Ketten- und Ritzelverschleiß

Fahrradfahrer sprechen oft von Kettenlängung, so als ob die seitlichen Laschen der Kette durch die Kräfte des Pedalierens aus ihrer Form gezogen würden. So funktioniert das natürlich nicht. Der Hauptgrund für Kettenlängung ist der Materialverschleiß der Niete an der Stelle, wo sie sich in der Buchse (oder "Halbbuchse" der buchsenlosen Kette) durch das ständige Strecken und Entspannen der Kette und dem Wechsel von Ritzel zu Ritzel beim Schaltvorgang dreht. Wenn man eine alte und verschlissenen Kette auseinanderbaut, kann man leicht die Einkerbungen durch das Reiben der Buchsen an den Seiten der Niete erkennen. Bei buchsenlosen Ketten hat die Innenkante des Innenlaschenlochs eine geschmeidige Kante statt einer harten Kante. Das trägt vermutlich zur längeren Lebensdauer von buchsenlosen Ketten bei.

Hier erkennt man, wie das Material der Niete einer ungewöhnlich stark verschlissenen Kette abgetragen wurde. Man kann gut erkennen, wie die Rolle leicht aus der Position geschoben ist.

Hier sieht man, warum die Rolle seitliche verschoben ist. Die "Halbbuchse" ist abgeschliffen worden. Sicherlich ist auch das Innere der Rolle vergrößert.

Abweichung zum Originalartikel

Dieser Artikel weicht etwas vom Originalartikel ab. Hier befinden sich auch Inhalte aus einer älteren version des Artikels, die dort vollständig verschunden sind, wir an dieser Stelle aber für relevant genug halten, um sie im Artikel beizubehalten.

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Kette und Ritzel in verschiedenen Verschleißzuständen

Auf den folgenden Bildern wird die Kette im Uhrzeigersinn um das Ritzel geführt. Das heißt, dass die Kette auf der rechten Seite abwärts gezogen wird.

Neue Kette auf neuem Ritzel

Wenn eine neue Kette ein neues Ritzel umschlingt, drückt jede Rolle, die auf dem Ritzel aufliegt, mehr oder weniger mit der gleichen Kraft gegen den korrespondierenden Zahn des Ritzels. So verteilt sich die Last und der Druck gleichmäßig über etwa die Hälfte der Ritzelzähne (im Beispielbild oben etwa zehn bis elf Rollen). Die Mitte jeder Rolle ist bis zur Mitte der nächstgelegenen Rolle ziemlich exakt 12,7 mm (1/2 Zoll) entfernt. Dieses Maß nennt man Zahnabstand der Kette. Die Ritzelzähne sind so geformt, dass die Mitte der Biegung, die jedes Tal ausmacht, exakt 12,7 mm (1/2 Zoll) von der nächsten Talmitte entfernt liegt. Der Durchmesser des Ritzels wird berechnet aus dem Zahnabstand und der Zahl der Ritzelzähne.

Verschlissene Kette auf verschlissenem Ritzel

Diese Kette und das Ritzel sind gemeinsam verschlissen. Man kann das Licht an einigen Stellen unter der Kette hindurchscheinen sehen. Die verschlissene Kette hat sich "gelängt", so dass sie nicht mehr in den originalen Abstand zwischen den Ritzelzähnen passt. Das Ritzel ist so weit verschlissen, dass die Abstände zwischen den Zähnen der gelängten Kette angepasst sind. Auf dem Bild oben hängt die Kette lose über dem Ritzel. Beim Pedalieren unter Last ist der obere Antriebstrumm unter Spannung und der untere nicht. In dieser Situation bei gemeinsam verschlossenen Komponenten kann es passieren, dass die Kette oben auf den Zähnen aufliegt und herumgeführt wird.

