Nabenschaltungstheorie

Dieser Artikel beschreibt beginnend mit Drei-Gang-Naben wie Nabenschaltungen funktionieren und arbeitet sich zu komplexeren Naben hoch. Es werden einige Trends beschrieben und Empfehlungen ausgesprochen. Verlinkungen zu anderen Artikeln verweisen auf Informationen zu den speziellen Modellen, die besprochen werden.

Siehe auch

Alles über Nabenschaltungen

Allgemeines

Nabenschaltungen sind bei Fahrrädern bereits vor dem Jahr 1900 zum Einsatz gekommen. Mehrere Unternehmen bauen sie heutzutage noch. Sturmey-Archer hat ein Erbe, das bis in die erste Hälfte des 20. Jahrhunderts zurückreicht, Shimano baut Nabenschaltungen seit 1957 und Rohloff ist ein vergleichsweise neues Unternehmen, die eine technisch hochentwickelte Nabe herstellen. SRAM mit seinem Erbe, das auch ins frühe 20. Jahrhundert zurückreicht, hat die Produktion von Nabenschaltungen 2017 beendet.

Nabenschaltungen sind im Allgmeinen etwas schwerer und weniger flexibel als Kettenschaltungen. AUf der anderen Seite sind Nabenschaltungen robuster, weniger empfindlich bei Verschmutzungen und können auch bei stehendem Fahrrad schalten. das ist insbesondere im Stadtverkehr interessant, wo man allzuoft anhalten und anfahren muss. nabenschaltungen sind schon seit Anfang an indexiert. Manche bieten sogar einen Rückwärtsgang an. Dieser ist im Fixed Gear Betrieb und auf Trikes von vielen Fahrradfahrern gewünscht.

Nabenschaltungen erlauben den Einsatz von vollständig umschließenden Kettenkästen - anders als es bei Kettenschaltungen möglich wäre. Diese verlängern erheblich die Lebensdauer der Kette und verhindern das Verschmutzen von Kleidung. Auch kann man Nabenschaltungen problemlos auf Riemenantrieb umrüsten.

Schaltmechanismen

Viele Nabenschaltungsnaben haben eine oder zwei Stößelstangen, die längs in die hohle Achse der Nabe eingeführt werden und jede eine Passfeder eingreifen, die aus einem Schlitz in der Achse hervorragt und innenliegende Elemente der Nabe längswärts entlang der Achse bewegt. Die Stößelstange ist mit dem Schaltzug entweder über eine Zugkette oder einen Umlenkhebelmechanismus am Ende der Achse verbunden. Sturmey-Archer nenn diese Kombination aus Stößelstange und Kette Schaltkette (Auf Englisch indicator spindle).

Eine Sturmey-Archer Schaltkette

Viele neuere Naben führen den Zug um eine Umlenkrolle innen am rechten Ausfallende vorbei, wo er eine Manschette bewegt, die konzentrisch um die Achse bewegt, die eine Sperrklinke oder eine Rastklinke aktiviert. Manchmal wird auch eine Schaltnocken bewegt, der einzelne Elemente längswärts entlang der Achse bewegt. Bei Rotationsschaltung wird die Zugverbindung besser geschützt, dafür wird der innenliegende Mechanismus komplexer.

Die Sachs Elan 12 Gang Getriebenabe hatte Rotationsschaltung, bei der Schaltstangen gekippt wurden, die die Achse rundherum einschlossen. Dabei wurde eine Sperrklinke aktiviert, die entweder über die Schaltstangen herüberglitt oder in diese eingriff, wie man es unten im Bild erkennen kann.

Die klassische Regelung einer Nabenschaltung war ein Hebelaufbau mit einer Klemmung, die an jeden Lenker montierbar war. Manche Naben haben einen Drehgriffschalter, den man ausschließlich an aufrechte (also gerade) Lenker montieren kann. Dropbars haben eine etwas größeren Durchmesser. Für manche Naben gibt es Lösungen am Ersatzteilmarkt und Selbstbaulösungen sind natürlich immer denkbar.

Sturmey-Archer Schalthebel (Für deutsche Übersetzung der Anleitung bitte Bild anklicken)

Planetengetriebe

Alle gewöhnlichen Nabenschaltungen haben ein Planetengetriebe, das in seiner einfachsten Ausführung folgendes enthält:

Ein einfaches zentral platziertes Sonnenrad auf der Nabenachse.
Ein Planetenkäfig mit drei oder vier Planetenrädern, die um das Sonnenrad herum platziert sind und in dieses eingreifen und zusätzlich eingreifen in
ein Hohlrad, das die Zähne innenliegend hat.

