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.
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.
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.
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.
Manche Referenzwerke deuten an, dass die Kettenspannung in proportionaler Weise von Kettenglied zu Kettenglied abnimmt beginnend mit dem ziehenden Trumm die ganze Wegstrecke herum bis zum Punkt, an dem die Kette sich mit Ritzel verbindet. Diese Analysen zeihen nicht in Betracht, dass der Zug auf dem Ritzel in die gleiche Richtung wie die Kette verläuft oder dass die Rollen der Kette in verschiedenen Winkeln auf das Ritzel wirken.
Verformung (tatsächliche Kettenlängung, Stauchung der Rollen und Ritzelzähne unter Last) längt die Kettenglieder, die am meisten unter Last stehen, ein ganz klein wenig, so dass sie etwas auf den Ritzelzähnen nach außen wandern. Die Kettenspannung variiert zyklisch während einer Pedalumdrehung und zugleich der Verformungseffekt sowie die Reibung. Ein unter Stroboskoplicht aufgenommenes Video könnte das sichtbar machen und ein recht simple Ananlyse könnte das qunatitativ belegen.
Bei langen Zähnen ist es anders
Bei kettenschaltungsfreien Antrieben sind Ritzel mit langen Zähnen Standard, um das Risiko eine Kettenabwurfs zu minimieren. Ritzel von klassischen (vor Hyperglide) Kassetten und Freiläufen hatten ebenfalls längere Zähne als aktuelle Modelle.
Falls Kette und Ritzel neu sind, funktioniert eingreifen in das Ritzel und auslösen aus dem Ritzel genauso wie bei kürzeren Zähnen. Die Spitzen der Zähne berühren nie die Rollen und führen die seitlichen Laschen, damit die Kette auf dem Ritzel bleibt.
Allerdings ist der Verschleiß anders, falls das Ritzel lange Zähne hat. Die Kette verläuft auf den Zähnen, aber während Kette und Ritzel gemeinsam verschleißen, verformen sich die Rückseiten der Ritzelzähne hakenförmig statt nur kurvig zu werden. Das Profil der verschlissenen Zähne ist so steil abfallend wie möglich, um der verschlissenen Kette immer noch freies Ablösen zu ermöglichen.
Im unten stehenden Bild sieht man eine neue Kette auf einem verschlissenen Ritzel mit langen Zähnen. An der Markierung mit dem blauen Pfeil kann man die hakenförmigen Zähne gut erkennen. Schlimme Dinge passieren hier!
Die neuen unverschlissenen Kettenglieder passen in die Täler zwischen den Ritzelzähnen. Die Kettenspannung durch das Pedalieren zieht die Glieder, so dass sie hinter dem hakenförmigen Zähnen gefangen werden. Wenn eine Rolle so weit herumgeführt wurde, dass es die Spitze eines Zahns erreicht, zieht der Heken die Rolle abwärts (Roter Pfeil). Dann überwindet die Kettenspannung diesen Abwärtszug und die Rolle bricht aus und rollt auf der Rückseite des Zahns über den Haken. Die Kette wird in relation zum Ritzel minimal rückwärts gezogen und die Rolle wird plötzlich entlastet und springt vorwärts. Das passiert bei jeder Rolle dutzende Male pro Sekunde. Die daraus resultierende Unruhe kann man durch die Pedale spüren. Diese Unruhe ist schlimmer als bei Ritzelzähne, die nur kurvig sind. Ein Zahn und eine Rolle nehmen so die gesamten Fahrkräfte auf, wenn die Rolle am Zahn aufsteigt, und der Verschleiß beschleunigt sich. Die Rolle rollt weiter und Kraft geht durch die zusätzliche Rollenbewegung und Vibrationen verloren.
Werfen wir nun eine Blick zur unteren Seite des Ritzels. An der Stelle, an der die Kette kurz davor steht, sich in das Ritzel einzuhängen (grüner Pfeil), kann man die Position der Kette oben auf dem Ritzelzahn erkennen, die dadurch zustande kommt, dass wegen der Hakenform des Zahns die Rolle nicht in das Tal zwischen den Ritzeln rutschen kann. Falls im unteren Trumm die Kettenspannung hoch genug ist, um das Kettenglied zum eingreifen zu zwingen, wird die zusätzliche Kraft verloren, wenn die Rolle auf den Zahn trifft und die Kette leicht zurück gezogen wird. Wenn der untere Trumm wenig Spannung hat, sitzen die Rolle und die nachfolgenden Rollen auf den Zahnspitzen und die Kette springt irgendwann mit einem Klong einen Zahn vorwärts.
Eine neue Kette auf einem hakenförmigen Ritzel kann sich im Montagestände gut benehmen, wenn man die Pedale testweise dreht, springt jedoch unter Last. Das kann unter Umständen auch nur bei einigen Ritzeln eines Fahrrads mit Kettenschaltung der Fall sein und bei anderen passiert das nicht, weil sie unregelmäßig verschlissen sind.
Eine neue Kette auf einem verschlissenen Ritzel eines Antriebs ohne Schaltwerk, die durch das Justieren des Hinterrads im Ausfallende in Position gehalten wird, kann genügend Spannung habe, dass die Kette greift. Das geht jedoch zu Lasten von Effizienz und Kettenverschleiß.
Ein verschlissenes Ritzel kann man oft einfach umdrehen und so seine Lebensdauer verdoppeln. Jedoch sollte man diesen Trick vermeiden, wenn das die Kettenlinie zum Schlechteren verändert oder die Zähne asymmetrisch (wie bei Kettenschaltugnsritzeln) sind. Genauso ungünstig ist das bei einem Fixed Gear Fahrrad oder einer Rücktrittbremse, bei denen die Kette sowohl über den oberen als auch den unteren unteren Trumm am Ritzel zieht.
Falls die Zähne lang genug sind, um Hakenform zu entwickeln, kann ein solches Ritzel mit Haken durch abschleifen der Haken für eine neue Kette präpariert werden.
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
- Kettenpflege
- Wenn die Kette abspringt oder klemmt
- Verlängern der Lebensdauer von Kette und Ritzel für Fahrer von Singlespeed- oder Nabenschaltungsfahrrädern.
- sehr schöner Artikel auf Fahrradmonteur.de von Ralf Roletschek
Quelle
Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Chain and Sprocket Wear von der Website Sheldon Browns. Originalautor des Artikels ist Sheldon Brown.
- Knarzen, Knacken und Quietschen
- Sattelstützenmaße
- Ritzelabstände (Tabelle)
- Auswechselbarkeit von Vierkant-Kurbelaufnahmesystemen bei Innenlagern
- Kettenlinienstandards (Tabelle)
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- Nabenbreiten (Tabelle)
- Alles über Nabenschaltungen
- Shimano Nexus und Alfine Acht-Gang-Naben
- Reifengrößen