Dieses Bild zeigt zwei Ritzel. Man erkennt ein stark verschlissenes Ritzel im Vordergrund (silbrig) und ein neues direkt dahinter (schwarz) von der rechten Seite aus gesehen. Bei einem neuen Ritzel ist die Zahnflanke, auf die die Rolle drückt, senkrecht zur Zugkraft der Kette ausgerichtet. Die verschlissenen Zähne sind zu Rampen geworden, auf denen die Kette unter Last hinauf rutscht. Die Rollen rutschen so weit hinauf, bis sie den Radius erreicht haben, der dem vergrößerten Abstand von Niete zu Niete entspricht. Der effektive Durchmesser des Ritzels (und damit der effektive Zahnabstand) ist größer geworden, da die Kette nicht länger in den Talsenken aufliegt.

Neue Kette auf verschlissenem Ritzel

Der Hauptteil des Antriebs wird in dieser Kombination auf der linken Seite, wo die Kette sich mit dem Ritzel zuerst verbindet, ausgeführt. Da die Abstände bei Kettenblatt und Kette nicht zusammenpassen, erreichen die Rollen auf der rechten Seite, wo die Kette das Ritzel wieder verlässt, fast nichts, um das Ritzel weiterzutreiben. Stattdessen werden die Rollen durch den vergrößerten Abstand der Ritzelzähne einfach angehoben. Die Last durch das Pedalieren konzentriert sich somit fast ausschließlich auf der linken Seite. Zudem rollt die Rolle den Zahn hinauf, während sie diesem im Laufe einer Umdrehung folgt. Das erzeugt zusätzlichen Verschleiß an Rollen und Buchsen (bzw. Halbbuchsen). Bei einer passenden Kette bewegen sich die Rollen jeweils nur ein kleines Stück, wenn sie sich mit dem Ritzel verbinden und dann wieder beim Lösen vom Ritzel.

Ergänzung von John Allen

Dies ist wieder ein Bild einer hängenden Kette ohne Last. Die Kettenglieder werden nicht immer höher und höher hinaufrutschen und die ganze Zeit mit dem Zahn in Verbindung bleiben können. Es erscheint so, als ob die Kettenglieder zuerst immer tiefer in das Ritzel hineingedrückt werden, um dann bei Überschreiten des Wendepunkts plötzlich nach oben zu wandern und kurz vor dem Verlassen des Ritzels unter Umständen oben auf dem Zahn aufliegen (Das erkennt man nicht auf dem Bild). Hier kann die Kette dann nach vorne wegrutschen, bevor das Ritzel verlassen wird. Ketten, die durch die Hinterradachsenposition gespannt werden und nicht durch Schaltwerk oder Kettenspanner, werden gezwungen, in Kontakt mit dem verschlissenen Ritzel zu bleiben. Die Kettenglieder stehen in diesem Fall unter hoher Last und unterliegen hohem Verschleiß. Moderne Ritzel, die Schalthilfen zur Schaltoptimierung integriert haben, haben kürzere Zähne. Zähne größerer Ritzel können hakenartige Formen annehmen. Man kann ein verschlissenen Ritzel herumdrehen oder die Haken abschleifen, um die Lebensdauer des Ritzels zu erhöhen. Das ist jedoch bei Ritzeln mit besonderer Form oder Rampen nicht möglich. Bei Fixed Gear Fahrrädern oder Rücktrittbremsen wird das Vorgehen auch nicht empfohlen, da hier die Kette in beide Richtungen belastet wird.

Verschlissene Kette auf neuem Ritzel

Wegen der nicht passenden Abstände bei Ritzelzähnen und Kette ist die Last fast ausschließlich auf der rechten Seite konzentriert. Auf der linken Seite besteht kein richtiger Kontakt zwischen Kette und Ritzel. Das neue Ritzel wird schnell verschleißen, um sich dem Zahnabstand der Kette anzupassen.

Ergänzung von John Allen

In diesem Fall hatte Sheldon wohl recht. Jedoch kann die Kette auch die ganze Zeit oben auf den Zähnen "reiten".

Bei einem Ritzelpaket werden manche Ritzel häufiger genutzt als andere. Hier läuft die Kette manchmal auf einem fast neuen Ritzel innerhalb des ziemlich alten Ritzelpakets. Daher ist diese Kombination gar nicht so unwahrscheinlich.