Schnittzeichnung einer Sturmey-Archer Drei-Gang-Nabe

Vorteile

Einfache Planetengetriebe haben einige wichtige Vorteile gegenüber ördinären Stirnradgetrieben:

Die Last wird auf die drei oder vier Planetenräder von außen auf das Sonnenrad und das Hohlrad verteilt, was die Kräfte auf die einzelnen Zahnräder verringert. Daher kann man den Aufbau kleiner und leichtgewichtiger bauen. Drei Planetenräder teilen die Last gleichmäßig auf - in etwa wie ein dreibeiniger Hocker. Bei vier Planetenrädern wird aus dem tangentialen Versatz zum Ausgleich der Last zwischen zwei sich gegenüberliegenden Planetenrädern ein radialer Versatz der beiden anderen Planetenräder. Die Lastverteilung ist zuerst ungleichmäßig bis die Nabe eingefahren ist. Selbst dann kann sie ungleichmäßig sein, weil sich die Achse unter Gewicht und Kettenspannung biegt.
Das Sonnenrad, der Planetenkäfig und das Hohlrad sind gleichachsig, so dass eingehende und ausgehende Kräfte einfach durchgereicht werden oder am Getriebe vorbeigeleitet werden, so dass man hohe, gleiche (1:1) oder niedrige Übersetzung erhält.
Weil der Planetenkäfig im symmetrischen Mechanismus "schwimmt", überträgt das Getriebe Biegelasten und Reibungswiderstand nur auf die Planetenräderachsen und nicht auf die Nabenachse. Biegelasten auf die Nabenachse werden trotzdem aufgebracht, weil der Fahrer Gewicht mitbringt und die Kette unter Spannung steht.
Obwohl jedes Planetenrad in zwei andere Zahnräder eingreift ist Kraftübertragungsverlust minimiert, weil sich der Planetenkäfig langsamer in die gleiche Richtung wie die Planetenräder dreht, so dass die Geschwindigkeit, mit der sich die Planetengetriebelagerkugeln bewegen müssen und mit der Zahnräder ineinandergreifen und wieder lösen reduziert wird. Effizienz wird später in diesem Artikel noch einmal detailliert betrachtet.

Einschränkungen

Ein einfaches Planetengetriebe mit einem stationären Sonnenrad kann keinen Übersetzungssprung aufwärts von mehr als 2:1 darstellen - die Planetenräder würden sonst infinitesimal klein werden und unendlich schnell rotieren müssen; ein Überstzungssprung abwärts kann nicht kleiner als 1:2 werden. Während man durch übergehen des Getriebes eine 1:1 Übersetzung darstellen kann, wäre das Achsgetriebe infinitesimal klein für Übersetzungen nahe an 1:1.
Ähnlich verhält es sich, wenn man das Hohlrad stationär gestaltet und das Sonnenrad den Planetenkäfig antreibt. Dann muss die Übersetzungsbandbreite zwischen Null und 1:2 liegen, jedoch nicht nahe an den beiden Grenzen. Wenn der Planetenkäfig das Sonnenrad antreibt, muss die Übersetzungsbandbreite zwischen 2:1 und unendlich liegen - jedoch wiederum nicht nahe an den jeweiligen Grenzen.
Die dritte Möglichkeit wäre, den Planetenkäfig stationär zu halten, bietet nur Rückwärtsgänge an und wird ausschließlich bei wenigen Getriebenaben für Trikes eingesetzt.

Verbreitete Drei-Gang-Naben: Sturmey-Archer, SRAM, Shimano

Die gewöhnlichen Drei-Gang-Naben von Sturmey-Archer, SRAM und Shimano haben ein einfach abgestuftes Planetensystem, bei dem das Sonnenrad auf der Achse fixiert ist. Schaltteile führen die Kraft durch das Pkanenetnsysten entweder in die eine oder andere Richtung, um herauf- oder herunterzuschalten, oder den Nabenkörper für die 1:1 Übersetzung direkt anzutreiben.

Sturmey-Archer bietet Drei-Gang-Naben mit Keilverzahnungen für Shimano Standardkassetten an, damit man ein mehrgängiges Hybridschaltungssystem zusammenbauen kann. Diese Naben eliminieren den Bedarf an einem Umwerfer und sind besonders geeignet für Laufräder mit kleinem Durchmesser: Der obere Gang vermeidet die Notwendigkeit für ein übergoßes Kettenblatt. SRAM bietet seit 2017 keine Nabenschaltungsnaben mehr an.

SRAM DualDrive Drei-Gang-Nabenschaltung mit Kettenschaltungs-Kassette
(wird nicht mehr hergestellt, aber Sturmey-Archer verfolgt ein ähnliches Konzept)

Zusammengesetzte/abgestufte Planetengetriebe

Ein Planetensystem kann abgestufte (zusammengesetzte) Planetenräder haben. Ein zusammengesetztes Planetenrad besteht aus zwei oder mehr Zahnrädern, die nebeneinander auf der gleichen Achse laufen. Sie bestehen aus einem Stück, so dass sie sich mit der gleichen Geschwindigkeit drehen. Jede Sektion hat eine andere Zahl an Zähnen. Der eine Satz greift in das Hohlrad und in ein Sonnenrad ein. Jeweils ein anderes Sonnenrad greift in eine andere Sektion des Planetenrads ein. Festsetzen des einen oder anderen Sonnenrads erzeugt eine andere Übersetzung, so dass man die Möglichkeit erhält, auch Übersetzungen darzustellen, die mit einem einfachen Planetengetriebe nicht zu erreichen wären. Die meisten Naben mit zusammengesetzten Planetengetrieben haben eine "neutrale" Position zwischen zwei Gängen, weil es nicht möglich ist, zwei Sonnenräder gleichzeitig auf der Achse festzusetzen. Dieses Problem ist schwer zu vermeiden, wenn der gleiche Antriebsstrang sowohl für höhere als auch niedrigere Übersetzungen genutzt werden soll, weil die Sonnenräder nicht in beide Richtungen frei laufen können. Es müsste also eine separate rückziehbare Sperrklinke für jede Rotationsrichtung geben.

