Eine Zahnradbahn, historisch auch Zahnbahn oder Zahnstangenbahn, ist ein schienengebundenes Verkehrsmittel, bei dem die Vortriebs- oder die Bremskraft zwischen Triebfahrzeug und Fahrbahn formschlüssig mittels eines Zahnstangengetriebes übertragen wird. Das Zahnradsystem besteht fahrzeugseitig aus Trieb- und Bremszahnrädern und infrastrukturseitig aus Zahnstangenstrecken. In eine zwischen den beiden Schienen auf den Schwellen befestigte Zahnstange greifen ein oder mehrere am Triebfahrzeug angetriebene Zahnräder ein.
Durch Anwendung des Formschlusses (Zahnradbahn) lassen sich wesentlich größere Neigungen als mit Reibungsschluss (Adhäsionsbahn) befahren:
Adhäsionsbahnen bis etwa 75 ‰ Neigung (in Einzelfällen bis zu 116 bzw. 135 ‰),
Zahnradbahnen bis etwa 300 ‰ Neigung, maximal bis zu 500 ‰.
Bei Bahnen im Gebirge stehen für die Bewältigung der bedeutenden Höhendifferenzen oftmals nur kurze Distanzen zur Verfügung. Es müssen größere Neigungen bewältigt werden als der Adhäsionsantrieb (wegen des Durchdrehens der angetriebenen Räder auf den Schienen bei größerer Neigung) zulässt. Die Schafbergbahn überwindet Neigungen von bis zu 255 ‰, die Pilatusbahn ausnahmsweise bis 480 ‰ (zwei liegende Zahnräder verhindern gegenseitig das Herausdrängen der Räder aus der Zahnstange), die besonders schweren Treidelloks (mit 50 t das Mehrfache üblicher Zahnradbahnloks) am Panamakanal bis zu 500 ‰. Es gibt auch Zahnradbahnen auf Hanglagen in Städten, so zum Beispiel in Stuttgart.
Die auf die Vertikale bezogene Steiggeschwindigkeit der Zahnradbahnen ist meistens höher als bei Gebirgsbahnen mit Adhäsionsantrieb.
Die ersten Zahnradbahnen wurden 1869 in den USA auf den Mount Washington und 1871 in der Schweiz auf die Rigi eröffnet. Ursprünglich wurden die Zahnradbahnen ausschließlich mit Dampflokomotiven betrieben, heute herrscht die elektrische Traktion vor. Seit den 1920er Jahren wurden viele Zahnradstrecken mit geringeren Neigungen auf reinen Adhäsionsbetrieb umgestellt oder der Betrieb wurde vollständig eingestellt.
Es kommen verschiedene Zahnstangensysteme zum Einsatz, die nur teilweise miteinander kompatibel sind. Zahnradbahnen unterscheiden sich in verschiedenen Bereichen von Adäsionsbahnen. Bei Zahnstangenweichen sind spezielle Konstruktionen notwendig. Wegen der großen Neigungen werden aus Sicherheitsgründen mehrere voneinander unabhängige Bremssysteme verwendet. Weitere speziell bei Zahnradbahnen zu beachtende Sicherheitsaspekte sind die Sicherheit gegen Entgleisen, die Helixverwindung und bei Bahnen mit gemischtem Zahnrad- und Adhäsionsbetrieb die Betriebsartenüberwachung. Beim Übergang von Adhäsions- auf Zahnstangenabschnitt sind Zahnstangeneinfahrten notwendig, wobei es unterschiedliche Systeme gibt. Einzelne Zahnradbahnen betreiben auch Güterverkehr.
Die Zahnstange ist im Prinzip ein Zahnrad mit unendlich großem Teilkreisdurchmesser. Zahnradantriebe erfordern allgemein höheren Konstruktions- und Fertigungsaufwand als auf Schienen rollende Räder.
