Hvordan fungerer tandhjulsbaner?

Når jernbanen skal stige mere end ca. 9% så kan toget ikke stå (sikkert) fast nok på banen alene ved gnidningsmodstanden mellem hjul og skinner. Derfor blev der fra 1869 indført tandhjulstog, første bane godt nok i USA, men så kort efter i Schweiz (1871).

Indholdsfortegnelse

Nogle tandhjulsbaner har kun brug for tandhjul og tandstænger dér hvor der er særlig stejlt. Andre har hele tiden kontakt mellem tandhjul og tandstænger, også på de (enkelte korte) vandrette stræk. Det sidste ses her på Wengern Alp Bahn (WAB) på station Grund.

Tandstænger på hele banen eller kun på de stejle etaper?
Nogle baner overvinder altså nogen gange stejlere stigninger med tandhjul, og mindre stigninger uden (med adhæsion hedder det). Det gælder fx Berner Oberland Bahn som ovenfor, hvor to dele af toget bliver koblet sammen på station Zweilütchinen.
En anden bane med kombineret adhæsion og tandstænger er Matterhorn Gotthard Bahn. Her ses overgangen mellem en etape uden og med tandstænger. Den del af tandstangen, som er malet lidt lysere, er fjederbelastet og udsættes for mere slid, for meningen er at få anbragt tandhjulene i "sync", når de glider ind på tandstangs-strækket.

Toget må sætte farten meget ned, når det kører ind på tandstængerne. "A"-skiltet betyder "Anfang" og viser lokomotivføreren, hvor tandstangen begynder.

Se længere nede i artiklen om skiftespor, aksler og bremser.


Forskellige systemer af tandstænger og tandhjul
Hos WAB i Berner Oberland, køres der fast med tandhjul og mest med tandstænger af systemet Riggenbach. Med system Riggenbach er tandstangen opbygget i en slags rende af to sider og "løse" tværgående pinde. Riggenbach er en lidt mere kompliceret tandstang, og dermed lidt dyrere. Det er den første udgave af tandstænger, der kom.

På samme bane så vi på første billede en situation på station Grund med tandstænger af typen Strub.
Tandhjulene i togene kan bruge begge tandstænger. Meget praktisk.
Tandhjulsbane med dobbeltspor ved Matterhorn. Bemærk de to strømledninger over hvert spor. Der bruges mange strømsystemer og sporvidder på tandhulsbaner i bjergene. Det er ikke emnet for denne artikel. Hér Gornergrat Bahn, der har 1000 mm. sporvidde og 3-fase vekselstrøm.
Mange baner bruger det nyere system med to (hver lidt tyndere) tandstænger (lameller) lige ved siden af hinanden og tilsvarende to tandhjul på hver akse, lige ved siden af hinanden. Dette system hedder Abt. Tog til dette system kan ikke køre på de andre systemer.

Abt har den fordel, at der altid er fuld kontakt mellem en tand i tandhjulet og tandstangen. En tandstang af typen Abt er altid løftet over skinnerne, som det tydeligt fremgår af billedet ovenfor.
Her ses de fire systemer, som er mest udbredte, og som findes i alperne. Fra venstre mod højre:
Riggenbach, Strub, Abt, Locher.

Bemærk at Abt er vist med hele tre lameller af tandstænger. En sådan version findes i Japan.
Her ses basis konceptet for tandhjulsbaner: En fast aksel, hvor der er to hjul, et tandjul i midten og en bremseskive. Ikke mindst ved opbremsningen her der brug for at stå fast, så solide bremser er vigtige!


Problemet med sideværts bevægelser
Som bekendt så flytter akslen sig lidt på skinnerne rundt i kurver. Det sker fordi hjulene er lidt skrå (ikke blot flade tromler) så man kan sige, at toget selv finder ud af at skifte radius på hjulene i kurverne, og dermed undgår at hjulene fedter og piber. Læs mere herom.

Så må tandhjulet også kunne bevæge sig sideværts ligeså meget som hjulene, når tandhjulene løber på tandstangen. Og det kan den også, som man kan se af billedet ovenfor med system Riggenbach.
For system Abt kan tandhjulene også rykkes lidt, når hjulene forskydes i svingene.

Lettere går det selvfølgelig sideværts for tandhjul i system Strub. Foto viser bremser på en godsvogn parkeret på Lauterbrunnen station.

Tandhul på både lokomotiv og vogne
Der er tandhjul på både lokomotiver og vogne (i al fald på de fleste vogne). Som det ses ovenfor. Bemærk at der (som jeg kan se) kun er tale om en skruebremse, dvs. bremsen skal drejes på et manuelt hjul på vognen, og derfor er bremsen kun til brug ved parkering. Men det kunne også være en trykluftbremse, så vognen kan hjælpe med til at bremse hele toget under kørslen.


I den berømte Glacier Express er alle vognene forsynet med moderne tandhjulsbremse systemer, som sikrer, at der kan bremses både på hjulene og på tandhjulene, alt efter behov, og med en procentvis bremsekraft mellem do to bremser. Når vognene kører på afsnit uden tandstænger er tandhjulene uvirksomme. Lokomotiv af typen HGe 4/4 II fra sidst i 80'erne, som er skræddersyet til tunge tog med blandet tandhjuls- og adhæsionstræk.

På sådanne blandede baner må der i Schweiz på tandstangsafsnit ikke køres over 40 km/t hverken op eller ned.

