Ein halbwegs einfaches Schlüsselwerk oder Zentralschloss für Modellbahnen

Eine Diskussion im Modellbahn-Anlagen-Design-Forum hat mich etwas auf Abwege gebracht, indem sie mich angeregt hat, über die Konstruktion eines mechanischen Schlüsselwerks (in Österreich Zentralschloss genannt) nachzudenken – nicht für die große Eisenbahn, sondern für Modellbahnen, aber mit möglichst vorbildnaher Funktion und auch Sicherheit. Hier sieht man zwei echte Zentralschlösser aus früheren Postings von mir – zuerst ein ganz großes, dann ein kleines:

Zentralschloss, Ober Grafendorf, 21.9.1986

Zentralschloss für Zwischenweichen in Gleis M2, Weichenposten, Leopoldau, 31.8.1981

Eine ganze Reihe weiterer Bilder von Zentralschlössern kann man in diesem Blog finden, wenn man rechts im Suchfeld nach "Zentralschloss" sucht.

In ein paar Postings stelle ich meine bisherigen Überlegungen und Bauversuche zu einem „Hobby-Zentralschloss“ vor. Da ich selber keine Modellbahn besitze, hat das teilweise den Charme von „Trockenschwimmen“, aber vielleicht fühlt sich ja jemand ermutigt (oder herausgefordert), sowas (ähnliches) für seine Modellbahn zu bauen! Aber auch unabhängig davon sind vielleicht für den einen oder anderen die Grundlagen interessant, wie man sicherungstechnische Anlagen konstruiert und projektiert. Hier ist ein Bild des Prototyps, den ich zusammengebaut habe, sowie ein Video mit der Bedienung (das Signalschloss bzw. der Signalhebel fehlt – da verschwindet der Signalschlüssel „irgendwohin“ und kommt dann wieder zurück):

Ich bleibe im Folgenden bei den in Österreich üblichen Ausdrücken; und verwende meistens auch die in Österreich üblichen Bezeichnungskonventionen für Gleise, Signale und Weichen. Kein Bezeichnungsverfahren ist ja landesweit einheitlich, auch nicht in Deutschland – so ist zwar im Westen Deutschlands die fortlaufende Nummerierung von Bahnhofsgleisen vom Empfangsgebäude aus üblich, im Osten aber die auch sonst verbreitete Nummerierung mit ungeraden Nummern auf der einen Seite, geraden auf der anderen. Analoges gilt für Weichen- und Signalbezeichnungen und vieles andere.

Die Bezeichnungen „Fahrstraßenschlüssel“ und „Signalschlüssel“ bedeuten bei mir dasselbe – ich verwende einmal die eine, dann die andere. Das ist nicht ganz sauber, reicht aber für mein Vorhaben.

Eine letzte Vorbemerkung: Eisenbahnsicherungsanlagen sind ein Hobby von mir, aber kein Beruf – Unstimmigkeiten zur Wirklichkeit kann's also geben (gerne nehme ich Korrekturen von Wissenden entgegen!). Andererseits habe ich mich doch schon etwas länger mit einigen Grundlagen des Themas beschäftigt, sodass meine Darstellung – glaube ich – die wesentlichen und wichtigen Aspekte erklärt.

1. Grundlegende Funktion eines Zentralschlosses
   
2. Wie viele Schlösser braucht man?
   
3. Was haben wir da eigentlich vor?
   
4. Echte Weichenschlösser ...
   
5. Kann man käuflich erwerbbare Schlösser verwenden?
   

Grundlegende Funktion eines Zentralschlosses

Hier ist ein Überblick, wie ein Zentralschloss üblicherweise eingesetzt wird (es gibt auch andere Verwendungsmöglichkeiten):

Über das Zentralschloss werden Signale von (i.d.R. ortsbedienten) Weichen abhängig gemacht – oder anders gesagt: Jedes Signal "verschließt", wenn es auf.Frei steht, die Weichen, die es deckt. "Verschließen" heißt dabei einfach, dass diese Weichen garantiert nicht umgestellt werden können.

