Nabenschaltungstheorie

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Dieser Artikel beschreibt beginnend mit Dreigang-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 Dreigang-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 Dreigang-Naben: Sturmey-Archer, SRAM, Shimano

Die gewöhnlichen Dreigang-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 Dreigang-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 Dreigang-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 Fünfgang

Sturmey-Archer und Sachs/SRAM haben mehrere Modelle von Fünfgang-Naben hergestellt, die ein einfach abgestuftes Planetensystem hatten. Niedrige, 1:1 und Hohe Übersetzung werden wie bei der Dreigang-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 Fünfgang-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 Fünfgang-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 Siebengang

Sturmey-Archer und SRAM Siebengang-Naben (beide nicht mehr erhältlich) sind den Fünfgang-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 Siebengang

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 Siebengang-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 Siebengang-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 Siebengang-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 Dreigang-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 Viergang

Die Shimano Nexus Viergang-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 Siebengang-Nabe ist auch bei der Viergang-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 Achtgang

Shimano Nexus und Alfine Achtgang-Naben sind den Viergang-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 Achtgang

The Sturmey-Archer 8-speed hub has three simple planetary systems, each with a different increase ratio. The hub achieves 8 speeds by using 1, 2 or all 3 of the planetary systems in series, or bypassing them all for the unity ratio. Consequently, the lowest gear is most efficient, and the top gear, which uses all three planetary systems, least efficient. On a conventional bicycle, this hub must use an unusually-large sprocket and a small chainwheel, but on the other hand, this hub is especially well-suited to a bicycle with small wheels.

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

The first model of this hub offered had a total range of 3.05. The current (2010) version has a total range of 3.24, and steps of approximately 14% except for the outermost steps of 30%. A second-lowest ratio closer to unity would require a small sun gear that would reduce reliability of the hub. Shifting is by locking none, 1, 2 or all 3 of the sun gears to the axle. When a sun gear is unlocked, the stage operates at unity ratio. When a sun gear is locked to the axle, the stage gears up, overriding the pawls used for the unity ratio. There is no "neutral" gear, as the hub defaults to the next lower gear. This hub uses a rotary shifter-cable attachment inside the right-side dropout.

Kompromissloser Aufbau: Sachs Elan und Rohloff Speedhub

The Sachs Elan, no longer available, was the first internal-gear hub which tried to rival modern derailer gearing. It has its own page on this site.

Sachs Elan Zwölfgang-Nabe

The currently-available Rohloff Speedhub has 14 speeds, with even steps of 13% each and an overall range of more than 5 to 1. The Rohloff is marketed as a replacement for a wide-range derailer system, competitive in terms of weight and efficiency, and superior in reliability.

Schnittmodell einer Rohloff 500/14 Speedhub

This hub has three planetary stages, from left to right in the illustration above. The first and second stages have two-step compound gearing with identical tooth counts. The first stage only gears down and the second stage, up. Seven of the nine possible gearing combinations are used; the two unused combinations would provide unity ratios but would transmit power through both sets of gears.

The third stage has its input at the sun gear and output through the planet cage, transposing the entire range downward to double the number of available ratios.

The Rohloff Speedhub is the most versatile, and by far, the most expensive internal hub available as of this writing. It revives desirable features of the classic internal-gear hubs – oil lubrication, weight-optimized construction – but it prices itself out of the urban-cycling market. Rohloff engineering of a hub with 7 somewhat more widely-spaced speeds would be an interesting prospect.

Shimano Elfgang

As of late 2010, Shimano is offering an 11-speed hub. It is oil-lubricated. Examination of drawings and drive ratios shows it to be similar to that of the 8-speed hub, with a first stage that can gear down or operate at unity ratio, and another stage that gears up. The middle gear, however, is not at unity ratio. The first stage has helical-cut gears. No sample was available for inspection at the time of this writing.

Trends

The general trend among internal-gear hubs has been toward greater complexity and expense, though simple 3-speed hubs still are available.

The classic Sturmey-Archer 3-speed hub was very economical if the owner oiled it occasionally and kept the cable adjusted. Oil washed out and soiled the shell, but kept the internals clean. This hub could be serviced quite easily with widely-available and inexpensive parts. Some Sturmey-Archer 5-speed models also were reliable, as long as the owner replaced the stock shifters with a pair of Sturmey-Archer trigger controls. Thes older Sturmey-Archer hubs had a "neutral" gear between 2nd and 3rd, and could freewheel forward if the cable was misadjusted -- see comments by Jobst Brandt. That problem is resolved with current hubs of all brands.