Ein abgestuftes Planetenzahnrad

Zusammengesetzte Planetenräder müssen synchronisiert werden, damit die alle Sonnenräder richtig greifen. Anderenfalls sind die Zähne, die in das eine Sonnenrad greifen, nicht mit denen synchron, die ein anderes Sonnenrad greifen. Dadurch wird unruhiger Lauf erzeugt und es besteht die Gefahr von Beschädigungen. Die Planetenräder haben normalerweise eine Markierung, die anzeigt, wie sie ausgerichtet werden sollen. Die Einkerbung im Bild oben ist ein Beispiel für eine solche Markierung. Im Bild unten sieht man die Synchronisation von Planetenrädern einer Sturmey-Archer Sprinter 5 Nabe während der Montage des Planetenkäfigs. Die (Punkt)Markierungen müssen alle direkt nach Außen gerichtet sein.

Sturmey-Archer und Sachs/SRAM Fünf-Gang

Sturmey-Archer und Sachs/SRAM haben mehrere Modelle von Fünf-Gang-Naben hergestellt, die ein einfach abgestuftes Planetensystem hatten. Niedrige, 1:1 und Hohe Übersetzung werden wie bei der Drei-Gang-Nabe eingestellt. Zusätzlich haben die hohe und die niedrige Stufe je zwei Gänge.

Die schmale Seite jedes Planetenrads greift in das Hohlrad und in ein Sonnenrad ein. Das dickere Ende greift in ein anderes schmaleres Sonnenrad ein. Wenn das größere Sonnenrad mit der Achse verschränkt wird, arbeitet die Nabe wie bei einem einfachen Planetengetriebe. Sobald das kleinere Sonnenrad mit der Achse verschränkt wird, wird eine engere Bandbreite (der Übersetzung) angelegt.

Frühe Sturmey-Archer und SRAM Fünf-Gang-Naben hatten einen Schaltstößel und einen Schaltzug auf der rechten Seite für die Funktion abwärts-1:1-aufwärts und einen weiteren solchen Aufbau links für die breite-enge (Übersetzungs)Funktion. Neuere Fünf-Gang-Naben brauchen nur noch einen Schalter und einen Schaltzug. Das ist einfacher für den Fahrer/Monteur, bedeutet aber eine kompliziertere Verbindung zum innenliegenden Mechanismus.

Sturmey-Archer und SRAM Sieben-Gang

Sturmey-Archer und SRAM Sieben-Gang-Naben (beide nicht mehr erhältlich) sind den Fünf-Gang-Naben sehr ähnlich, außer dass die Planetenräder dreifach abgestuft sind. Das Hohlrad greift den mittleren Satz der Planetenradzähne. Bei allen diesen Naben muss die kleinste Sektion der Planetenräder genügend Zähne haben, um akzeptable Haltbarkeit und Verschleißdauer zu erreichen. Das schränkt die Bandbreite dieser Naben ein.

Mehrstufige Planetengetriebe

Mehrstufige Planetengetriebe bieten mehr Flexibilität als einfach abgestufte Getriebe, was jedoch zu Lasten der Effizienz geht.

Alle drei Stufen rotierend

Bei einem Ansatz rotieren alle drei Elemente eines Planetensystems: Das Sonnenrad wird von einem zweiten Planetensystem vorwärts oder rückwärts gedreht. Einige Sturmey-Archer Naben mit engere Übersetzunsgbandbreite aus der Mitte des 20. Jahrhunderts bedienten sich dieses Systems, um Übersetzungen Nahe der 1:1 Übersetzung darstellen zu können. Man beabsichtigte, damit Rennfahrer und ambitionierte Freizeitfahrer zu begeistern. Daher boten diese Naben nur drei oder vier Übersetzungen, zogen aber gegenüber den Kettenschaltung am Markt den den Kürzeren, weil diese enge Abstufungen und gleichzeitig mehr Übersetzungen anbieten konnten. Die sehr ausgeklügelte Sachs Elan 12 Gang Getriebenabe von 1995 wie auch die SRAM i-Motion 9 Nabe hatten diese drei rotierenden Elemente. Die Produktion beider Naben wurde inzwischen eingestellt.

Stufen in Reihe; Shimano Nexus Sieben-Gang

Mehr als eine Planetenstufe kann auch in Reihe gebaut werden, was die Einschränkungen von einfach abgestuften Planetengetrieben überwindet. Dieses System wird bei Naben neuerer Bauart verwendet.

Die ersten verbreiteten Naben, die diese Form der Abstufung in Reihe nutzen, waren die Shimano Nexus Sieben-Gang-Naben.