Wie die Kette ins Ritzel greift

Schauen wir uns nun an, wie die Kette und das Ritzel zusammenarbeiten. Für den Moment schauen wir uns die Spannung an, die durch das ziehen der Kette am Ritzel entsteht und nehemen an, dass die Kette exakt horizontal vom obersten Ritzelzahn weg verläuft.

Die Mitte jeder Rolle einer neuen Kette ist von der nächsten exakt ¹/₂ Zoll (12,7 mm) entfernt. Dieser Abstand bestimmt das Kettenmaß. Der Durchmesser des Ritzels wird vom "Abstand" und der Zahl der Zähne bestimmt. Im Abstandskreis (tatsächlich ist ein ein Ploygon mit 12,7 mm langen Seiten) sitzen die Kettenrollen, wenn sie alle den gleichen Abstand zum Mittelpunkt des Ritzels haben. Die Ritzelzähne sind so geformt, dass die Rückseiten jedes Zahns 12,7 mm von der nächsten Rückseite entfernt sind. Jede Rolle kann sich frei mit diesen Rückseiten verbinden oder sich wieder lösen - ungeachtet der Kettenspannung -, weil das nächste vorausliegende Kettenglied vor dem Ritzel in einer geraden Linie vom Zahn wegzieht und den Zahn nach unten herausgleiten lässt.

Der Abstand zwischen den Zähnen wird von innen nach außen größer. Die Rollen können so die Rückseiten der Zähne hinaufsteigen bis der Abstand der Zähne das Kettenmaß erreicht. Obwohl das Profil der Zähne den Rollen ein Eingreifen und Ablösen erlaubt, hält doch die Kettenspannung diese hinter den Zähnen gefangen. Die letzte Rolle, die den Kontakt zum Ritzelzahn verliert, ist noch ganz knapp innerhalb des Abstands (Kettenmaß). Andere Rollen, die weiter zurück um des Ritzel herum liegen, können nicht tiefer innerhalb des Abstandskreise verlaufen, da sie weniger kräftig gezogen werden und weniger kräftig ziehen (das sehen wir später).

Im folgenden Video sieht man beispielhaft, wie neue und alte Katten auf neuen und alten Ritzeln verlaufen. Das unterstützt die nun folgende Diskussion.

Wegen der Neigung der Zahnfläche zieht die Kettenspannung die Kettenrollen sowohl nach Außen entlang der Zahnoberfläche als auch noch vorne. Jede Rolle kann für sich auf der Zahnoberfläche nach Außen rollen, wobei der interne Reibungswiderstand arbeitet. Eine Rolle, die kurz davor ist, sich von einem Zahn zu lösen, wird vom dahinter liegenden Kettenglied unten gehalten und so weiter. Kräfte, die von einer Rolle nicht mehr aufgenommen werden könne, werden an die dahinter liegende Rolle weitergegeben und so weiter einmal um das Ritzel herum. So läuft die Zugkraft von Kettenniet zu Kettenniet "rückwärts". Die Summe der Kräfte, die die Ritzelzähne auf die Rollen ausübt wirkt rückwärstgerichtet entgegen der Richtung der Kettenspannung entlang der Kette.

Damit die Kräfte auf einem neuen Ritzel entlang der Kette verlaufen, nehmen die erste paar Rollen (weniger bei einem kleineren Ritzel) die Kräfte auf. Wie schon erwähnt, drückt die erste Rolle das Ritzel nach unten. Ein paar Rollen nach der ersten Rolle kann eine weitere Rolle abhängig von Zahnform und Ritzelgröße das Ritzel abwärts drücken. Ab einem bestimmten Punkt je nach Zähneform erlaubt es der sich verändernde WInkel, dass die Rollen nach oben (asuwärts) drücken, so dass eine Gegengewicht zu den abwärts (einwärts) drückenden Rollen entsteht. Noch weiter nach hinten kann oder können ein oder mehrere Rollen komplett von den Ritzelzähnen gelöst sein, so dass sie lose zwischen zwei Zahnflanken ruhen. Die Rollen können nur radial einwärts drücken. Es gibt an dieser Stelle keine Kettenspannung, die durch Spannung und/oder Reibung aufgenommen wird. Noch weiter hinten, kurz bevor die Kette in den rücklaufenden Trumm zurückkehrt, können die Rollen gegen die gegenüberliegende Zahnflanke drücken. Das ist aber abhängig von dem Abstand der Zähne, der Spannung im rücklaufenden Trumm und dem Kettenverschleiß.

