Kettenschaltung

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Ritzelpaket und Schaltwerk mit langer Schaltschwinge am Hinterrad eines Geländefahrrads
1980: Umwerfer Shimano 600
9-fach-Ritzelpaket Modell R9 (Dura-Ace-kompatibel) des Herstellers SRAM

Die Kettenschaltung ist eine bei Fahrrädern verwendete Gangschaltung mit wechselndem Eingriff der Fahrradkette in mit verschiedenen Zähnezahlen versehene Ritzel oder/und Kettenräder.

Beim Schalten wird die Übersetzung zwischen Tretkurbel und Hinterrad verändert. Die Kettenschaltung ist das am häufigsten verwendete Wechsel-Getriebe am Fahrrad. Andere Wechselgetriebe sind die Nabenschaltung und die seltenere Tretlagerschaltung. Zur Vergrößerung des Übersetzungsbereiches beziehungsweise der “Spreizung” wird eine Kettenschaltung auch zusammen mit einer Nabenschaltung eingesetzt.

Grundsätzliches zu Aufbau und Funktion

Eine Kettenschaltung mit relativ vielen Übersetzungsverhältnissen hat sowohl mehrere Ritzel, die nebeneinander an der Hinterradnabe angeordnet sind, als auch bis zu drei Kettenräder nebeneinander an der Tretkurbel. Zwischen den Ritzeln und zwischen den Kettenrädern (gemeinsamer Begriff: Zahnräder) wird die Fahrradkette mit Hilfe je einer Wechselvorrichtung quer verschoben. Die Kette verlässt über einen größeren Teil des Radumfangs das bisherige Zahnrad und steigt auf das gewünschte benachbarte Zahnrad über. Erst wenn dort genügend viele Kettenglieder in Kontakt gekommen, das heißt genügend Kettenstege in die Zahnlücken gefallen sind, ist der Schaltvorgang beendet. Während des Wechsels zwischen zwei Zahnrädern kann das Kettengetriebe kein Antriebsmoment übertragen, der Radfahrer darf nur mit geringer Kraft treten.

Immer, wenn nicht das größte Kettenrad mit dem größten Ritzel gepaart ist, ist die Kette zu lang, was mit einem Kettenspanner im unten zugfrei laufenden Teil der Kette ausgeglichen wird.

Die Wechselvorrichtung am Hinterrad, mit der meistens der Kettenspanner kombiniert ist, wird üblicherweise als Schaltwerk bezeichnet, die vordere Wechselvorrichtung als Umwerfer. Die Ritzel bilden zusammen das Ritzelpaket (auch als Kassette bezeichnet). Die vorne befindlichen Kettenräder werden auch Kettenblätter genannt.

Bei einer Kombination von Ketten- und Nabenschaltung wird in der Regel vorne nicht geschaltet, es gibt nur ein Kettenrad.

Einzelheiten zu Aufbau und Funktion

Abhängig vom Einsatzzweck des Fahrrades kommen Kettenblätter mit 20–44 Zähnen beim Geländerad (meist drei Kettenblätter) oder 30–55 Zähnen beim Rennrad (zwei Kettenblätter 34–50, 39–53 oder drei Kettenblätter 30–39–52) zum Einsatz. Das Ritzelpaket enthält bis zu elf (typischerweise 7…10) Ritzel bei Zähnezahlen von 11 bis zu 36 Zähnen, bei Rennrädern oft nur bis 21 oder 25.

An Downhill-Fahrrädern kommt nur ein Kettenblatt zum Einsatz. Sehr einfach aufgebaute und entsprechend niedrigpreisige Kettenschaltungen mit nur einem Kettenblatt kamen in früheren Zeiten auch bei Stadträdern zum Einsatz. Schaltungen mit vier Kettenblättern waren in den 1990er Jahren kurzzeitig im Handel, konnten sich aber nicht am Markt durchsetzen.

