Eisenbahnbau

Die Lage des ›Oberbaues‹ auf dem ›Unterbau‹ ist aus dem Querschnitte des Bahnkörpers (Fig. 1a, 1b) zu erkennen.

Die Schienen wurden im 18. Jahrh. (seit 1767) und noch bis 1820 für die damals mit Pferden betriebenen Kohlenbahnen in England aus Gußeisen hergestellt und anfangs durch hölzerne langschwellen, dann in Fischbauchform von etwa 1 m (1 Yard) Länge durch Steinwürfel, auch wohl durch Querschwellen unterstützt.

Ihr Querschnitt war anfangs der einer Platte mit kleinen seitlichen Rändern, auch wohl einer flachen Kinne oder eines Winkels zum Schutz gegen Ablauf der gewöhnlichen Wagenräder. Erst mit Einführung der Spurkranzräder um 1789 trat die Pilzform mit und ohne untere Verstärkung des Steges ein und wurde bald allgemein.

2. Wellenschiene (Gewalzt.)

Solche kurze, gußeiserne Schienen konnten nur ein sehr mangelhaftes, für größere Raddrücke (wie sie die in der Entstehung begriffenen Lokomotiven erforderten) ungeeignetes Gleis bilden. Im J. 1820 gelang es John Berkinshaw in Durham, Schienen durch das Walzen zu erzeugen, sie damit also aus ungleich haltbarerm Material und in großem Längen (damals 15 Fuß engl.) herzustellen.

4. Englischer Schienenstuhl.

Die Querschnittform blieb zunächst noch die gleiche Pilzform u. die Unterstützung ebenfalls dieselbe mit gußeisernen Stühlen auf Steinwürfeln. Seltsamerweise glaubte man, auch von der Fischbauchform der Längenansicht nicht abweichen zu dürfen und walzte mit vieler Mühe die Wellenschiene (Fig.2). So sind diese gewalzten Schienen zuerst auf einem Teil der kleinen Bahn Stocton-Darlington (1825) und auf der ersten großem Lokomotivbahn, Liverpool-Manchester (1826–30), verlegt worden. Bei der zweiten großen Bahn, London-Birmingham, brachte R. Stephenson 1838 seine geradlinige Doppelkopfschiene, in gußeisernen Stühlen mit Holzkeilen befestigt und auf hölzernen Querschwellen gelagert, zur Verwendung und zwar schon mit 37,2 kg Gewicht für das Meter (Fig. 3). Diese symmetrische Form wurde später durch die etwas unsymmetrische Bullenkopfschiene ersetzt, da das nach Abnutzung der Oberkante beabsichtigte Umdrehen der Schiene zufolge der inzwischen eingetretenen Ausschleifungen der Auflagerstellen untunlich war. Diese Form des Oberbaues, nur mit verstärkten Abmessungen, gegenwärtig mit 2 Holz- und 2 Eisennägeln oder Schrauben, ist in England stets beibehalten Morden (Fig. 4). In Nordamerika waren anfangs Flachschienen auf Holzlangschwellen vorherrschend. Um 1832 trat die Breitfußschiene von R. Stevens hinzu, damals etwa mit 21 kg Gewicht für das Meter, aber mit rundlichen Seitenflächen. Diese Form ist von Vignoles 1836 in England eingeführt und nach ihm benannt worden. Sie hat dort nur wenig Anwendung gefunden und ist später aus England fast ganz wieder verschwunden. Dagegen hat sie sich in den verschiedensten Abmessungen über die ganze übrige Welt verbreitet und ist gegenwärtig (in verbesserter Form, Fig. 5 u. 6) in Europa, mit Ausnahme Englands, und in Nordamerika für Lokomotivbahnen fast die alleinige.

3. Doppelkopfschiene.

Nur in Frankreich ist neben dieser auch die englische Stuhlschiene oft verwendet worden, namentlich für stark befahrene Schnellzuglinien. In Deutschland sind Stuhlschienen aus früherer Zeit nur bei einzelnen Bahnen (Berlin-Magdeburg) verblieben, dagegen neuerdings versuchsweise in sehr verstärkter Form wieder verlegt worden, so 1893 in Preußen unweit Minden u. 1899 in Baden.