Die Kette sollte weit genug um das Ritzel umschlingen, dass der rücklaufenden Trumm schon fast durchhängen kann. Im allgemeinen gilt der Hinweis, dass die Kette das Ritzel mindestens zu ¹/₃ umschlingen sollte. Bei einem typischen Fahrradkettenantrieb ist sogar mehr als die Hälfte üblich.

Bei einem verschlissenen Ritzel (wie im Video zu sehen), müssen entweder die Kettenumschlingung, die Spannung des rücklaufenden Trumms oder beide größer sein.

Die tangentiale und radiale Kraft einer Rolle ist sehr empfindlich bezüglich seiner Position in den konkaven und gebogenen Flanken ganz unten im Tal zwischen zwei Zähnen. Die Kette positioniert sich ständig neu in der Balance zwischen auswärts und einwärts wirkenden Kräften. Bei einer neuen Kette und einem neuen Ritzel ist diese Balancieren kaum sichtbar, da diese Ausrichtung sich im Bereich von wenigen hundertstel Zentimetern abspielt. Nur ein klein wenig Zug am rückläufigen Trumm ist notwendig, um die Kette in das Ritzel eingreifen zu lassen. Diese Spannung wird durch die Federkräfte des Schaltwerkkäfigs oder das Gewicht des rückläufigen Trumms bei einem Nicht-Kettenschaltungsantrieb erzeugt. Die leichte Spannung des rückläufigen Trumms mindert die Zugkraft das ziehenden (oberen) Trumms und verschiebt die Stelle, in der die Rollen in die Zwischenräume der Zähne aus dem rückläufigen Trumm fallen. Diese Lücken müssen tief und breit genug sein, dass die Kettenglieder sich an dieser Stelle frei bewegen können. Anderenfalls wird sich die Kette verklemmen. Die Kette kann oder kann auch nicht auf der vorderen Flanke des Zahns nahe des rückläufigen Trumms aufliegen und zieht das Ritzel leicht rückwärts.

Im 1972er Handbuch der ACA (American Chain Association) findet sich unten zu sehende Abbildung, die verdeutlicht, wie eine neue und eine verschlissene Kette in einem Zahnrad liegt. Die verschlissene Kette (rechts) hat ungleich lange Kettenglieder. Das kommt tatsächlich vor, weil der Abstand zwischen den Nieten der inneren Laschen mit zunehmendem Verschleiß größer wird. Jedoch verändert sich der Abstand zwischen den Außenlaschen, die eigentlich die Nieten halten, nicht. Unregelmäßiger Rollenverschleiß kompensiert diesen Zustand etwas. Auch wirkt diesem Effekt auch unregelmäßiger Ritzelverschleiß entgegen, falls immer die gleichen Zähne zwischen die inneren und äußeren Laschen greifen. Jedoch ist die rechte Abbildung unrealistisch, weil hier eine verschlissene Kette mit unverschlissenem Ritzel gezeigt wird. Es ist doch eher unüblich, eine verschlissenen Kette auf einem neuen Ritzel zu montieren. Das Ritzel hat zudem eine ungerade Zähnezahl, so dass die Zähne nicht gleichmäßig mit den unregelmäßigen Kettengliedern verschleißen kann.

Many reference works indicate that tension on the chain decreases in a proportional sequence from one link to the next, back from the pulling run of chain, all the way around to where the chain comes onto the sprocket. That analysis takes no account of the need for the pull on the sprocket to be in the same direction as the chain, or of the different angles at which the chain's rollers bear on the sprocket.

Strain (actual elongation of the chain and compression of the rollers and sprocket teeth under load) slightly lengthens the chain links which are under the most tension, allowing them to migrate slightly farther outward on the sprocket teeth. The tension on the chain varies cyclically during the pedal stroke, and with it, the effect of strain, and of friction. A strobed video might be able to reveal this effect, and a fairly simple analysis could quantify it.