In dieser Nabe arbeiten zwei Stufen. Die erste Stufe kann nur abwärts schalten und die zweite aufwärts. Jede Stufe hat ein zweiteiliges zusammengesetztes Planetengetriebe mit zwei Sonnenrädern, so dass zwei verschiedene Übersetzungen oder eeine 1:1 Übersetzung erzeugt werden. In den mittleren drei der sieben Gänge wird die Kraft durch beide Stufen geleitet. Die Nabe setzt die 1:1 Übersetzung beider Stufen nicht gleichzeitig ein. Stattdessen kommt eine nahe an 1:1 liegende Übersetzung zustande, die durch abwärts schalten und danach aufwärts schalten durch zwei fast komplementäre Übersetzungen zustande kommt. Das vermeidet eine ungünstige Schaltkombination.

Die Nexus Sieben-Gang-Nabe war die erste verbreitete Nabe mit Rotationsschaltung. Obwohl dieses Prinzip wegen seines geschmeidigen Schaltverhaltens, den geschützt verlaufenden Schaltzug und seine gleichmäßige Abstufung gelobt wird, wird die Nexus Sieben-Gang-Nabe oft wegen ihrer verminderten Effizienz in den mittleren Gängen uns ihre geringe Haltbarkeit wegen der sehr kleinen Sonnenradsperrklinken kritisiert. Neuere Modelle dieser Naben könnten eine verbesserte Zuverlässigkeit aufweisen.

Stufen, die nur aufwärts oder abwärts schalten und die 1:1 Übersetzung

Dass eine Nabe nur aufwärts oder abwärts aus der 1:1 Übersetzung heraus schalten kann, ist üblich bei Zweigang-Naben. Einige lassen sich mittels Rücktrittschaltung bedienen. Dieser Schaltungstyp ist besonders nützlich bei Fahrrädern, die man teilen oder falten kann, weil hier ein Schaltzug die Sache komplizierter machen würde.

Sturmey-Archer Fixed-Gear Naben

Gleichzeitig hat Sturmey-Archer früher einmal und auch heute (Stand 2010) wieder einen Drei-Gang-Fised-Gear-Nabe im Angebot. Die Fixed-Gear Nabe schaltet nur abwärts, weil der Planetenkäfig, der den Nabenkörper antreibt, permanent mit diesem verbunden ist. Weil es keinen Freilaufmechanismus gibt, haben diese Naben "neutrale" Positionen zwischen je zwei Gängen.

Shimano Nexus Vier-Gang

Die Shimano Nexus Vier-Gang-Naben haben einen 1:1 Übersetzung und drei aufsteigende Übersetzungen. Sie haben drei Sonnenräder, die jeweils in einem anderen Satz an Zähnen zusammengesetzter Planetenräder eingreifen. Wenn keines der Sonnenräder mit der Achse verbunden ist, arbeitet die Nabe im kleinsten direktübersetzten (1:1) Gang. Jedes der Sonnenräder stellt einen andere höhere Übersetzung her. Die Sperrklinken, die den Nabenkörper in den höheren Übersetzungen antreiben, übersteuern die der Direktübersetzung. Wie bei der Sieben-Gang-Nabe ist auch bei der Vier-Gang-Nabe der Schaltzug mittels Rotationsschaltung angebunden. Es gibt keinen "neutralen" Gang: Die Nabe fällt in die Standardeinstellung des kleinsten Gangs, wenn der nächsthöhere Gang nicht eingelegt ist.

Shimano Nexus und Alfine Acht-Gang

Shimano Nexus und Alfine Acht-Gang-Naben sind den Vier-Gang-Naben sehr ähnlich, haben jedoch eine vorgelagerte Stufe, die entweder direktübersetzt arbeitet oder herabstuft und so die Zahl der Gänge verdoppelt. Die Sequenz der Übersetzungen ist bei diesen Naben unregelmäßig. Die Abstufungen zwischen dem ersten und zweiten sowie dem fünften und sechsten Gang sind größer als die anderen Abstufungen. Das liegt wahrscheinlich an der Schwierigkeit eine Übersetzung Nahe an der 1:1 Übersetzung mit nur einer Stufe zu erzeugen. Die Effizienz ist im fünften Gang - dem direktübersetzten (1:1) Gang - am höchsten.

Sturmey-Archer Acht-Gang

Sturmey-Archer Acht-Gang-Naben haben drei einfache Planetensystem, die jeweils unterschiedlich aufsteigende Übersetzungen erzeugen. Die achte Gänge werden durch in Reihe schalten von einem, zwei oder allen drei Planetensystemen oder dem überspringen aller System für die Direktübersetzung (1:1) erzeugt. Konsequenterweise ist der kleinste Gang der effizienteste und der höchste Gang, der alle drei Planetensysteme nutzt der ineffizienteste. Auf einem konventionellen Fahrrad benötigt diese Nabe ein ungewöhnlich großes Ritzel und ein ungewöhnlich kleines Kettenblatt, jedoch ist diese Nabe speziell für Fahrräder mit kleinen Laufrädern geeignet.