Als Material zur Schienenherstellung wird statt des frühern weichen Schweißeisens heute nur Flußstahl (Bessemer-, Thomas- und Siemens-Martinstahl) verwendet, und die regelmäßige Schienenlänge, die lange Zeit 9, auch 10m betrug, ist neuerdings ziemlich allgemein auf 12–15 m gesteigert.

5 u. 6. Preußische Schiene. Von 1885. Für großen Verkehr v. 1893.

Viel weiter damit zugehen, verbietet nicht etwa wie früher die Schwierigkeit der Herstellung (in Düsseldorf waren 1902 Schienen von 76 m Länge ausgestellt), sondern die des Transports und der Umstand, daß die Wärmelücken zwischen den einzelnen Schienen bei starker Abkühlung sonst zu groß würden. Die Zwischenräume sind unentbehrlich, um bei Ausdehnung Stauchung und damit Verbiegung zu vermeiden. Nur bei ganz eingebetteten Straßenbahngleisen können sie auf größere Strecken fortbleiben, weil der Wärmenuterschied dort nicht so erheblich ist. Ebenso sind in Tunneln 18 m lange Schienen zulässig.

Als Unterlagen der Schienen wurden anfangs (neben hölzernen Langschwellen) namentlich Steinwürfel und als Ersatz dafür (besonders bei Verfrachtung der fertigen Oberbauteile für überseeische Länder von England aus) gußeiserne Einzelstützen in Form von kreisrunden oder ovalen, glockenartigen Körpern (umgekehrten Töpfen) verwendet, mit angegossenem Stuhl zur Befestigung der Schiene.

7. Gußeiserne Einzelstützen (›Topfschwellen‹) mit Stuhlschienen.

Die Spurweite wurde bei Steinwürfeln durch einzelne dazwischen gelegte Holzquerschwellen, bei gußeisernen Einzelstützen durch eiserne Verbindungsstangen geregelt (Fig. 7). Solche Topfschwellen sind noch heute in frostfreien Ländern, die ihren Oberbau fertig aus England beziehen, vielfach in Anwendung, so in Ägypten, Indien, Argentinien. Steinwürfel sind anfangs auch in Deutschland verlegt, jedoch wegen der Schwierigkeit des Stopfens später überall verlassen worden.

Die weitaus verbreitetste Form der Schienenunterlagen sind die Querschwellen, die den besten Querverband sowie die sicherste Unterstützung gewähren, auch durch weitere oder engere Lage und verschiedene Länge das Anpassen des Oberbaues an die Belastungsgröße gestatten.

8 u. 9. Schienenbefestigung auf Eichenholzschwellen.

Bei der in den meisten Ländern vorherrschenden Vollspur von 1,435 in (zwischen den Leitkanten oder rund 1,5 m zwischen den Mitten der Schienen) ist die Länge der Querschwellen 2,4–2,8 m, meist 2,5 m, seit 1888 in Deutschland namentlich 2,7 m. Die durchschnittliche Entfernung der Schwellenmitten geht von höchstens 1m herab bis auf 500 mm, am Stoß (s. unten) bis auf 500 mm, zumal in Nordamerika. Beispielsweise gilt in Preußen als Regel für Hauptbahnen 16, auch 17 Schwellen auf 12 m Schienenlänge, ferner 20 und 21 auf 15m bei Blattstoß (s. unten); 25 auf 18 m Schienenlänge in längern Tunneln._– Das Material der Querschwellen war bis Mitte der 60er Jahre des 19. Jahrh. fast ausschließlich und ist noch jetzt weit überwiegend Holz, am besten Eiche, dann Kiefer, Lärche, Fichte, in einigen Gegenden auch Buche, in Südamerika Quebracho n.a. Alle diese Holzarten, insbes. die weichern, gewinnen durch eine geeignete Behandlung (Lufttrocknung, Auslaugen mit Wasserdampf und Einpressen einer fäulniswidrigen Flüssigkeit in geschlossenen Kesseln: das sogen. Tränkungsverfahren oder Imprägnieren, s. Holz) eine erhebliche Erhöhung ihrer Dauer, die namentlich dann von Wert ist, wenn die rein mechanische Abnutzung des Holzes gleichzeitig durch eine geeignete Schienenbefestigung möglichst verzögert wird oder (wie auf wenig befahrenen Gleisen) von vornherein unerheblich ist. Aus diesem Grunde fügt man in Deutschland, Österreich und vielen andern Ländern zwischen Schwelle und Schiene überall kräftige walzeiserne Unterlagsplatten ein und wendet der Befestigung dieser Platten sowie zugleich der Schienen selbst auf den Schwellen besondere Sorgfalt zu (Fig. 8–10), um die Vorteile des englischen Schienenstuhls tunlichst zu ersetzen. Jetzt erzielt man in Deutschland die Neigung von 1:20 (bis 1:16), welche die Schienen aus technischen Gründen gegen die Lotlinie erhalten, um winkelrecht zum Radkonus zu stehen, nicht wie früher durch Bearbeitung (und dadurch Schädigung) der Holzschwellen, sondern durch die Gestalt der Unterlagsplatte, die mit Schwellenschrauben (Fig. 8) oder Schienen nageln (Fig. 10) befestigt wird.

