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Ausblick

Schaltung beim Fahrrad

Mit Hilfe einer Gangschaltung kannst du den notwendigen Kraftaufwand beim Fahren eines Fahrrades deinen körperlichen Möglichkeiten und den unterschiedlichen Anforderungen des Geländes anpassen. Dabei gibt es verschiedene Arten der Schaltung. Besonders weit verbreitet sind dabei die sog. Kettenschaltung und die sog. Nabenschaltung.

Kettenschaltung

Besonders leicht ist der Aufbau der weit verbreiteten Kettenschaltung zu verstehen.

Abb. 1 Aufbau der Kettenschaltung

Auf der Kurbelseite sitzen bis zu drei Zahnräder (Kettenblätter) nebeneinander auf einer Achse. Je nach Verwendungszweck des Rades (z.B. Rennrad oder Mountainbike) sind die Radien der Zahnräder etwas unterschiedlich. Es ist üblich, bei einem Zahnrad nicht den Radius oder Durchmesser anzugeben, sondern die Zahl z der Zähne (diese Zahl ist proportional zum Zahnradradius bzw. -durchmesser).
Mountainbikes haben auf der Kurbelseite meist drei Zahnräder. Eine häufige Kombination ist z.B. 48 | 36 | 26 Zähne.

Auf der Achse des Hinterrades sitzt ein Zahnkranz mit bis zu zehn nebeneinander angeordneten Zahnrädern (Ritzel). Eine häufige Kombination für ein Mountainbike mit neun Zahnrädern auf der Hinterachse ist z.B. 11 | 12 | 14 | 16 | 18 | 21 | 24 | 28 | 32 Zähne.

Hat ein Fahrrad an der Kurbel 3 Zahnräder und am Hinterrad 9 Zahnräder, so besitzt es theoretisch 3·9 = 27 verschiedene Gänge.

Übersetzung bei der Kettenschaltung

Der Kraftaufwand zum Pedalieren ist dann besonders gering, wenn man an der Kurbel den Zahnkranz mit der niedersten und am Hinterrad den Zahnkranz mit der höchsten Zahl der Zähne wählt (vgl. hierzu die entsprechenden Musteraufgaben).
Umgekehrt ist der Kraftaufwand am höchsten, wenn man an der Kurbel den größten und am Hinterrad den kleinsten Zahnkranz auswählt.

Stellt man die Schaltung so ein, dass der Kraftaufwand klein ist, so muss man dafür öfter kurbeln, um eine bestimmte Strecke zurückzulegen als bei der Schaltung mit großem Kraftaufwand.

Abb. 2 Übersetzung bei einer Fahrradschaltung

Das Kettenblatt habe z1 Zähne, das Ritzel z2 Zähne. Dann gilt für die Umdrehungszahlen n1 und n2 dieser Zahnräder (vgl. Animation rechts): \[\frac{{{z_1}}}{{{z_2}}} = \frac{{{n_2}}}{{{n_1}}}\] Je kleiner das Ritzel bei gleichem Kettenblatt ist, desto öfter dreht sich das Hinterrad.
Je größer das Kettenblatt bei gleichem Ritzel ist, desto öfter dreht sich das Hinterrad.

Das Verhältnis z2 : z1 wird als Übersetzung bezeichnet.
Im oberen Beispiel ist die Übersetzung 1 : 3, im unteren Beispiel 1 : 1.

Die gewählte Übersetzung hat großen Einfluss auf den vom Fahrrad bei einer Umdrehung der Pedale zurückgelegten Weg. 

Strecke bei einer Pedalumdrehung

Die vom Fahrrad bei einer Kurbelumdrehung (n1 = 1) zurückgelegte Strecke wird als Entfaltung bezeichnet. Für die Zahl n2 der Umdrehungen des Ritzels bei einer Kurbelumdrehung gilt: \[\frac{{{z_1}}}{{{z_2}}} = \frac{{{n_2}}}{{{n_1}}}\mathop \Rightarrow \limits^{{n_1} = 1} {n_2} = \frac{{{z_1}}}{{{z_2}}}\] Will man die Entfaltung \(e\) berechnen, so muss man die Umdrehungszahl \(n_2\) des Hinterrades noch mit dem Umfang \(u_2\) des Hinterrades multiplizieren: \[e = {n_2} \cdot {u_2} \Rightarrow e = \frac{{{z_1}}}{{{z_2}}}{u_2}\]

