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Nabenschaltungstheorie: Unterschied zwischen den Versionen

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Nabenschaltungstheorie (Quelltext anzeigen)

Version vom 3. Dezember 2019, 08:18 Uhr

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==Trends==
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Es gibt einen allgemeinen Trend hin zu höherer Komplexität und höhere Kosten. Jedoch sind weiterhin einfache Dreigang-naben erhältlich.
Es gibt einen allgemeinen Trend hin zu höherer Komplexität und höhere Kosten. Jedoch sind weiterhin einfache Dreigang-Naben erhältlich.


Die klassische Sturmey-Archer Dreigang-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 Fünfgang-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.
Die klassische Sturmey-Archer Dreigang-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 Fünfgang-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.
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Mehrere andere Entwicklungen verringern die Möglichkeiten der Wartung gegenüber den klassischen Dreigang-Naben:
Mehrere andere Entwicklungen verringern die Möglichkeiten der Wartung gegenüber den klassischen Dreigang-Naben:
*   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.
* 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.
*   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.
* 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 [[Staubkappe]]n aktueller Naben. Diese sind nicht mehr so ausgefeilt wie die Doppellabyrinthdichtungen älterer Sturmey-Archer Naben.
*   Hubs with more ratios are more complicated, expensive, heavier and difficult to repair.
* Naben mit mehr Übersetzungen sind komplizierter, teurer, schwerer und schwieriger zu reparieren.
*   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.
* 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.
*   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.
* 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.


==Effizenz==
==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 Dreigang-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.


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.
Nehmen wir an, der Mitnehmer dreht sich genau einmal (als Reaktion auf eine Umdrehung des Ritzels). Daraus resultiert eine 1 <sup>1</sup>/<sub>3</sub> 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.


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.
Die Planetenräder laufen im 60 Zähne Hohlrad 20 Zähne vorwärts.


The planet gears advance the 60-tooth ring gear by 20 teeth.
Alles in allem erfährt des Getriebe bei jeder Umdrehung des Mitnehmers Zahnkontaktverlust wegen:


So, all in all, for each turn of the driver, the gearing involves gear tooth contact losses due to:
* einer Umdrehung des Planetensystems relativ zum Sonnenrad. Diese Zahnräder haben alle die gleichen Durchmesser.
* einer <sup>1</sup>/<sub>3</sub> 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.


*    One turn of the planet gears relative to the sun gear. These gears are of the same diameter.
Wohlgeformte und aufeinander ausgerichtete Zähne von Stirnrädern sind in rollierendem Kontakt, ohne zu rutschen.
*    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.
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 <sup>1</sup>/<sub>3</sub> 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 <sup>1</sup>/<sub>3</sub> 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 (<sup>3</sup>/<sub>16</sub> statt <sup>1</sup>/<sub>4</sub> Zoll).


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


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.
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.


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.
Ältere Nabneschaltungen - genauso wie die Rohloff Speedhub 500/14 und die Shimano Elfgang-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
* [http://ihpva.org/HParchive/PDF/hp50-2000.pdf Human Power, Issue 50 (PDF/englisch)]
* [http://ihpva.org/HParchive/PDF/hp51-2001.pdf Human Power, Issue 51 (PDF/englisch)]
* [http://ihpva.org/HParchive/PDF/hp52-2001.pdf Human Power, Issue 52 (PDF/englisch)]


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==
==Die richtige Wahl der Gangschaltung==


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* [https://www.sheldonbrown.com/brandt/sturmey-archer.html Jobst Brandt zu Sturmey-Archer Nabenschaltungen (englisch)]
* [https://www.sheldonbrown.com/brandt/sturmey-archer.html Jobst Brandt zu Sturmey-Archer Nabenschaltungen (englisch)]
* [[Sturmey-Archer Naben]]
* [[Sturmey-Archer Naben]]
* [http://ihpva.org/HParchive/PDF/hp50-2000.pdf Human Power, Issue 50 (PDF/englisch)]
* [http://ihpva.org/HParchive/PDF/hp51-2001.pdf Human Power, Issue 51 (PDF/englisch)]
* [http://ihpva.org/HParchive/PDF/hp52-2001.pdf Human Power, Issue 52 (PDF/englisch)]
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