Die Kette wird im Schaltwerk von der Schaltschwinge[1] sowohl geführt als auch gespannt. Die Schaltschwinge besteht aus zwei kleinen Zahnrädern, den sogenannten Kettenrädchen, die meist aus Kunststoff bestehen und senkrecht untereinander in einem Käfig angeordnet sind. Das obere Kettenrädchen heißt Kettenleiträdchen oder Kettenführungsrolle und dient zur Führung der Kette unter das gewünschte Ritzel. Das untere Kettenrädchen heißt Kettenspannrädchen oder Kettenspannrolle. Die Schaltschwinge ist um eine Achse drehbar, die entweder mit der Achse des Kettenleiträdchens zusammenfällt (sogenannte Zweipunktlagerung) oder etwas außerhalb liegt (sogenannte Dreipunktlagerung oder Pantograph).[2] Sie wird von einer Drehfeder gespannt, so dass die Kettenspannrolle die Kette nach hinten zieht und damit spannt. Die Schaltschwinge ist außerdem über eine Parallelogramm-Mechanik seitlich verschiebbar, um die Kette mittels des Kettenführungsrädchens auf das gewünschte Ritzel zu führen.

Eine Rücktrittnabe aus den 1950er Jahren mit drei Ritzeln für eine Kettenschaltung

Die Wechselvorrichtungen können die Kette seitlich verschieben, kurz bevor sie auf die Zahnräder (Ritzel, Kettenrad) aufläuft. Wenn sich die Zahnräder drehen, kann somit die Kette auf verschiedene Zahnräder gelegt werden. Aus dem Verhältnis der Zähnezahlen des Kettenblattes und des Ritzels, auf denen die Kette gerade läuft, ergibt sich das Übersetzungsverhältnis des Kettentriebes.

Bei drei Kettenblättern vorne und elf Ritzeln hinten sind theoretisch 33 Gänge schaltbar. Ein Teil der Gänge, bei denen die Kette besonders schräg läuft, sind aufgrund des hohen Verschleißes, des reduzierten Wirkungsgrads und der unangenehmen Geräuschentwicklung jedoch nicht empfehlenswert. Die Zahl der fahrbaren Gänge liegt bei drei Kettenblättern vorne und neun Ritzeln hinten bei 23, da die beiden größten Ritzel nicht mit dem großen Kettenblatt und die beiden kleinsten Ritzel nicht mit dem kleinen Kettenblatt kombiniert werden sollten. Außerdem ist die Übersetzung einiger Gänge nahezu identisch. Die Anzahl dieser nahezu identisch übersetzten Gänge hängt vor allem von den vorhandenen Kettenblättern, in geringerem Maße auch vom Ritzelpaket ab und ist bei Mountainbikes und bergtauglichen Tourenrädern meist kleiner als bei mit drei Kettenblättern ausgestatteten Rennrädern. Die Überschneidungen bei den Übersetzungen sind häufig gewollt, um gleichzeitig nötiges Schalten vorn und hinten auf ein Minimum zu beschränken.

Die Wechselvorrichtungen werden über Schalthebel bedient, die in Griffweite des Fahrers angeordnet sind.

Historische Entwicklung

Schaltparallelogramm

Die Kettenschaltung für Fahrräder wurde um 1930 erfunden.

Die Schaltung „Vittoria Margherita“ der Gebrüder Nieddu war die erste in der Praxis verwendbare Lösung. 1938 kam deren 5-Gang-Modell „Tour de France“ auf den Markt. In den 40er Jahren erschien noch das Modell Giuseppina aus Duraluminium. Zeitgleich wurden in Frankreich Modelle wie die „Super Champion“ erfunden. All diese Schaltungen hatten eine Spannrolle hinter dem Kettenblatt und waren sehr schmutzanfällig. 1946 kam dann die Campagnolo Corsa auf den Markt, ihre Bauweise revolutionierte das System der Kettenschaltungen. Mit einem Hebel wurde (während der Fahrt) die Achse gelockert, mit einem zweiten Hebel wurde anschließend geschaltet, wobei die Achse ein Stück nach vorne oder hinten rutschte, damit die Kette gespannt blieb. Danach musste mit dem ersten Hebel die Achse wieder fixiert werden. Diese erste praktisch brauchbare Schaltung fand schnell Verbreitung bei Rennrädern. Kettenspanner, die das Lösen der Achse unnötig machten, wurden erst später erfunden.