Bei langen Zähnen ist es anders

A sprocket with tall teeth is standard in a derailerless drivetrain, to reduce the risk of the chain's coming off. Sprockets of older (pre-Hyperglide) cassettes and freewheels also had taller teeth than recent models.

If the chain and sprocket are new, they engage and disengage the same as with shorter teeth. The tips of the teeth do not contact the rollers. The tips only guide the side plates to keep the chain on the sprocket.

Wear is very different though if the sprocket has tall teeth. The chain rides up the teeth, but as the chain and sprocket wear together, the backs of the sprocket teeth become hook-shaped rather than only sloped. The profile of the worn teeth is as bold as possible while still allowing the worn chain to disengage freely.

The image below shows a new chain on a worn sprocket with tall teeth. At the blue arrow in the image, you can see how the teeth are hooked. Bad things happen!

The new, unworn chain links fit the bottom of the gaps between sprocket teeth. Chain tension from pedaling pulls the links so the rollers are trapped behind the hooked teeth. As each roller comes around to the top of the sprocket, the hook pulls it downward (red arrow), then chain tension overcomes this pull. The roller breaks loose, rolling up the back of the hook, so the hook yanks the chain backward slightly with relation to the sprocket. Then the roller pops off and the chain jumps slightly forward. This happens for every roller which comes around, dozens of times per second. The resulting roughness can be felt through the pedals. The roughness is worse than with teeth which are only sloped.

One tooth and one roller take all of the drive force as the roller is climbing the tooth, resulting in accelerated chain wear. The roller rolls farther. Power is lost to excess roller motion and to vibration.

Now let's also look at the bottom of the sprocket. Where the chain is about to engage (green arrow), its forward position due to other rollers' being behind the hooks places a roller on top of a tooth. If the tension on the lower run of chain is high enough to force the link into engagement, then additional power is lost as the roller pops onto the tooth, pulling the chain slightly backward. If the lower run is slack, the roller and the others behind it come around to the top sitting on top of the teeth, and then the chain jumps forward by one tooth with a clunk.

A new chain on a hooked sprocket may behave well when the cranks are given a test spin on the workstand, but jump forward under power. This may happen with only some sprockets on a derailer-equipped bicycle, not with others, as they may have unequal wear.

A new chain on a worn sprocket of a derailerless drivetrain, held in place by adjusting the position of the rear wheel, can have little enough slack to force it to engage, but still at a cost in efficiency and chain wear.

A worn sprocket can often be turned over, doubling its wear life. But, avoid this trick if it worsens the chainline, or with the asymmetrical (when new) teeth of sprockets used with derailers, or with a fixed gear, coaster brake or kickback rear hub where the chain pulls from the bottom as well as the top.

If the teeth are tall enough to develop hooks, a hooked sprocket can be refurbished for use with a new chain by grinding the hooks off.

Wie die Kette in das Kettenblatt greift

Die Kette greift anders in das Kettenblatt als in das [[Ritzel]. Das Eingreifen ins Kettenblatt erfolgt entlang des gespannten oberen Antriebstrumms und das Auslösen erfolgt unten am entspannten Teil des Trumms.

Nichtsdestotrotz ist grundsätzlich der Verlauf um das Kettenblatt dem Verlauf um das Ritzel ähnlich. Es gibt jedoch einen bemerkenswerten Unterschied. Das Eingreifen erfolgt im oberen Verlauf der Kette, in dem sie unter Last steht, in die nach oben weisenden Hakenzähne des Kettenblatts (falls sie hakenförmig sind) statt sich hinter die Zähne zu legen. Das Vorwärtsspringen der Kette auf einem verschlissenen Kettenblatt geschieht im entspannten unteren Teil des Kettenblatts, auf dem weniger Zuglast liegt. Dort wird weniger Kraft verloren. Im unten stehenden Video kann man dieses Vorwärtsspringen einer verschlissenen Kette sogar auf einem neuen Kettenblatt erkennen