Schnittmodell einer Sturmey-Archer X-RD8(W) Acht-Gang-Nabe mit drei Gangabstufungen (rechts nach links in der Illustration)

Das erste Modell aus der Serie dieser Naben hatten eine Gesamtbandbreite von 3,05. das aktuelle Modell (2010) hat eine Gesamtbandbreite von 3,24 und hat Abstufungen von etwa 14% bis auf die erste und letzte Stufe, die jeweils 30% betragen. Damit die zweitniedrigste Übersetzung näher an die Direktübersetzung käme, würde man ein winziges Sonnenrad benötigen und damit die Lebensdauer der Nabe deutlich reduzieren. Man schaltet, indem man kein, ein, zwei oder alle drei Sonnenräder mit der Achse verschränkt. Wenn ein Sonnenrad nicht mit der Achse verbunden ist, arbeitet diese Stufe mit Direktübersetzung. Sobald ein Sonnenrad mit der Achse verschränkt wird, schaltet die Stufe aufwärts und übersteuert die Sperrklinken für die Direktübersetzung. Es gibt keinen "neutralen" Gang, weil die Nabe in die Standardeinstellung des nächstniedrigeren Gangs zurückspringt. Am rechten Ausfallende gibt es eine Befestigung des Schaltzugs an den Rotationsschaltungsmechanismus.

Kompromissloser Aufbau: Sachs Elan und Rohloff Speedhub

Die Sachs Elan, die nicht mehr verfügbar ist, war die erste Nabenschaltungsnabe, die versuchte, mit modernen Kettenschaltungssystemen in Konkurrenz zu treten. Es gibt einen eigenen Artikel Über die Sachs Elan 12 Gang Getriebenabe.

Sachs Elan Zwölfgang-Nabe

Die aktuell verfügbare Rohloff Speedhub hat 14 Gänge mit regelmäßigen Gangabstufungen von 13% und eine Gesamtbandbreite von 5:1. Die Rohloff wird als Ersatz für Kettenschaltungssysteme vermarktet, wobei sie in Gewicht und Effizienz wettbewerbsfähig und an Zuverlässigkeit überelegen sein soll.

Schnittmodell einer Rohloff 500/14 Speedhub

Diese Nabe hat drei Planetensysteme, die sich in obigem Schnittmodell von links nach rechts anordnen. Die erste und zweite Stufe haben zweifach abgestufte Zahnräder mit identischen Zähnezahlen. Die erste Stufe schaltet nur abwärts und die zweite Stufe nur aufwärts. Sieben der neun möglichen Gangkombinationen werden ausgenutzt; die beiden ungenutzten Kombinationen würden Direktübersetzung (1:1) liefern, aber die Kraft durch beide Zahnradsätze leiten.

Bei der dritten Stufe wird die Kraft über das Sonnenrad eingeleitet und über den Planetenkäfig ausgeleitet. So wird die gesamte Bandbreite abwärts umgeleitet und die Zahl der verfügbaren Gänge verdoppelt.

Die Rohloff Speedhub ist die vielseitigste und bei weitem teuerste Nabenschaltung, die zur Zeit der Artikelerstellung (2010) am Markt verfügbar ist. Sie belebt wünschenswerte Eigenschaften klassischer Nabenschaltungsnaben wie Ölschmierung, und gewichtsoptimierten Aufbau. Jedoch rutscht sie mit dem Preis aus dem Markt für Stadtradler. Eine von Rohloff konstruierte Nabe mit sieben (oder so) Gängen mit breiter Bandbreite wäre eine interessante Vorstellung.

Shimano Elf-Gang

Ende 2010 bot Shimano Alfine Elf-Gang-Naben an. Sie haben eine Ölschmierung. Anhand von Zeichnungen und Übersetzungsverhältnissen zeigen auf, dass sie den Acht-Gang-Naben recht ähnlich sind. Die erste Stufe schaltet nur abwärts und eine andere Stufe nur aufwärts. Der mittlere Gang ist jedoch keine Direktübersetzung (1:1). Die erste Stufe hat schräg verzahnte Zahnräder. Zur Zeit der Artikelerstellung lag kein Muster für eine genauere Inspektion vor.

Trends

Es gibt einen allgemeinen Trend hin zu höherer Komplexität und höhere Kosten. Jedoch sind weiterhin einfache Drei-Gang-Naben erhältlich.

Die klassische Sturmey-Archer Drei-Gang-Nabe war sehr ökonomisch, wenn der Besitzer sie gelegentlich schmierte und den Schaltzug nachjustierte. Das Öl wurde ausgespült und verschmierte den Nabenkörper, während das Innere sauber blieb. Diese Naben konnte man sehr einfach mit gut verfügbaren und günstigen Teilen warten. Manche Sturmey-Archer Fünf-Gang-Modelle waren auch sehr zuverlässig, insofern der Besitzer die mitgelieferten Schalthebel durch ein paar Sturmey-Archer Trigger Shifter ersetzte. Diese älteren Sturmey-Archer Naben hatten einen "neutralen" zwischen dem zweiten und dritten Gang und konnten bei schlecht eingestelltem Schaltzug in den Freilauf (vorwärts tretend!) springen. Diese Probleme sind mit aktuellen Modellen aller Marken verschwunden.