Für Zahnradbahnen gibt es verschiedene Antriebsarten, die den betrieblichen Anforderungen entsprechend konzipiert sind. Man unterscheidet zwischen reinen Zahnradbahnen und Bahnen mit gemischtem Adhäsions- und Zahnradantrieb.
Bei reinen Zahnradbahnen – meist wenige Kilometer lange Bergbahnen – ist der Zahnradantrieb ständig im Eingriff. Die Laufräder der Triebfahrzeuge sind in der Regel nicht angetrieben. Die Fahrzeuge können sich auf Strecken ohne Zahnstange nicht fortbewegen, weshalb meistens auch die relativ kurzen ebenen Abschnitte in den Endbahnhöfen und die Zufahrten zur Werkstatt mit Zahnstangen ausgerüstet sind.
Früher bestanden die Züge der reinen Zahnradbahnen je nach Neigung in der Regel aus einer Lokomotive und einem bis drei Wagen. Die Lokomotive war stets talwärts eingeordnet, so dass die Wagen bergauf geschoben wurden und sich der Einbau der zwei vorgeschriebenen mechanischen Bremsen auf das Triebfahrzeug beschränkte. Heute kommen mehrheitlich Triebwagenzüge oder Triebwagen zum Einsatz.
Bahnen mit gemischtem Adhäsions- und Zahnradbetrieb
Bahnen mit gemischtem Adhäsions- und Zahnradbetrieb wurden dort gebaut, wo nur einzelne Abschnitte mit starken Neigungen vorhanden sind. Bei solchen Bahnen sind die Triebfahrzeuge mit einem kombinierten Antrieb ausgerüstet. Vereinzelt gibt es getrennte Antriebe für die Laufräder und das Zahnrad. Zudem gab es Bahnen, bei denen Adhäsionstriebwagen auf den Zahnstangenabschnitten von Zahnradlokomotiven geschoben wurden (z. B. die Stansstad-Engelberg-Bahn oder die Rittner Bahn).
Der Vorteil gemischter Antriebe ist, dass dort, wo das Zahnrad nicht im Eingriff ist, mit höherer Geschwindigkeit gefahren werden kann. Auf Zahnstangenabschnitten ist die Geschwindigkeit nach den Schweizer Vorschriften, die in diesem Bereich meist als Referenz gelten, auf 40 km/h begrenzt. Zumindest ein Teil der Wagen muss auf derartigen Strecken mit Bremszahnrädern ausgerüstet sein.
Der Nachteil gemischter Antriebe ist der technische Aufwand, der vor allem zur ungestörten Einfahrt in die Zahnradstrecken bei möglichst ungeminderter oder nur wenig reduzierter Fahrgeschwindigkeit erforderlich ist. Die Zähne der Antriebs- und Bremsräder müssen bei der Einfahrt im Idealfall die Lücken in einer Zahnstange genau treffen. Der ungünstigste Fall ist, wenn die Zahnköpfe aufeinander treffen und das Fahrzeug „aufsteigt“. Bei den (nicht angetriebenen) Bremszahnrädern kommt erschwerend hinzu, dass ihre Drehzahl vor der Einfahrt passend zur Fahrgeschwindigkeit gemacht werden muss.
Siehe auch: Abschnitte Triebfahrzeuge für reine Zahnradbahnen und Triebfahrzeuge für gemischte Bahnen
Mit zahnradgetriebenen Treidellokomotiven werden Schiffe durch die Schleusen des Panamakanals getreidelt. Um die Zugkraft der Lokomotiven zu erhöhen, liegt die Zahnstange in den Treidelgleisen durchgehend, also auch in den waagerechten Abschnitten. Die erheblichen seitlichen Zugkräfte, die vor allem beim Ziehen der Schiffe in den Schleusenkammern auftreten, werden von den Spurkränzen an den Rädern ferngehalten, um zu große Reibungskräfte dort zu vermeiden. Diese Kräfte werden von an den Lokomotiven angebrachten Führungsrollen, die an den Flanken der Zahnstangen rollen, übertragen. Die Zahnstangen ähneln der Bauart Riggenbach.