Praktisch funktioniert das für eine Zugsfahrt so:

1. Der Stellwerker (oder Fahrdienstleiter) stellt vor Ort die Weichen in die richtige Stellung für die Zugsfahrt und sperrt dann an jeder Weiche ein Schloss um, wonach er den entsprechenden Schlüssel aus dem Schloss nimmt. Damit ist die Weiche in ihrer Stellung "verschlossen" und kann nicht mehr gestellt werden.
2. Mit den Schlüsseln marschiert er zum Zentralschloss (der linke Pfeil oben) und sperrt sie dort ein.
3. Jetzt (erst) kann er rechts im  Zentralschloss einen Signalschlüssel umdrehen und entnehmen (der mittlere Pfeil).
4. Mit diesem Signalschlüssel geht er (rechter Pfeil) schlussendlich zur Hebelbank oder einem elektrischen Schalterwerk und stellt dort nach oder durch Umsperren des Schlüssels das Signal auf Frei.
5. Nach der Zugfahrt spielt sich der ganze Vorgang in umgekehrter Richtung ab: Signal auf Halt, Signalschlüssel raus und ins Zentralschloss eingesperrt, daraufhin Weichenschlüssel rausgesperrt und damit zu den Weichen marschiert, dort die Schlösser wieder aufgesperrt – und die Weichen sind wieder frei stellbar, und der Verschub kann weitergehen ...

Damit dieses Zusammenspiel der Schlösser aber auch tatsächlich eine sichere Signalabhängigkeit erzeugt, müssen zumindest folgende Bedingungen eingehalten werden:

a) Aus einer Weiche darf ein Schlüssel nur entnommen werden können, wenn die Weiche dadurch in einer definierten Stellung festgehalten wird.

• Das ist anders als bei üblichen Tür-, Safe- usw. -Schlössern: Dort kann der Schlüssel in beiden Stellungen (offen oder geschlossen) entnommen werden und kann daher nicht als Nachweis dienen, dass die Tür in einer bestimmten Stellung steht! (Ich habe aber noch ein paar „Kindersicherungsschlösser“ von IKEA herumliegen, die genauso wie Schlösser an Sicherungsanlagen funktionieren: Der Schlüssel kann nur in einer der beiden Stellungen entnommen werden.)

b) Aus dem Zentralschloss darf ein Fahrstraßenschlüssel nur entnommen werden können, wenn alle Weichen in der passenden Stellung sind (und, je nach Zentralschloss-Typ, kein Schlüssel einer feindlichen Fahrstraße entnommen ist – darauf gehe ich später noch ein).

c) Umgekehrt darf ein Weichenschlüssel aus dem Zentralschloss nur entnommen werden können, wenn kein Fahrstraßenschlüssel entnommen ist, der diese Weiche in einer bestimmten Stellung benötigt.

d) Für alle Schlösser müssen verschiedene Schlüssel verwendet werden.

• ... was die IKEA-Schlösser disqualifiziert: Sie haben alle dieselbe Schlüsselform.

Die zwei Forderungen b) und c) werden in Zentralschlössern über eine einfache Mechanik erfüllt, die so aussieht:

Der Schieber W wird dabei vom Weichenschlüssel verschoben, F vom Signal- oder Fahrstraßenschlüssel.

• In der gezeigten Stellung ist der Weichenschlüssel nicht im Zentralschloss (er ist in der Weiche; oder auf dem Weg von ihr oder zu ihr). Der Bolzen auf dem Weichenschieber verhindert, dass der Fahrstraßenschieber F bewegt wird. Das zugehörige Schloss verhindert in dieser Stellung die Entnahme des Fahrstraßenschlüssels.
• Wenn der Weichenschlüssel „umgesperrt“ wird, bewegt sich der Schieber W nach vorne. Dadurch verlässt der Bolzen den Schlitz im Fahrstraßenschieber F, und dieser kann sich frei bewegen. Dadurch kann nun der Fahrstraßenschlüssel umgesperrt und entnommen werden, damit ein Signal freigestellt werden kann.
• Durch den nun verschobenen Schlitz in F kann der Bolzen auf W sich nicht mehr nach oben bewegen. Dadurch ist der Weichenschieber festgelegt, der Weichenschlüssel kann nicht mehr entnommen werden, und die Weiche muss in der gesperrten Stellung bleiben – das ist die berühmte Signalabhängigkeit.

Die Bedingungen b) und c) sind mit dieser Mechanik also zur Hälfte erfüllt, und diese Konstruktion ist auch ziemlich einfach nachzubauen (z.B. zwei Flacheisen, als Bolzen eine Schraube).

Die andere Hälfte von b) und c), nämlich dass eine Schlüsselentnahme nur in einer Schieberstellung möglich ist, muss durch die Schlösser erreicht werden. Dort muss auch zusätzlich die Bedingung d) erfüllt werden, nämlich dass ein bestimmter Schlüssel nur passende Schlösser sperren darf. Das ergibt eine gewisse Mindestkomplexität der Schlösser.