Siehe auch

Jobst Brandt zu Sturmey-Archer Nabenschaltungen (englisch)

Im Jahr 2010 aktuelle SRAM und Shimano Drei-Gang-Modelle sind einfach und robust, genauso wie SRAM Fünf- und Sieben-Gang-Modelle. Jedoch erwies sich die (nicht mehr verfügbare) SRAM i-Motion Neungang-Nabe erwies sich als unzuverlässig. Kurz vor dem Erstellen des Artikels hatte SRAM eine Acht-Gang- und eine Neungang-Nabe auf den Mark gebracht, die einfacher und vielversprechender waren. Diese sind inzwischen schon wieder vom Markt verschwunden. Frühe Shimano Drei-Gang-Naben widerstanden hartem Pedalieren nicht. Die Shimano Sieben-Gang-Naben fingen nach ein paar Jahren Nutzung plötzlich an, zu springen. Die Acht-Gang-Naben sind deutliche Verbesserungen gegenüber den Sieben-Gang-Modelle sind aber recht kompliziert.

Es gab ernsthafte Zuverlässigkeitsprobleme mit einigen aktuelleren Sturmey-Archer Naben. Diese werden im Detial im Artikel Sturmey-Archer Naben besprochen.

Heutzutage sind alle Nabenschaltungsnaben außer der Rohloff Speedhub 500/14 und der Shimano Elf-Gang-Nabe mit Fett geschmiert und haben keine Öl-Einfüllöffnung. Fett ist bei Naben mit Rücktrittbremse zwingend notwendig. Bei den meisten Naben ist es auf die eine oder andere Weise möglich, dennoch Öl einzufüllen, ohne dass man die Nabe demontieren muss. Oft ist es angeraten, die Nabe vor Inbetriebnahme noch einmal zu schmieren.

Siehe auch

Abschnitt über "Schmierung" im Artikel "Alles über Nabenschaltngen"

Alle in Allem geht der Trend in Richtung "weniger Wartung durch den Fahrer" auf Kosten von häufigeren Serviceintervallen und Anfälligkeit gegenüber Wassereindringens. Viele Fahrer fahren die Naben einfach, bis sie versagen und Hersteller regieren darauf, dass sie Naben mit "lebenslanges" Schmierung produzieren.

Mehrere andere Entwicklungen verringern die Möglichkeiten der Wartung gegenüber den klassischen Drei-Gang-Naben:

Lagerschalen und Klinkenräder werden in den Nabenkörper eingepresst statt geschraubt und sind nicht tauschbar. Wenn eine Lagerschale verschliessen oder korrodiert ist, muss man den Nabenkörper und im Allgemeinen das gesamte Laufrad tauschen.
Der gesamte innenliegende Mechanismus muss durch die äußere Lagerschale auf der rechten Seite passen. Daher muss die Lagerschale einen größeren Durchmesser aufweisen als jedes innenliegende Bauteil. Das ist einer der Gründe, warum Versiegelung gegenüber Wasser und Schmutz nicht mehr so gut wie bei früheren Naben ist. Ein weiterer Grund sind die Staubkappen aktueller Naben. Diese sind nicht mehr so ausgefeilt wie die Doppellabyrinthdichtungen älterer Sturmey-Archer Naben.
Naben mit mehr Übersetzungen sind komplizierter, teurer, schwerer und schwieriger zu reparieren.
Viele Fahrradwerkstätten haben keinen Mechaniker, der weiß wie man diese Naben grunderneuert, obwohl Anleitungen dafür zumeist im Internet verfügbar sind. Die übliche Reparaturmethode ist der Tausch des gesamenten Innenlebens einer Nabe.
Größeres Interesse an Nabenschaltungen führte zu einer größeren Varianz an Naben mit mehr Übersetzungen. Es führte aber auch zu häufigeren Modellwechseln und dadurch zu Zuverlässigkeitsproblemen bei einigen Naben. Manche Bauteile für nicht besonders alte Nabenmodelle sind bereits nicht mehr am Ersatzteilmarkt verfügbar.

Effizienz

Bei einem Antrieb für Fahrräder ist hohe Effizienz wichtig. Betrachten wir die Faktoren bei einem einfachen Planetengetriebe, die Einfluss auf die Effizienz nehmen. Hier soll uns eine einfache Sturmey-Archer Drei-Gang-Nabe als Beispiel dienen, bei der Sonnen- und Planetenräder mit je 20 Zähnen und ein Hohlrad mit 60 Zähnen zum Einsatz kommen. Hier soll nur dieses eine Beispiel herhalten, aber man kann sich beliebige andere ähnlich herleiten.

Nehmen wir an, der Mitnehmer dreht sich genau einmal (als Reaktion auf eine Umdrehung des Ritzels). Daraus resultiert eine 1 ¹/₃ Umdrehung des Nabenkörpers im höchsten Gang. Der Mitnehmer ist mit dem Planetenköfig verbunden. Wenn der Mitnehmer eine Umdrehung vollführt, macht jedes Planetenrad zwei Umdrehungen während es sich das stationäre Sonnenrad läuft, jedoch nur eine Umdrehung um seine Achse, weil die Achse sich mit dem Planetenkäfig vorwärts dreht. Daher ist das nur eine Umdrehung relativ zum Sonnenrad, weil er sich um das SOnnenrad in die gleiche Richtung dreht wie er sich selbst dreht.