10. Schienennägel.

Eiserne Querschwellen, aus Flußeisen gewalzt, sind seit den 1860er Jahren vorübergehend in Frankreich und Belgien angewendet. In Deutschland hat man jedoch trotz anfangs ungünstigen Erfolges erkannt, daß Eisenquerschwellen von gleicher Länge wie die hölzernen (2,7 m) bei kräftiger und zweckmäßiger Querschnittsform sowie Ersatz der früher für die Schienenneigung ausgeführten Biegung oder Pressung durch geneigte Unterlagsplatten, endlich bei richtiger Ausführung der hier sehr wichtigen Befestigungsart der Schienen wohl geeignet sind, einen durchaus guten und dauerhaften Oberbau zu erzielen. Um der Querverschiebung des Gestänges mehr Widerstand entgegenzusetzen als die bloße Reibung des Eisens auf der Bettung gewährt, ist es unbedingt erforderlich, die Kopfenden der Schwellen durch Umbiegen der Enden mittels Pressen in eisernen Formen zu schließen, so daß der eingeschlossene Bettungskörper mitgerissen werden müßte, also die volle Reibung der Bettung aufeinander zur Wirkung kommt. Beispielsweise zeigen Fig. 11–14 Querschnitte und Grundriß der Eisenquerschwelle, wie sie nach zahlreichen Vorstufen zurzeit üblich sind, und Fig. 15 eine bewährte Schienenbefestigung mit (Haarmanns) Hakenplatte. Eine andre, gleichfalls bewährte Befestigung mit beiderseitigen Klemmplatten (nach Heindl) wird in Österreich und Bayern viel angewendet. Die Befestigung der Schiene mittels Keilen weicht der bessern Schraubenbefestigung. Die Eisenquerschwellen werden neuerdings namentlich in Deutschland, Österreich, der Schweiz, Belgien und Holland verwendet, in England haben sie bisher fast keinen Eingang gefunden.

Langschwellen von Holz sind namentlich in Nordamerika, für Pferdebahnen auch anderwärts früher viel angewendet worden. Bei Einführung größerer Raddrücke und Geschwindigkeiten mußten sie jedoch trotz angebrachter Querverbindungen bald den Querschwellen das Feld räumen, da sie zu wenig Druckverteilung und Steifigkeit des Gleises gegen Seitenschwankungen gewähren, auch durch Windschiefziehen und mangelhafte Entwässerung die Unterhaltung des Gleises erschweren.

11. Gerade Eisenquerschwelle.

12–14. Querschnitte von Eisenquerschwellen.

