Funktionsweise einer Nabenschaltung

Nabenschaltungen gibt es schon ewig, d.h. über hundert Jahre lang. Sie hatten zwar schon immer das Problem, vom Übersetzungsbereich nicht mit den Kettenschaltungen mithalten zu können, konnten dafür mit Zuverlässigkeit, Wartungsarmut und einer linearen Gangabstufung punkten. Aber als v.a. Shimano die Kettenschaltung in mehreren Schritten verbesserte, konnte diese in Sachen Zuverlässigkeit und Bequemlichkeit mithalten, sie wurde auch für das Alltagsrad interessant (z.B. durch idiotensichere Index-Schalthebel), und der Mountainbike-Boom Ende der 80er-Jahre verstärkte diesen Trend. Entsprechend führt die Nabenschaltung nur noch ein Nischendasein; wenn mal was kaputt ist, findet man nur noch selten jemand, der sich mit Nabenschaltungen wirklich auskennt, im Internet ist auch nicht viel Material vorhanden. Seit der genialen Rohloff Speedhub sind Nabenschaltungen aber wieder im Kommen – Grund genug, sich deren Funktionsweise mal anzuschauen. Weil z.B. bei älteren Brompton-Modellen britische Sturmey&Archer-Schaltungen verwendet werden, schreibe ich die Fachbegriffe auch in englisch auf.

Technische Grundlagen

Die Fahrrad-Nabenschaltung beruht auf dem Planetengetriebe: um ein feststehendes Zahnrad (Sonnenrad, sun pinion) rollen mehrere (typischerweise drei oder vier) kleinere Zahnräder (Planetenräder, planet pinions), die durch einen Ring miteinander verbunden sind (Planetenträger, planet cage). Außen herum ist ein Zylinder, der auf der Innenseite Zähne hat, in denen die Außenseiten der Planetenräder laufen (Hohlrad, gear ring). Dreht man nun das Hohlrad, so rollen die Planetenräder zwischen Hohlrad und Sonnenrad und drehen den Planetenträger, der sich aber langsamer dreht als das Hohlrad. Eine schöne CAD-Grafik einer Nabenschaltung findet sich übrigens hier.

Und damit haben wir schon eine einfache Schaltung zusammen: Ist die Fahrradkette über das Ritzel an das Hohlrad gekoppelt und treibt der Planetenträger das Rad an, so wird die Drehung des Ritzels untersetzt. Wenn dagegen das Ritzel am Planetenträger hängt und das Hohlrad das Rad antreibt, wird die Drehbewegung übersetzt. Wenn man jetzt noch drittens eine Möglichkeit vorsieht, den Kettenantrieb direkt (ohne Getriebe) an das Rad zu koppeln, hat man bereits eine Dreigang-Nabenschaltung.

Der Vollständigkeit halber erwähne ich noch eine weitere Kombinationsmöglichkeit, die aber bei Fahrrädern nicht genutzt wird: wenn der Antrieb am Sonnenrad ist, der Planetenträger festgehalten wird und das Hohlrad am Antriebsrad hägt, hat man einen Rückwärtsgang.

Konkrete Umsetzung bei einer 5-Gang-Schaltung

Das Kernstück einer 5-Gang-Nabenschaltung ist ein doppeltes Planetengetriebe, d.h. im Prinzip zwei Planetengetriebe nebeneinander. Die Planetenräder und damit auch die Sonnenräder haben verschiedene Durchmesser, und die Planetenräder beider Getriebe sind miteinander gekoppelt – das eine Ende hat einen großen Durchmesser und läuft auf dem kleinen Sonnenrad, das andere Ende hat einen kleinen Durchmesser und läuft entsprechend auf dem großen Sonnenrad. Nur das Hohlrad ist nicht doppelt vorhanden; es läuft auf den kleinen Planetenrädern, was auch ausreicht, weil die Planetenräder gekoppelt sind.

Um nicht nur den Aufbau, sondern v.a. die Funktionsweise zu verstehen, schauen wir uns mal das Verhalten in den verschiedenen Gängen an:

Wie man sieht, ist zum Schalten nur jeweils eine Schiebebewegung nötig, die jeweils ein Teil von einer Position auf eine andere verschiebt. Es müssen nur Nocken an den richtigen Stellen sein, damit das Schaltungskettchen im jedem Gang das richtige Teil verschiebt. Die Gegenkraft kommt dabei von Federn; beispielsweise zieht das Schaltungskettchen im ersten bis dritten Gang das Kupplungselement zum Hohlrad, aber im vierten und fünften Gang ist weniger Zug auf dem Kettchen, so dass eine Spiralfeder das Kupplungsstück zum Planetenträger drückt.

Wie andere Nabenschaltungen funktionieren, kann ich nicht sagen – ich habe noch keine geöffnet gesehen. Aber vermutlich hat eine 7-Gang-Schaltung entsprechend ein dreifaches Planetengetriebe, so dass neben dem Direktgang die Unter- bzw. Übersetzung mit drei verschieden großen Sonnenrädern in jeweils drei verschiedenen Stufen gefahren werden kann.