Kettenverschleiß bestimmen

Die Standardvorgehensweise, um den Kettenverschleiß zu bestimmen benötigt entweder ein Lineal oder ein Stahlmaßband mit Zolleinteilung. Dazu muss man die Kette nicht vom Fahrrad demontieren. Man platziert die Nullmarkierung des Messinstruments seitlich an einem Niet und zählt genau 12 ganze Kettenglieder (12 * 1 Zoll = 1 Fuß) ab. Bei einer neuen unverschlissenen Kette wird der korrespondierende Niet genau auf der 12 Zoll-Markierung liegen. Bei einer verschlissenen Kette wird er jenseits dieser Markierung liegen.

Um genau messen zu können, benötigt die Kette Spannung. Das geht am besten am Fahrrad montiert oder in der Luft hängend. Auf jeden Fall sollte man ein Metallmessgerät benutzen, weil Holz, Kunststoff oder Gewebe sich in ihrer Länge zu stark verändern können.

Hierdurch erhält man ein direktes Maß des Ketten- und ein indirektes Maß des Ritzelverschleißes.

Zollbasiertes Messen

Wenn der Niet weniger als 1/16 Zoll jenseits der 12 Zol Markierung liegt, ist alles in Ordnung.
Wenn der Niet etwa 1/16 Zoll jenseits der 12 Zoll Markierung liegt, solltest Du die Kette wechseln. Die Ritzel sind vermutlich ohne Beschädigung.
Ist die Markierung 1/8 Zoll entfernt, ist die Kette zu lange gefahren worden, und die Ritzel (oder zumindest das am häufigsten genutzte), sind ordentlich verschlissen. Wenn man an diesem Punkt nur die Kette wechselt (ohne Ritzeltausch), kann es sein, dass die Kette noch gut läuft ohne zu springen. Die verschlissenen Ritzel werden jedoch den Kettenverschleiß deutlich beschleunigen, bis die Kette auf den Ritzelverschleiß angepasst ist.
Jenseits der 1/8 Zoll Markierung wird eine neue Kette auf jeden Fall auf den Ritzeln springen - insbesondere auf den kleineren Ritzeln.

Metrisches Messen

Falls Du nur metrische Messinstrumente an der Hand hast, zählst Du zehn (25,4 cm) bzw. 15 (38,1 cm) Kettenglieder ab.

Wenn der Niet weniger als 25,5 cm (oder zwischen 38,2 und 38,3 cm) jenseits liegt, ist alles in Ordnung.
Wenn der Niet etwas mehr als 25,5 cm liegt (oder sich 38,3 cm annähert), solltest Du die Kette wechseln. Die Ritzel sind vermutlich ohne Beschädigung.
Ist die Markierung 25,7 cm (oder 38,5 cm) entfernt, ist die Kette zu lange gefahren worden, und die Ritzel (oder zumindest das am häufigsten genutzte), sind ordentlich verschlissen. Wenn man an diesem Punkt nur die Kette wechselt (ohne Ritzeltausch), kann es sein, dass die Kette noch gut läuft ohne zu springen. Die verschlissenen Ritzel werden jedoch den Kettenverschleiß deutlich beschleunigen, bis die Kette auf den Ritzelverschleiß angepasst ist.
Jenseits der 25,7 cm (oder 38,5 cm) Markierung wird eine neue Kette auf jeden Fall auf den Ritzeln springen - insbesondere auf den kleineren Ritzeln.

Kettenverschleißlehren

Es existieren spezielle Werkzeuge, um den Kettenverschleiß zu messen. Dies sind etwas weniger aufwändig, jedoch in keinem Fall notwendig. Zudem sind sie mit Ausnahme der beiden Werkzeuge von Shimano (TL-CN40 und TL-CN41) ungenau, weil der Bewegungsspielraum der Rollen den Verschleiß der Nieten in der Messung verfälscht.

Kettenlänge

Dieser Aspekt wird ausführlich im Artikel über Einstellen der Schaltung erläutert.

Siehe auch

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Quelle

Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Chain and Sprocket Wear von der Website Sheldon Browns. Originalautor des Artikels ist Sheldon Brown.

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