Die Planetenräder laufen im 60 Zähne Hohlrad 20 Zähne vorwärts.

Alles in allem erfährt des Getriebe bei jeder Umdrehung des Mitnehmers Zahnkontaktverlust wegen:

einer Umdrehung des Planetensystems relativ zum Sonnenrad. Diese Zahnräder haben alle die gleichen Durchmesser.
einer ¹/₃ Umdrehung des Hohlrads, wo es in das Sonnenrad eingreift. Die gleiche Zahl von Zahnrädern (20) greifen ein und gehen auseinander zwischen Plantenrad und Sonnenrad, jedoch greifen jeweils mehr Zähne jedes Planetenrads zugleich ein und sie laufen langsamer weil das Hohlrad einen nach innen gekehrtes Zahnrad ist.

Wohlgeformte und aufeinander ausgerichtete Zähne von Stirnrädern sind in rollierendem Kontakt, ohne zu rutschen.

Des weiteren gibt es Lager die Widerstand aufbringen.

Die Planetenräder machen eine Umdrehung um ihre Achse, die durch tagentiale Kräfte durch das Drehmoment des Mitnehmers auf dem Achsenradius vorgespannt sind. Andere Kräfte heben sich mehr oder weniger durch Symmetrie auf, weil jedes Planetenrad sowohl das Sonnenrad als auch das Hohlrad an gegenüberliegenden Stellen berührt.
Das Konuslager zwischen Achse und Nabenkörper auf der linken Seite trägt etwa die Hälfte des Gewichts auf das Hinterrad und ein wenig der Kettenzugkräfte; der Nabenkörper bewegt sich mit der Geschwindigkeit der ausgehenden Bewegung - das ist 1 ¹/₃ der Geschwindigkeit des Mitnehmers.
Das kleinere (außenliegende) Konuslager der rechten Seite bewegt sich mit der Geschwindigkeit des Mitnehmers und trägt ebenfalls etwa die Hälfte des Gewichts auf dem Hinterrad und den Großteil der Kettenzugkräfte.
Das größere (innenliegende) Konuslager auf der rechten Seite zwischen Mitnehmer und Nabenkörper bewegt sich relativ zum Mitnehmer mit nur etwa ¹/₃ der Geschwindigkeit. Es hat jedoch einen großen Durchmesser, was die lineare Geschwindigkeit zwischen den Lagerschalen erhöht. Dieses Lager trägt ebenfalls etwa die Hälfte des Gewichts auf dem Hinterrad und es werden Biegekräfte durch Gewicht und Kettenzug auf es ausgeübt. Dieses Lager hat kleinere Lagerkugeln als das Kugellager auf der Achse (³/₁₆ statt ¹/₄ Zoll).

Die Zahnräder und Lager fügen noch Widerstand im Vergleich zu einem Singlespeedantrieb hinzu. Dagegen hat eine Nabenschaltung keinen Zusätzlichen Widerstand durch das Umlaufen von Umlenkrollen oder durch falsch eingestellte Ketten zu ertragen.

Untersuchungen haben gezeigt, dass Nabenschaltungen etwas weniger effizient arbeiten als Kettenschaltungssysteme. Allerdings machen sie diesen Nachteil im Stadtverkehr durch leichte und schnelle Schaltvorgänge wieder wett. Der direktübersetzte mittlere Gang einer Nabenschaltung ist in der Theorie sehr effizient, weil die Kräfte direkt auf den Nabenkörper übertragen werden. In der Praxis ist dieser Gang nicht unbedingt effizienter als die anderen Gänge. Dieser Umstand ist noch nicht wirklich ergründet.

Ältere Nabneschaltungen - genauso wie die Rohloff Speedhub 500/14 und die Shimano Elf-Gang-Nabe - haben Ölschmierung, was den Widerstand gering hält. Viele neuere Naben mit mehr als einer Stufe, die mit fett geschmiert werden, sind weniger effizient.

Eine umfassende Betrachtung der Effizienz von Nabenschaltungen wurde durch Dr. Chester Kyle und Frank Berto durchgeführt und im Journal "Human Power" (Ausgabe 52, siehe unten) veröffentlicht. Sie macht interessante Vergleiche in der Betrachtung der Effizienz von Kettenschaltungssystemen (Ausgabe #50 und #51, siehe unten). Effizienz steigt mit höherer Kettenspannung oder mit aufgebrachter Kraft (durch den Fahrer). Kyle und Berto weisen der Rohloff Spededhub geringere Effizienz nach als die Hersteller versprechen - sie ist jedoch immer noch absolut beeindruckend hoch! Für Kettenschaltungen wies man bei kleinen Ritzeln geringere Effizienz nach (s. Ausgabe #50). das wurde jedoch in Ausgabe #51 durch Neuberechnungen mit der gleichen Kraft bei gleichen Laufradumdrehungsgeschwindigkeiten wieder aufgehoben.