An dem einfachen Prinzip der Kettenschaltung hat sich bis heute nur wenig geändert, und doch haben die Kettenschaltungen einen Entwicklungsschub hinter sich, der sich vor allem in der Verbesserung der Präzision und Geschwindigkeit des Schaltvorganges niederschlägt. Er begann in den 1980er Jahren mit den ersten Indexschaltungen („Positron“ von Shimano und „Commander“ von Sachs). Bis zu jener Zeit waren die Kettenschaltungen fast ausschließlich den Rennrädern vorbehalten. Es galt, den stufenlosen Schalthebel gefühlvoll genau so weit zu bewegen, bis die Kette auf das gewünschte Ritzel umsprang. Da die Form der Zähne nicht der Kettenbewegung angepasst war, musste sogar zunächst leicht über den eigentlichen Gang hinaus geschaltet werden, um dann nach Aufliegen der Kette auf dem Ritzel den Schalthebel wieder leicht zurückzunehmen. In der DDR waren neben Rennrädern auch einige Sport- und Tourensport-Modelle serienmäßig mit der Favorit-Kettenschaltung aus der ČSSR ausgestattet – nicht zuletzt deshalb, weil keine Nabenschaltung verfügbar war.[3]

Eine erhebliche Verbesserung gelang 1984, als Shimano bei der „Dura Ace“-Schaltung das Schrägparallelogramm von Suntour übernahm. Mit einem um etwa 25 Grad schräg angeordneten sogenannten Schrägparallelogramm verläuft der Schwenkweg der Schaltschwinge nicht nur nach innen, sondern gleichzeitig auch nach unten. Das entspricht zum einen der Kletterbewegung der Kette, zum anderen folgt die Schaltschwinge der Ritzelböschung. Dies bedeutet: Je weiter die Schaltschwinge nach innen schwenkt, umso weiter bewegt sich das Kettenführungsrädchen nach unten und hält damit den Abstand zu den nach innen größer werdenden Ritzeln nahezu konstant. Eine zweite Rückholfeder schließlich garantiert, dass, egal mit welchen Zahnunterschieden das Ritzelpaket bestückt ist, der Abstand vom Kettenführungsrädchen zu den Ritzeln immer zwischen 1½ und 2½ Kettenglieder beträgt. Das ist wiederum die optimale Voraussetzung für den nächsten Schaltschritt. Denn wird dieser Abstand größer, erfolgt der Gangwechsel nur zögerlich, da sich die seitlich bewegliche Schaltungskette zu weit abbiegen kann. Ist der Abstand zu klein, kann das Kettenführungsrädchen auf den Ritzeln schleifen.

Der nächste Innovationsschub verbesserte die Schaltqualität nochmals wesentlich: Mit ihrer „Hyperglide“-Zahnform ermöglichte Shimano im Jahre 1988 das Schalten sogar unter Last, was besonders bei Geländefahrrädern sehr vorteilhaft ist, denn immer wieder gibt es bei plötzlichen Steigungen Situationen, in denen nur ein Gangwechsel vor dem Stillstand des Rades bewahren kann. Das Besondere dieser Zahnform: Die Kette muss nun zum Gangwechsel nicht mehr über die Zahnspitzen hinweg auf das nächste Ritzel klettern, sondern sie läuft, Zahn in Zahn greifend, von einem Ritzel auf das nächste über. Um das zu erreichen, wurde zum einen die Zahnhöhe drastisch gekürzt, zum anderen der Zwischenraum von Zahn zu Zahn wannenförmig vergrößert und letztlich „Überlaufstellen“ geschaffen: An den Stellen, an denen die Zähne der benachbarten Ritzel nebeneinander stehen (diese Situation ist bei Ritzeln mit einem Zahn Unterschied einmal, bei zwei Zähnen Unterschied zweimal und bei drei Zähnen entsprechend dreimal usw. der Fall) wird die Zahnhöhe weiter reduziert (sie sehen fast wie abgebrochene Zähne aus, was des Öfteren zu Verwunderung von Unkundigen führt). Außerdem sind die Zähne seitlich flacher, so dass die Kette hier diagonal vom einen auf das andere Ritzel verlaufen kann.

Übersetzung und Entfaltung

Grundbegriffe und Zusammenhänge, Auswahl der verwendeten Übersetzungen

Die Entfaltung, auch Ablauflänge oder Raumgewinn, ist diejenige Strecke, die das Fahrrad mit einer Kurbelumdrehung zurücklegt. Sie hängt von der Übersetzung des Kettengetriebes und dem Umfang des Hinterrades ab.

Bezeichnet ZK die Zähnezahl des Kettenblatts und ZR die Zähnezahl des Ritzels, so ergibt sich die Übersetzung des Kettengetriebes zu

und damit die Ablauflänge L mit dem Umfang U des Hinterrades zu

Hierbei ist besonders darauf zu achten, dass in der Fahrradtechnik die Übersetzung schon immer anders berechnet wurde als im allgemeinen Maschinenbau (Kehrwert).