Seit den 1800er Jahren hat man in Deutschland Versuche mit gewalzten Eisenlangschwellen angestellt und sie in den 1870er Jahren mit Vorliebe verlegt, ist aber von deren Anwendung auf Hauptbahnen jetzt ganz zurückgekommen, da auch hier trotz der lästigen Spurstangen die Unterhaltung mit der Zeit wachsende Schwierigkeiten zeigte und eine gute Stoßverbindung (s. unten) nicht herstellbar ist. Für Neben- und Straßenbahnen kommen dagegen Langschwellensysteme oder Schienen, die so stark sind, daß sie bei geringen Lasten besonderer Schwellen entbehren können, oft zur Anwendung (Schwellenschienen).

15. Haarmanns Schienenbefestigung auf Eisenquerschwellen.

Nach der Form der eisernen Langschwellen unterschied man dreiteilige Formen mit zwei symmetrisch angeordneten, mehr oder weniger winkeleisenförmigen Unterschienen und einer dazwischen festgeklemmten pilzförmigen Kopfschiene; sodann zweiteilige Formen mit breiter Schwelle und selbständiger, darauf geschraubter Breitfußschiene, und diese Form hat größere Verbreitung erlangt (System Hilf, Fig. 16, Hohenegger, Fig. 17, u.v.a.). Später hat Haarmann in Osnabrück eine aus zwei symmetrischen Winkelstücken fest zusammengefügte einteilige Form mit senk rechter Mittelfuge, als Schwellenschiene (Fig. 18) hergestellt und damit große Steifigkeit, auskömmliche Breite und namentlich eine regelmäßige Versetzung der Stöße (Enden) beider Schienenhälften ermöglicht, so daß zunächst wenigstens der Übergang der Räder sanft und ohne Schlag erzielt und damit ein schlimmer Feind der Gleisunterhaltung: die starken Erschütterungen an jedem Schienenstoß ganz oder fast beseitigt schien, aber auch ohne bleibenden Erfolg.

Im Jahr 1901 lagen in Deutschland noch 2200 km Langschwellen-, dagegen etwa 76,200 km Querschwellengleise, davon etwa 26 Proz. mit Eisenquerschwellen. Daneben bestehen etwa 136 km Stuhlschienengleise und etwa 50 km Gleise auf Steinwürfeln. Im ganzen besaß Deutschland bei rund 50,000 km Bahnlänge mit Berücksichtigung der Doppel- und Bahnhofsstränge etwa 95,700 km Gleislänge.

Die Stoßverbindung der Schienen bildet den schwierigsten Punkt des Eisenbahngleises. Um nämlich die für Oberbau und Betriebsmaterial höchst nachteiligen und für die Fahrgäste unerfreulichen Erschütterungen beim Überschreiten des Schienenstoßen durch die Kader zu vermeiden, müßte im Augenblick des Radüberganges von einer auf die andre Schiene nicht nur die Höhe beider Schienenköpfe ganz genau gleich, es müßte auch jeder Richtungsunterschied in diesem Augenblicke verhindert sein. Da nun aber jedes Schienenende sich unter der Last niederdrückt und auch die besten Schutzmittel hiergegen rascher Abnutzung unterworfen sind, so wird es wohl nie vollkommen gelingen, solche augenblicklichen kleinen Verschiebungen der Schienenkopffläche unter der Last auf die Dauer zu verhindern.

16. Hilfs Langschwellenform.

17. Hoheneggers Langschwelle.

Die zurzeit allgemein übliche, im einzelnen freilich sehr mannigfaltige Bauart der Stoßverbindung zeigt beiderseitige Stahllaschen, die sich mit ihren ebenen Anschlußflächen zufolge der Schraubenwirkung zwischen die gleichfalls ebenen Flächen von gleicher Neigung am Kopf und Fuß der Schiene einspannen, ohne den Schienensteg zu berühren, und so die Last übertragen. Um diese Übertragung elastisch zu machen und die bezeichneten Richtungsunterschiede tunlichst zu vermindern, zugleich reichliche Unterstützung darzubieten, wird der Schienenstoß fast überall ›schwebend‹ hergestellt, d.h. nicht in einem Punkte, sondern in zwei nahe benachbarten Punkten, beiderseits noch unter der Laschenlänge, unterstützt, z.B. mit 500- 500 mm Entfernung der Stoßschwellenmitten.