Siehe auch

Welche Nabenschaltung ist nun die Richtige?

Kettenschaltungen oder die Rohloff Speedhub (zu einem hohen Preis) mit breiter Übersetzungsabndbreite und engen Abstufungen machen Fahrradfahren leichter in steilem Gelände oder für schwere Transporte und für schwächere Fahrradfahrer. Für die meisten Einsätze in der Stadt kann eine ordentlich gewählte und eingestellte Nabenschaltung alle Vorteile einer Kettenschaltung ausstechen.

Das Singlespeedfahrrad und die klassische Drei-Gang-Nabe mit Übersetzungsgetriebe waren jahrzehntelang die Stütze des städtischen Fahrradverkehrs. Es ist kein Zufall, dass Fahrradfahren in Städten, die flaches Terrain haben, besonders beliebt ist (Amsterdam, Kopenhagen, Berlin, etc.)

Sogar in diesen Städten können Singlespeed und Übersetzungsgetriebe mit drei Gängen sich nicht geschickt an verschiedene Herausforderungen wie Wind, Gepäck und Kraftausdauer des Fahrers anpassen. Viele Nutzlastfahrräder hatten zusätzlich nur eine Rücktrittbremse und einen Bremsweg, der ungefähr doppelt so lang war wie bei einem Fahrrad mit Vorderradbremse. Fahrräder mit nur einer Bremse sind in den meisten Ländern (auch Deutschland!) für den Straßenverkehr nicht zugelassen. Die Rücktrittbremse verhindert schnelles Anfahren, weil man die Pedale nicht rückwärts in eine günstige Position drehen kann. Außerdem überhitzt sie bei langen Bergabfahrten.

Es ist leicht verständlich, dass sich ein betrieb mit zwei Handbremsen auf Dauer durchsetzt. In Großbritannien, Frankreich und den USA waren diese Aufbauten schon seit Jahrzehnten Standard. manchmal ist die Hinterradbremse eine Scheibenbremse, eine Trommelbremse oder Shimano Rollerbrake, die in die Nabenschaltungsnabe integriert ist. Anders als Felgenbremsen sind sie relativ immun gegenüber feuchten Witterungsverhältnissen.

John Allen meint, dass eine Entfaltung im höchsten Gang von etwa 5,6 bis 6,4 Metern (70 bis 80 Gear Inch) die Grundvoraussetzung für eine vernünftige Performance im Stadtverkehr sei. Er meint, dass eine bevorzugte Schalteinheit fünf bis acht Gänge haben sollte.

In einer hügeligeren Stadt wie zum Beispiel Wuppertal (oder San Francisco) kann es Bedarf nach einer größeren Übersetzungsbandbreite geben als ein preiswertes Nabenschaltungsmodell bieten kann. Hybridschaltung oder eine Kettenschaltung ist die preiswertere Alternative zu Nabenschaltungsmodellen, die diese Anforderungen abdeckt. man hat jedoch mehr Aufwand bei der Wartung.

Die Gewichtsfrage spielt natürlich auch im Auswahlprozess für eine Nabe eine Rolle. Leichtgewichtig ist bei Fahrrädern, die oft getragen werden, wichtig. Das gilt insbesondere bei Falträdern, die wohl am häufigsten getragen werden.

Mit seinen Drei-Gang- und Fünf-Gang-Naben mit Aluminiumhülle behält Sturmey-Archer weiterhin die Rolle für gewichtsoptimierte Naben bei, die sie sich in der Mitte des 20. Jahrhunderts erarbeitet haben. Obwohl SRAMs Fünf-Gang- und Siebangang-Naben im Inneren sehr ähnlich aufgebaut waren wir Sturmey-Archer Naben, wurden sie zumeist mit schwereren Stahlnabenkörpern verkauft. Shimano steht irgendwo dazwischen. Keine der Naben mit mehr als sieben Gängen ist besonders leicht.

John Allens Fahrräder haben zwischen einem und 30 Gängen alle möglichen Abstufungen. Jedich nimmt er für das Fahrradfahren in der Stadt bevorzugt das Fahrrad mit der alten Sturmey-Archer Fünf-Gang-Nabe. Wenn er das Bedürfnis für kleinere Übersetzungen hat, weil er einen Anhänger bergauf nach hause ziehen will, hat er sich ein Laufrad mit einer SRAM Sieben-Gang-Nabe mit einer Trommelbremse und ein weiteres mit einer Shimano Acht-Gang-Nabe aufgebaut. Er testet beide aus. Die SRAM Nabe hat einen Aluminiumkörper, der inklusive der Bremse nur wenig mehr wiegt als die bremsenlose Version mit Stahlkörper. Die Shimano Version hat eine Rollerbrake, die er aber plant zu demontieren, um eine Felgenbremse zu montieren. Die Rollerbrake bietet auch ohne Aktivierung zuviel Widerstand.

Siehe auch

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Quelle

Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Internal Gear Hub Theory von der Website Sheldon Browns. Originalautor des Artikels ist John Allen.

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