Nebeneinander liegende Kettenblätter oder Ritzel dürfen keine zu große Differenz in der Anzahl der Zähne haben, weil sonst die Kette beim Schalten nicht mehr überspringen kann. Das führt in der Praxis dazu, dass es bezüglich der Übersetzung zahlreiche Überschneidungen gibt, also mehrfach vorhandene Übersetzungsverhältnisse. Eine geschickte Wahl der Kettenblätter und Ritzel soll drei Ziele erreichen: Feine Gangabstufungen, großer Übersetzungsbereich und wenig Überschneidungen der Übersetzung. Da sich diese Ziele teilweise entgegenstehen, ist die Lösung immer ein Kompromiss.

Beim Rennrad ist es das vorrangige Ziel, feine Gangabstufungen zu haben. Damit kann der Fahrer auch bei kleinen Geschwindigkeitsunterschieden immer mit der optimalen Trittfrequenz treten. Daher werden Ritzelpakete verwendet, bei denen die Ritzelabstufung jeweils eine Differenz von einem Zahn aufweist und sich das Übersetzungsspektrum des kleinen Kettenblatts bei Vernachlässigung der nicht fahrbaren Übersetzungen mit einem kleinen Überschneidungsbereich an das des großen Blatts anschließt. Aus diesem Grunde wird im Straßenradsport heute fast ausschließlich die Kettenblatt-Kombination 53/39 verwendet. Mit einer Kassette, die beispielsweise die Ritzel mit 11-12-13-14-15-16-17-18-19-21 Zähnen hat, schließt sich so an die letzte fahrbare Kombination 53/18 mit einer Übersetzung (i) von 2,94 die Kombination 39/14 mit einer Übersetzung von 2,79 an – im Überschneidungsbereich sind die Übersetzungen 53/19 und 39/14 mit 2,784 bzw. 2,786 sowie 53/18 und 39/13 mit 2,944 bzw. 3,000 nahezu identisch. Der verbleibende Überschneidungsbereich ist durchaus gewollt, weil sich dadurch der doppelte Schaltvorgang (Kettenblatt- und Ritzelwechsel) in bestimmten Situationen vermeiden lässt.

Durch die gewollt feinen Abstufungen ist bei gegebener Zahl von Ritzeln der Übersetzungsbereich, also das Verhältnis von größter zu kleinster Übersetzung, beim Rennrad relativ klein. Im obigen Beispiel ist der Übersetzungsbereich durch die kleinste Übersetzung von 1,86 in der Kombination 39/21 und die größte Übersetzung von 4,82 in der Kombination 53/11 definiert, der Übersetzungsbereich beträgt 259 %.

Beim Mountainbike hingegen ist ein großer Übersetzungsbereich wichtig, da bergauf sehr kleine Gänge nötig sind. Zugleich gilt es, bei schnellen Abfahrten noch treten zu können. Verbreitet sind Zahnkranzpakete mit 11-13-15-17-20-23-26-30-34 Zähnen und Kettenblätter mit 22, 32 und 44 Zähnen. Die kleinste Übersetzung beträgt dann 0,65 („Untersetzung“) in der Kombination 22/34, die größte 4,00 in der Kombination 44/11. Daraus ergibt sich ein Übersetzungsbereich von 618 %. Ein Vergleich der Übersetzungsbereiche macht jedoch lediglich eine Aussage über die verwendeten Schaltungen; bei einem Vergleich der Gesamtübersetzung des Antriebs (d. h. Fahrstrecke pro Kurbelumdrehung) sind auch unterschiedlich große Laufräder zu berücksichtigen.

Stufenkranz

Stufenkranz (engl. Halfstep für Halbschritt) bezeichnet eine Ausführung, bei der die beiden Kettenblätter ähnlich groß sind. Mit dem kleinen der beiden Kettenblätter fährt man die ungeraden Gänge (erster, dritter, fünfter usw.) und mit dem großen Blatt die geraden (zweiter, vierter, sechster usw.). Es greifen also bei dieser Variante die Übersetzungen des kleinen Kettenblatts in die Lücken, die durch die 2-Zähne-Abstufung des Zahnkranzpakets bei Verwendung des großen Kettenblatts entstehen.

Bei korrekter Auslegung gibt es in der Variante mit zwei Kettenblättern keine doppelten Gänge. Man hat also zum Beispiel bei einem Paket mit sieben Zahnkränzen tatsächlich 14 unterschiedliche Gänge zur Verfügung. Dies führt automatisch dazu, dass trotz eines relativ großen Übersetzungsbereiches die Gangabstufungen klein und vergleichsweise gleichmäßig sind.