Wie viele Schlösser braucht man?

Man braucht ziemlich viele Schlösser, wie man am folgenden Beispiel sieht: Hier ist ein kleiner Bahnhof mit drei Hauptgleisen und einem Ladegleis dargestellt (ähnliche Gleisanlagen, allerdings mit Ausfahrsignalen, hatten Gurten und Pram-Haag in Oberösterreich). Der Bahnhof hat nur Einfahrsignale, bei den Ausfahrten müssen die Weichen nur richtig gestellt sein (was da genau nötig ist, hängt von den Vorschriften dieser Eisenbahn ab):

Folgende Zugfahrstraßen sind auf diesem Bahnhof möglich:

1. a1 = Einfahrt auf Gleis 1 auf Signal A (einflügelig)
2. a2 = Einfahrt auf Gleis 2 auf Signal A (zweiflügelig)
3. a3 = Einfahrt auf Gleis 3 auf Signal A (2-fl.)
4. h1 = Ausfahrt aus Gleis 1 (ohne Signal)
5. h2 = Ausfahrt aus Gleis 2 (ohne Signal)
6. h3 = Ausfahrt aus Gleis 3 (ohne Signal)
7. r1 = Ausfahrt aus Gleis 1 (ohne Signal)
8. r2 = Ausfahrt aus Gleis 2 (ohne Signal)
9. r3 = Ausfahrt aus Gleis 3 (ohne Signal)
10. z1 = Einfahrt auf Gleis 1 auf Signal Z (1-fl.)
11. z2 = Einfahrt auf Gleis 2 auf Signal Z (2-fl.)
12. z3 = Einfahrt auf Gleis 3 auf Signal Z (2-fl.)

Wie viele Schlösser und Schlüssel braucht dieser kleine Bahnhof zur Sicherung der Zugfahrten? Hier ist ein Überblick:

Dabei habe ich für das Zentralschloss die (von mir so genannte) „Zweirichtungsprojektierung“ verwendet, die etwas weniger Schlösser als die üblichere „Einrichtungsprojektierung“ benötigt – mehr dazu später. In Summe sind für die Sicherungsanlage

• 9 Schlösser in der Außenanlage
• 15 Schlösser am Zentralschloss
• 4 Schlösser am Signalwerk

nötig, also insgesamt 28 Schlösser, davon ca. die Hälfte nicht am Zentralschloss!

An Schlüsseln braucht man für diese kleine Anlage 15 Stück – bitte selber durchzählen!

Mögliche Erweiterungen dieser Anlage sind u.a.:

• Ein Gleissperrschuh am Gleis 5 würde noch zwei weitere Schlösser und einen Schlüssel für die Folgeabhängigkeit erfordern – das würde man auf einer Modellbahn wohl nicht mehr realisieren.
• Eine Ergänzung um Gruppenausfahrsignale H2-3 und R2-3 auf den Hauptgleisen (wie z.B. in Gurten bis in die 1990er) erfordert vier weitere Schlösser (H 1-flügelig, H 2-flügelig sowie R 1- flügelig und R 2- flügelig, aber keine weiteren Schlüssel.
• Beim Aufstellen von einzelnen Ausfahrsignalen wird es aufwendig: Dann sind nämlich zumindest für die Ausfahrten auf den Gleisen 2 und 3 getrennte Schlüssel nötig, also brauchen wir nun 10 statt 6 Fahrstraßenschlösser am Zentralschloss. Zusammen mit den sechs Hebelschlössern sind also 10 zusätzliche Schlösser und 6 weitere Schlüssel notwendig. Bei einer so aufwendigen Signalisierung wird allerdings kaum noch ein Zentralschloss Verwendung finden, sondern ein vollwertiges mechanisches Stellwerk mit fernbedienten Weichen aufgestellt werden.

Was haben wir da eigentlich vor?