Abb. 3 Entfaltung bei einer Fahrradschaltung

Für einen Umfang von 2,00 m für das Hinterrad sind in der folgenden Tabelle die Entfaltungen (in Metern) dargestellt:

Ritzel hinten
Kettenblatt vorne
32
28
24
21
18
16
14
12
11
26
1,63
1,86
2,17
2,48
2,89
3,25
3,71
4,33
4,73
36
2,25
2,57
3,00
3,43
4,00
4,50
5,14
6,00
6,55
48
3,00
3,43
4,00
4,57
5,33
6,00
6,86
8,00
8,73

Gerader Kettenlauf

Die Entfaltungen in den grünen Feldern gehören zu Zahnradkombinationen, welche sinnvoll sind. Die bräunlich gekennzeichneten Schaltkombinationen sollte man vermeiden. Gründe hierfür sind:

  • Läuft die Kette vorne am kleinsten Kettenblatt (z.B. 26 Zähne) und hinten ebenfalls am kleinsten Ritzel (z.B. 11 Zähne), so muss sie schräg laufen, was ihr auf Dauer zu starker Abnützung der Zahnräder und der Kette führt. Das Gleiche gilt natürlich auch für die andere Extremposition.
  • Manche Entfaltungen liegen in ihren Werten sehr nahe beieinander bzw. decken sich, so dass einige Kombinationen eigentlich überflüssig sind.
  • Aus der Tabelle kann man erkennen, dass sich somit die 27 möglichen Gänge auf 15 sinnvolle Gänge reduzieren.

 

Graphische Darstellung der Entfaltungen:

Wenn du dir die Entfaltungen für dein eigenes Fahrrad ausrechnen willst, kannst du dies bequem mit einem Entfaltungsrechner tun, den du z.B. unter der Adresse:
http://www.j-berkemeier.de/Ritzelrechner.html findest.

Nabenschaltung

By Rohloff AG (http://www.rohloff.de/) [GFDL], via Wikimedia Commons
Abb. 6 Aufbau einer Nabenschaltung

Im Aufbau deutlich komplexer als die Kettenschaltung ist die sogenannte Nabenschaltung, die man sehr häufig bei robusten Gebrauchsrädern findet. Waren die ersten Nabenschaltungen nur mit drei Gängen ausgestattet, so besitzen moderne Schaltungen schon mehr als 10 Gänge.

Aufbau

Der Aufbau einer Nabenschaltung erinnert an das Getriebe eines Motorfahrzeuges. Es wird hier nicht näher auf die Funktionsweise eingegangen. Nur soviel: zahlreiche Zahnräder greifen ineinander und sorgen so für eine Übersetzung. Durch das Spannen oder Entlasten des Schaltseils werden Zahnräder mit unterschiedlichen Zahnzahlen in Kontakt gebracht.

Vor- und Nachteile der Nabenschaltung gegenüber einer Kettenschaltung

Vorteile
Nachteile
  • Das Getriebe ist sicher vor Nässe und Schmutz geschützt.
  • Die Kette läuft immer optimal gerade. Dadurch ist der Verschleiß geringer. Außerdem ist das Anbringen eines Kettenschutzes leichter möglich.
  • Das Schalten ist auch im Stand möglich.
  • Sehr einfache Bedienungsmöglichkeit.
  • Nabenschaltungen sind meist mit Rücktrittbremsen versehen, die auch bei Nässe sicher funktionieren.
  • Der Preis der neuen Nabenschaltungen mit vielen Gängen ist im Vergleich zur Kettenschaltung höher.
  • Die Gangabstufung kann nicht wie bei Kettenschaltungen den Bedürfnissen des Fahrers angepasst werden.
  • Der Wirkungsgrad der Schaltung ist etwas schlechter als derjenige der Kettenschaltung.
  • Das Gewicht der Nabenschaltung ist (trotz jüngster Reduktionen) immer noch höher als das einer guten Kettenschaltung. Dies ist wohl einer der Hauptgründe, warum die Nabenschaltung noch nicht in größerem Umgang beim Rennsport eingesetzt wird.