Für die Bergtauglichkeit wird oft ein drittes, sehr kleines Kettenblatt (engl. Half Step plus Granny) verwendet. In diesem Fall gibt es einige Überschneidungen, da der Durchmesserunterschied zwischen dem mittleren und dem kleinen Blatt nicht beliebig groß sein kann.

Der Hauptnachteil des Stufenkranzes ist, dass man das Schaltschema verstehen muss und dass man zum Schalten in den nächsten Gang unter Umständen beide Schalthebel betätigen muss. Die Kette läuft in vielen Gängen schräg; durch die Verwendung von Zahnkränzen mit weniger Gängen (oft 7) sowie einer möglichst kurzen Tretlagerachse lässt sich der Schräglauf verringern.

Neu ist der Stufenkranz nicht: Er wurde noch bis in die 1960er Jahre verwendet.

Vor- und Nachteile der Kettenschaltung

Vorteile

  • relativ einfacher Aufbau
  • niedriges Gewicht
  • in gepflegtem Zustand hoher Wirkungsgrad
  • großer Übersetzungsbereich
  • Übersetzungsbereich durch Tausch von Zahnkranzpaket oder Kettenblättern individuell anpassbar
  • besonders in einfacher Ausführung sehr billig herstellbar
  • schneller und einfacher Ausbau des Hinterrades – speziell bei Schnellspannverschlüssen

Nachteile

  • Kette ist schlecht abdeckbar
  • Verschmutzung der Hosenbeine, speziell beim Alltagsrad (Verschmutzung kann durch Anbau eines Teilkettenschutzes, der die oben laufende Kette und die Kettenblätter abdeckt, unterbunden werden)
  • nur während des Tretens schaltbar (nur ohne Belastung, da sonst die Schaltung vorzeitig verschleißt)
  • die nutzbaren Gänge und deren vollständige Reihenfolge sind an den beiden Bedienelementen nicht ersichtlich
  • hoher Verschleiß und dadurch kurze Lebensdauer einiger Teile (insbesondere Kette und häufig genutzte Zahnkränze)
  • hoher Wartungsaufwand[4]
  • schlechter Wirkungsgrad bei Verschmutzung und mangelnder Schmierung
  • starke Belastung durch Schmutz und Feuchtigkeit
  • Kette kann bei ungenauer Einstellung oder Geländefahrten leicht abspringen, verklemmen und Stürze verursachen
  • Kette und Schaltwerk liegen besonders bei Geländefahrrädern mit großen Ritzeln sehr tief und sind dadurch abreißgefährdet
  • unpräzise Schaltleistung bei geringster Schieflage des Schaltwerkes/des Schaltauges

Beim verschmutzungsarmen Einsatz auf asphaltierten Straßen kann eine regelmäßig gepflegte Kette eine Lebensdauer von 7000 km und mehr erreichen[5]. Der Einsatz im Gelände reduziert die Lebensdauer auf 1000 bis 1500 km. Bei langen Ketten, wie sie am Liegerad üblich sind, verlängert sich die Lebensdauer entsprechend. Bei Liegerädern mit komplett gekapselter Kette oder bei Fahrrädern ohne Kettenschaltung sind Laufleistungen bis 100.000 km möglich.

Literatur

  • Michael Gressmann, Franz Beck, Rüdiger Bellersheim: Fachkunde Fahrradtechnik. 1. Auflage, Verlag Europa Lehrmittel, Haan-Gruiten, 2006, ISBN 3-8085-2291-7
  • Fritz Winkler, Siegfried Rauch: Fahrradtechnik Instandsetzung, Konstruktion, Fertigung. 10. Auflage, BVA Bielefelder Verlagsanstalt GmbH & Co. KG, Bielefeld, 1999, ISBN 3-87073-131-1

Siehe auch

Kompaktkurbel

Weblinks

Einzelnachweise

  1. ↑ Christian Smolik: Online-Glossar Velotechnik – Schaltschwinge.
  2. ↑ Explosionszeichnung des Schaltwerks Shimano XTR RD-M971 (PDF, 261 kB).
  3. ↑ http://ddr-fahrradwiki.de
  4. ↑ Kettenpflege am Fahrrad – Mythen, Legenden und Unsinn
  5. ↑ http://www.rennrad-news.de/forum/threads/lebensdauer-rennrad-kette.31751/
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