18. Haarmanns Schwellenschiene.

Auch die nächsten Schwellen folgen in verkleinertem Abstand (620–690 mm), um die Senkungen der Schienenenden tunlichst zu vermindern.

19. Stoßverbindung auf Holz- und Eisenschwellen.

So entsteht die in Längenansicht, Grundriß und Querschnitt (Fig. 19) dargestellte Stoßverbindung der Preußischen Staatsbahn von 1894. Die Lasche ist durch einen senkrechten Ansatz wesentlich verstärkt, jedoch so ausgeschnitten, daß sie beiderseits gewisse Befestigungsteile umklammert und dadurch das Gestänge in sehr wirksamer Weise gegen Längsverschiebung verspannt. Dies ist erforderlich, weil eine Durchbohrung oder Einklinkung des Schienenfußes (wie sie früher bei weichen Eisenschienen üblich) bei Stahlschienen unzulässig ist.

20. Blattstoßverbindung auf Holz- und Eisenschwellen.

Die Schraubenlöcher im Schienensteg müssen der Wärmebewegung der Schienen genügenden Spielraum bieten. Auf Holzquerschwellen sind die beiden Unterlagsplatten am Stoß größer und stärker als die übrigen (s. oben) und zugleich mit einem Haken an der Außenseite der Schiene versehen, der wie die Haarmannsche Hakenplatte auf Eisenschwellen den Schienenfuß umfaßt und so für die Gestalt der Laschen volle Gleichheit auf Holz- und Eisenquerschwellen ermöglicht. In Fig. 19 ist demgemäß eine Eisen- und eine Holzschwelle gezeichnet._– Neben dieser regelmäßigen Stoßform sind neuestens auch verschiedene Arten des Blattstoßes zur Ausführung gelangt, die ebenso wie die oben erwähnte Schwellenschiene ein Überplatten des Endes der einen Schienenkopfhälfte durch die andre und dadurch einen stoßfreien Radübergang bezwecken und (mindestens für die ersten Jahre) auch erreichen (Fig. 20). Zu diesem Zweck bedürfen die Schienen eines stärkern Steges (18 mm gegen 11 und 14 mm), um das Abhobeln der einen Hälfte zu gestatten. Den gleichen Zweck erzielt Haarmann ohne Verstärkung des Steges durch unsymmetrische Stellung des Schienenkopfes und wechselweises Aneinanderlegen des Steges, so daß nur ein Stück des Kopfes, nicht auch des Steges beseitigt wird (Wechselstegverblattung). Das Gleiche bezweckt Neumanns Blattstoß bei der Sächsischen Staatsbahn, und zwar ohne Längenverlust der Schiene mittels einer bis zur Kopfhöhe hinaufreichenden Seitenlasche. Beide Anordnungen, der stumpfe und der Blattstoß, sind in Preußen seit 1900 bei sonst gleichen Abmessungen weiter verstärkt, indem die Laschen, beiderseits verlängert, noch zwei weitere Schraubbolzen (im ganzen also 6) aufnehmen. Ohne rechten Erfolg hat man, namentlich in Nordamerika, durch eine die beiden Schwellen verbindende Stoßbrücke die Sache zu bessern gesucht. Neuestens (seit 1900) hat Haarmann in seinem Starkstoßoberbau eine Verbindung der Wechselstegverblattung mit der Stoßbrücke geschaffen. Bestrebungen, durch Auflauflaschen oder Auflaufschienen (Stoßfangschienen), die an der Außenseite der Schiene die Räder (die erheblich breiter als die Schiene sind) über die Stoßlücke hinweg zu tragen, haben wenig Erfolg gehabt, weil die Radreifen zufolge der Abnutzung zu ungleich gestaltet sind.

Die Bettung soll möglichst durchlässig, die einzelnen Stücke müssen frostbeständig und fest sein, dabei möglichst viel Reibung aneinander entwickeln, am besten also scharfe Kanten haben, damit sie, durch die Schläge der Stopfhacke fest unter die Schwellen gepreßt, tunlichst lange in solcher Lage verbleiben. Das beste Material ist Steinschlag (künstlicher Schotter) von festen natürlichen Steinen.