Ved Achensee Bahn i Østrig er bremserne mekaniske så bagerste vogn (ud af to) skal hjælpe lokomotivet med at bremse nedad bakke.

På adhæsions strækninger betjener togføreren det gule håndtag (til venstre udenfor billedet).

På tandhjuls strækninger (som hér lige syd for Eben) foregår opbremsningen med det røde håndtag forbundet til bremseklodser på vognens tandhjul.

Foto fra mellemstation Planalb på Brienz Rothorn Bahn. System Strub er som vist før en enkelt stang med tænder, og vel nærmest dét man kommer til at tænke på, når talen kommer på tandhjulstog.

Alle disse tandhjulsbaner kan maksimalt stige med 25%. Og det er sandelig også stejlt! Man kører hurtigst opad, og langsomst nedad. Det fortæller, at bremsekraften (og sikkerheden heromkring) er det største issue.
Man tilstræber på alle bjergbaner, også ved tandhjulsbaner, at gøre stationerne rimeligt vandrette. Foto med osende diesellokomotiv fra Montenvers - Mer de Glace jernbanen i de franske alper ved Chamonix.


Tandhjul lige store som de almindelige hjul?
Skal der køres med fast aksel, så skal tandhjul og hjul skal have samme diameter.
Men hvordan bestemmer man tandhjuls diameter? Det gør man ved at kigge dér, hvor tandhjul og tandstang i praksis mødes og kraften overføres. Så tandhjul og tandstang skal være afpasset og vinklet ganske nøje. Overførsel af kraft fra motor og bremser ordnes i samme aksel. Det er langtfra gældende alle vegne, for det kræver ganske indviklede sporskifter, så derfor er det mest almindeligt, at tandstangen er løftet i forhold til skinnerne, og dermed er tandhjulenes diameter mindre end hjulenes.


Kraftoverførsel direkte til aksel med hjul, eller hvad?
Da Rigi banen ved Luzern, der som den første i Europa blev bygget i 1871, blev tandstang, tandhjul og aksler opbygget mere kompliceret. Øverste aksel får kraften fra dampen via cylindrene (se ude til venstre). Så overføres kraften via to sæt tandhjul til drivakslen (og tandstang).

Det skyldtes at kedlen på den måde lettere kunne anbringes vandret.
Idag har damplokomotiver ikke dette behov. Kedlen er bare vendt og forskudt omvendt, så førerhuset er løftet og ikke cylindrene. På denne måde overføres kræfter på vanlig vis til drivakslerne, der med tandhjul har fat i tandstangen. Hér med Schafbergbahn i Østrig.


Tandstang højere end skinnerne
Se nu hér: På Schafbergbahn er der noget anderledes på færde end nævnt ovenfor (fra den klassiske Rigi Bahn). Diameter på tandhjul og hjul er ikke ens (se mine sorte streger). Tandhjulene (system Abt) er simpelthen mindre end hjulene!

Men bemærk også hvordan hjulene er monteret på akslen: De glider rundt uafhængigt af akslen, se de røde smørekopper, der viser at der gemmer sig lejer, der skal holdes smurte, inde i de sorte huse omkring hjulene. Hjulene holder altså vægt og holder toget i balance og retning. Men overfører ikke kraft fra lokomotivet og bremser heller ikke toget.

Og hvorfor så det?
Hvis tandhjulene er mindre end hjulene, så kan skiftesporene gøres mere enkle. Se her på Schafbergbahn, hvordan der kun er ganske få bevægelige dele på skiftesporet. Sammenlign eventuelt med de komplicerede skiftespor hos Rigi Bahn og Pilatus Bahn.
Samme situation med en løftet tandstang på Schünige Platte Bahn. Det er lidt lettere at se detaljerne her.


Også et krydsspor har brug for en ekstra bevægelig del, nemlig tandstangen. Foto fra Wengern Alp Bahn i banegården Grund.


På de rene tandhjulstrukne bjergbaner, kan man klare sig med at lade hjulene blot ordne vægt og balance, og så have tandhjul til kraftoverførsel og bremser.

Ovenfor ses et HGe 4/4 II fra Matterhorn Gotthard Bahn (MGB) nedefra. Tandhjul af system Abt ses i midten med mindre diameter end hjulene. Der er udveksling med differential mellem tandhjul og alm. hjul. Så der kan både drives i begge systemer og bremses i begge systemer. Når der køres på tandstangsafsnit belastes tandstangen typisk med 2/3 af kræfterne.

MGB kører med både tandstangs- og adhæsions afsnit, som vi så ovenfor med indkoblingen til tandstænger. Indkoblingen gælder både lokomotiver og vogne. Vognene er forsynet med dobbelt bremsesystem med trykluft, både til alm. hjul og til tandhjulene.


Op til 48% stigning med særligt system
På Pilatus Bahn ved Luzern, bygget i 1889, måtte man bygge banen med hele 48% stigning. Så stejlt kunne de andre systemer ikke klare. Når der blev lagt kræfter i, så vil toget simpelthen løftes af tandstangen - med katastrofale følger! Det går jo ikke, så derfor blev der til banen udviklet et anderledes tandhjuls-system.
Det blev til systemet hér (Locher), som er enestående i verden, der bruger horisontale tandhul ind i tandstangen, som har tænder til begge sider. Smart og egentlig ikke så kompliceret.

Alle fotos fra museumstog stammer fra Verkehrshaus i Luzern.

>> Se oversigt over tandhjulsbaner i hele verden

Også tak til dette site for lån af et par billeder hér til siden