Current SRAM and Shimano 3-speeds are simple and rugged, as are SRAM 3, 5 and 7 speeds -- though the (discontinued) SRAM i-Motion 9-speed proved unreliable. SRAM has recently introduced (and now withdrawn an 8-speed and a different 9-speed whose design is simpler and appears more promising. Early Shimano 3- speeds could not withstand hard pedaling. The Shimano 7-speed would sometimes skip forward after a couple of years’ use. The 8-speed improves over the 7-speed, but is rather complicated.

Reliability issues with some recent Sturmey-Archer hubs have been serious, and are discussed in more detail in our main article about these hubs.

These days, all internal-gear hubs except the Rohloff and the Shimano 11-speed are grease-lubricated and lack an oil port. Grease is imperative with hubs that include a coaster brake. With most hubs, it is still possible to add oil in one way or another without disassembling the hub. It is often also advisable to relubricate a new hub before putting it into service-- see advice here. All in all, the trend has been toward less user maintenance, at the cost of more frequent service intervals and vulnerability to water contamination. Many users will simply run a hub until it malfunctions, and manufacturers have responded to that by producing hubs which have "permanent" lubrication.

Several other trends decrease serviceability compared with the classic three-speeds

Bearing cups and ratchets are pressed, rather than threaded, into the hub shell, and non-replaceable. If a bearing cup is worn or corroded, the hub shell must be replaced, generally requiring replacement of the entire wheel.
The entire internal mechanism must then fit through the outer bearing cup on the right side, and so that cup must have a larger diameter than any internal part, one reason that sealing against dirt and water isn't as good as it used to be. Another reason is that most dustcaps of newer hubs are less sophisticated than the double labyrinth seals of old Sturmey-Archer hubs.
Hubs with more ratios are more complicated, expensive, heavier and difficult to repair.
Most bike shops don't have a mechanic who knows how to rebuild these hubs -- though instructions for most are online. The usual repair is to replace the hub's internals in their entirety.
Increased interest in internal-gear hubs has led to a wider variety and to hubs with more ratios. But also, it has led to frequent model changes, and to reliability problems with some hubs. Parts for some hubs only a few years old are no longer available.

Effizenz

High efficiency is important in a bicycle drivetrain. Let’s consider the factors affecting efficiency in a simple planetary system. We’ll use the example of the common Sturmey-Archer 3-speed hub, with 20-tooth sun and planet gears and a 60-tooth ring gear. I'll give only that one example here; others may be developed similarly.

Consider a single turn of the driver (the input from the sprocket), resulting in 1 1/3 turns of the hub shell, in the top gear. The driver is connected to the planet cage. As the driver makes one turn, each planet gear makes two turns as it circles the stationary sun gear, but only one turn on its axle – because the axle is rotating forward with the planet cage; also, only one turn relative to the sun gear, because it is circling the sun gear in the same direction it is turning.

The planet gears advance the 60-tooth ring gear by 20 teeth.

So, all in all, for each turn of the driver, the gearing involves gear tooth contact losses due to:

One turn of the planet gears relative to the sun gear. These gears are of the same diameter.
1/3 turn of the ring gear where it engages the sun gears. The same number of gear teeth – 20 – engage and disengage as between the sun gear and planet gears, but more teeth engage each planet gear at once, and they engage and disengage more slowly because the ring gear is an inside-out gear.

Properly-formed and aligned teeth of spur gears are in rolling contact, without sliding.

In addition, there is the drag on the bearings.

The planet gears make one turn around their axles, which are loaded by the tangential force resulting from torque from the driver at the axles’ radius. Other forces more or less cancel due to symmetry, with each planet gear contacting the sun gear and ring gear at two locations opposite one another.
The cup-and-cone ball bearing between axle and hub shell at the left side bears about ½ the weight load on the rear wheel and little of the pull from the drive chain; the hub shell turns at the output rate, 1 1/3 the rate of the driver.
The smaller (outboard) cup-and-cone ball bearing on the right turns at the rate of the driver, and bears about ½ the weight load on the rear wheel, as well as a most of the pull of the drive chain.
The larger (inboard) cup-and-cone ball bearing on the right, between the driver and the hub shell, is in relative motion at 1/3 the rate of the driver but has a larger diameter, increasing the linear speed between its races. This bearing also bears about ½ the weight load on the rear wheel, and a bending load due to that weight and the pull of the chain. This bearing uses smaller bearing balls than the axle bearings, 3/16 inch rather than 1/4 inch.