Wenn wir beim Beispielbahnhof aus dem letzten Abschnitt bleiben, wollen wir im Zentralschloss ca. 15 Schlösser mit Schiebern verbinden, weitere 9 Schlösser für das Sperren von Weichen verwenden und schließlich 4 Schlösser mit unser Signalstellwerk einbauen. Das alles soll eine ganze Reihe von realitätsnahen Anforderungen erfüllen – einmal die vier Punkte a)...d) von oben, darüber hinaus aber auch so allgemeine Regeln wie die Zwangsführung der einzelnen Teile (siehe dazu ein paar Anmerkungen hier). Und natürlich soll es so einfach und billig wie möglich sein. Insbesondere stelle ich mir vor, dass wir hier nicht mit CNC-Drehmaschine und 3D-Drucker agieren müssen, sondern mit dem folgenden „Baumarkt“-Werkzeug auskommen:

• Einer üblichen Tischbohrmaschine
• Einer Stichsäge in einem Sägetisch; besser ist eine Bandsäge, für manche Arbeiten geht auch eine Dekupiersäge;
• ... und dem üblichen Handwerkzeug: Passende Schraubenzieher, Zangen, ein Satz billiger Schlüsselfeilen, ein schmaler Stechbeitel und ein Hammer müssten reichen.

Welche Möglichkeiten haben wir damit, etwas halbwegs Vernünftiges zu konstruieren?

Echte Weichenschlösser ...

... wird unsereins nicht bekommen. Sie sind aber zumindest eine wichtige Vorlage für unser Unternehmen. In den Unterlagen, die ich habe, findet man entweder Schlösser mit einfacher Zuhaltung, aber vielen Bartformen, oder tosische Schlösser.

• Die erste Bauart, die u.a. in Deutschland verwendet wird, ist ziemlich einfach gebaut. In der deutschen Variante werden 24 verschiedene Bartquerschnitte, kombiniert mit 6 „Reifblechen“ und „Bünden“, eingesetzt, was zu 144 möglichen Schlüsselformen führt. Mir ist allerdings kein Verfahren eingefallen, die vielen Bartquerschnitte mit den zugehörigen Schlüssellöchern einfach zu fertigen.
• Tosische Schlösser („Chubb-Schlösser“), die u.a. in Österreich Verwendung finden, haben einfache „stufige“ Schlüssel. Die Anzahl der Bartformen in Österreich kenne ich nicht – aber prinzipiell lassen sich sehr viele Kombinationen erreichen, z.B. bei 5 Zuhaltungen mit je 3 Bartlängen 3⁵ = 243 Formen. Allerdings sind diese relativ vielteiligen Schlösser nicht ganz einfach in der Herstellung (wer schon einmal ein tosisches Schloss zerlegt und wieder zusammengebaut hat, weiß, dass es schon nicht ganz leicht ist, die mehreren Federn auf einmal zu bändigen ...).

Es muss auch einfacher gehen!

Kann man käuflich erwerbbare Schlösser verwenden?

Eine Möglichkeit wäre natürlich, handelsübliche Schlösser umzubauen.

• Bei Kastenschlössern gibt es nur wenige verschiedene Schlüssel – höchstens sechs, soweit ich weiß. Wenn man aber die Bedingung aufgibt, dass kein Schlüssel ein falsches Schloss sperren darf, und sich (wie auch immer) überredet, dass sechs verschiedene Schlüsselformen reichen, dann ist das ein möglicher Ansatz für zwei Varianten:
• Auch das Kastenschloss wird verwendet. Allerdings erfordert dies zumindest zwei Konstruktionsänderungen: (a) Es muss eine Verbindung zum Schieber hergestellt werden; (b) der Schlüssel darf nur in einer Stellung entnehmbar sein. Insbesondere (a) ist nicht so einfach. Und der Preis ist, wenn man nicht einen Sonderposten bekommt, nicht so gering.
• Es wird ein eigenes Schloss konstruiert. Allerdings ist der Schlüssel einfacher als das Schloss herzustellen, sodass man dann gleich alles selber bauen kann ...
• Schließzylinder haben sicher genügend Kombinationen. Probleme: (a) Preis; (b) je Schlüssel sind ja zumindest zwei gleiche Schlösser nötig – solche gepaarten Schließzylinder sind aber noch teurer; (c) die Anbindung an Schieber ist nicht einfach, u.a. weil die Schließzylinder so lang sind.

Ich habe alles diese Konzepte nach etwas im-Kopf-Herumkonstruieren verworfen, vor allem aufgrund der Kosten.

Update: "Sebastian" hat in einem Kommentar zum nächsten Posting den Hinweis auf diese Konstruktion eines einfachen Schlüsselwerks mit Möbelschlössern gegeben, das auf FREMO-Anlagen eingesetzt wird. Auf jeden Fall für einfache Fälle bedenkenswert, weil einfach herzustellen!

Im nächsten Posting zeige ich die Konstruktion vor, die ich mir stattdessen ausgedacht habe.