kann ich hier die Liste schlicht weglassen, denn das System nach Eduard Locher wurde für die Pilatusbahn entwickelt. Diese sollte den Pilatus bei Luzern von Alpnachstad aus erklimmen. Dazu mussten jedoch Strecken gebaut werden, die Werte erreichten, die mit den bisherigen Zahnradsystemen nicht erreicht werden konnten. Daher entwickelte Eduard Locher ein Zahnradsystem, das auf die Pilatusbahn zugeschnitten war.

Eduard Locher wurde am 15. Januar 1840 in Zürich geboren. Seine Karriere begann weniger im Ingenieurwesen, sondern im Bauwesen. Zusammen mit seinem Bruder führte er die Baufirma Locher, welche sich beim Bau von Bahnlinien und Brücke einen guten Namen machte.

Letztlich bekannt wurde Eduard Locher jedoch mit der Pilatusbahn und dem dort verwendeten System, das nach ihm benannt wurde. Eduard Locher verstarb nach nur 50 Jahren am 2. Juni 1910 in Zürich.

Die von Eduard Locher entwickelte Zahnstange, griff nicht mehr von oben in die Lamellen ein. Beim System Locher griffen zwei Zahnräder seitlich in eine entsprechend aufgebaute Zahnstange.

Durch den seitlichen Eingriff sollte das Aufklettern nicht mehr entstehen. Damit die Zähne jedoch nicht abrutschen konnten, wurde unter dem Zahnrad eine spezielle Führung verwendet. Diese griff dabei unter die Zähne der Zahnstange.

Dank dieser Lösung waren den Steigungen keine Grenzen mehr gesetzt und konnten beliebig hoch angesetzt werden. Das kam der Pilatusbahn zu Gute, so dass man dort mit Hilfe dieser Zahnstange Werte bis zu 480‰ erreichte.

Es sollte auf der Welt keine Zahnradbahn mehr geben, die steilere Steigungen erklimmen konnte. Noch heute hält die Pilatusbahn in diesem Punkt den Weltrekord.

Damit war aber der maximal mögliche Wert des Systems Locher noch nicht erreicht. Nahezu senkrechte Steigungen hätten mit dem System verwirklicht werden können.

Die nach Locher aufgebaute Zahnstange verhinderte zwar den Einbau von normalen Weichen. Das glich aber die Tatsache, dass die Zahnstange schier unendlich steile Strecken abdecken konnte wieder aus. Auf der Pilatusbahn kommen daher an Stelle von Weichen spezielle Schiebebühnen und umklappbare Gleisabschnitte zur Anwendung. So gelang es auch beim System Locher Ausweichstellen zu bauen. Die Pilatusbahn zeigt täglich, wie gut das System funktioniert.

Fahrzeuge, die für eine Zahnstange nach Locher gebaut wurden, benötigen im Grunde keine vollwertigen Räder mit Spurkranz mehr. Das Fahrzeug wird nur durch die Zahnstange geführt. Damit haben wir aber die Zahnstangen abgeschlossen und können nun zu den erwähnten Rädern wechseln, denn diese sind bei der Eisenbahn fest mit dem verwendeten System verbunden. Wie das genau gemeint ist, erfahren Sie im nächsten Kapitel.