The gears and bearings, then, add some drag compared with a single-speed system, but on the other hand, an internal-gear hub does not have drag from the chain's running over derailer pulleys or from chain misalignment.

Research has shown internal hubs to be somewhat less efficient than derailer gearing, but they make up for that in urban cycling with their ease and speed of shifting. The direct-drive middle gear of an internal hub should in theory be very efficient, because power is transmitted directly to the hub shell. In practice, this gear does not always prove to be much more efficient than the others, for reasons not yet determined.

Older internal hubs, as well as the Rohloff and the Shimano 11-speed, use light machine oil for lubrication, keeping drag low. Many newer hubs have more than one gearing stage, and use grease, making them less efficient.

A comprehensive study of internal-gear hub efficiency was conducted by Dr. Chester Kyle and Frank Berto, and published in the journal Human Power, issue #52. It makes an interesting comparison with the examination of derailer-gearing efficiency in issues 50 and 51. Efficiency increases as chain tension or applied power increases. Kyle and Berto show lower efficiency than manufacturers claim – though it is still impressive – for the Rohloff hub. For derailer gearing, the results in issue 50, showing lower efficiency for smaller sprockets, are overturned in issue 51, when recalculated to apply to the same power, at the same wheel rpm.

Die richtige Wahl der Gangschaltung

Wide-range, narrow-step derailer gearing (or the Rohloff hub – at a high price) makes bicycling more accessible in steep terrain, when carrying heavy baggage and for weaker riders. But for most urban utility use, a hub gear, if properly chosen and set up, has advantages that well outweigh those of derailer gears.

The single-speed bicycle and the classic, overgeared three-speed were the mainstay of urban cycling for decades, but they limited the utility of bicycling. It is no coincidence that urban cycling has been most popular in cities that are very flat – Amsterdam, Copenhagen, Berlin.

Even in such cities, single-speeds and overgeared three-speeds are unable to accelerate smartly or to adapt to different challenges of wind, baggage and cyclist strength. Many utility bicycles also have had only a coaster brake, with stopping distance twice that of a bicycle with a front brake. Bicycles with only a rear brake may legally still be sold new in the USA and the Netherlands, though not in other countries of the European Union. The coaster brake also impedes quick restarting by making backpedaling impossible, and it overheats on long downhill runs.

I understand that dual handbrakes, usual for decades in the U.K., France, the USA and Canada, are now capturing an increasing share of the market in northern Europe. Sometimes the rear brake is a disk brake, drum brake or Shimano Rollerbrake integrated with an internal-gear hub – and unlike a rim brake, immune to wet weather.

In my opinion, a three-speed with the top gear in the 70- to 80-inch range (5.6 to 6.4 meters development) is the minimum requirement for smart performance in urban cycling. I think that the preferred gearing in most urban areas has 5 to 8 speeds.

A very hilly city such as San Francisco demands a wider range than a moderately-priced hub gear can offer. Hybrid gearing or an all-derailer system is less expensive than these hubs, though more trouble to maintain.

Weight also figures into the choice of a hub. Light weight matters much more when a bicycle is being carried than when it is being ridden, and is especially important in folding bicycles, which are more often carried.

With its three-speed and five-speed hubs in aluminum alloy shells, Sturmey-Archer still maintains the tradition of weight optimization that it established in the mid-twentieth century. Though SRAM’s five-speed and seven-speed hubs were much like Sturmey-Archer hubs internally, most were sold with heavy steel shells. Shimano stands somewhere in between. None of the hubs with more than seven speeds is very light, .

My own bicycles have from one to 30 speeds, but for urban cycling, I am still riding an old Sturmey-Archer 5-speed hub. Feeling the need for a lower gear range to pull a trailer up the hill to my home, I have built up a wheel with the SRAM 7-speed model that includes a drum brake, and another with a Shimano 8-speed. I'll be trying both.. The SRAM has an aluminum alloy shell, and even with the brake, weighs only very slightly more than the brakeless version with a steel shell. The Shimano has a Rollerbrake, but I'm planning to remove this and use a rim brake instead, because the Rollerbrake drags when not in use.

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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