Ein Schalthebel am Fahrrad – wie funktioniert der eigentlich

Ein Schalthebel am Fahrrad – wie funktioniert der eigentlich?

Richtig – genau das Hebelwerk am Lenker, an dem viele wie wild rumspielen sobald der gefühlte Kraftaufwand und die vom Digital-Tacho angezeigte Geschwindigkeit (natürlich mit Nachkommastelle) in keiner vernünftigen Relation mehr zueinander zu stehen scheinen, sprich wir stecken in der Steigung und suchen krampfhaft die richtige Übersetzung.

Da man i.A. die Innereien solch eines Schalthebels eher selten zu Gesicht bekommt, haben wir uns die Sache mal näher angeschaut und versucht, die Funktion nachfolgend verständlich für den Laien zu erklären.

Anzumerken ist, dass es durchaus auch andere Techniken gibt (z.B. umgekehrte Indexierung, ohne Indexierung, Drehgriffschaltung). Das hier Geschriebene gilt nicht für Nabenschaltungen! Trotzdem sollte hiermit ein kleiner Einblick in die Getriebetechnik des Zweirads mit Kettenschaltung möglich sein.

Zunächst ein Foto eines ausrangierten 7-Gang Schalthebels eines bekannten Fahrradkomponenten-Herstellers. Inzwischen werden sogar 10-fach Schaltungen verbaut. Da der Platz zwischen Rad und Rahmen jedoch begrenzt ist, müssen die Abstände zwischen den Ritzeln verringert werden und die Kettenbreite ebenfalls. Dies stellt dann erhöhte Anforderungen an den Werkstoff, da ja die zu übertragende Kraft nach wie vor die selbe ist.

Abb. 1 Schalthebel mit entlasteter Aufnahmescheibe/Ritzel

Zu sehen ist rechts oben der (breitere) Hebel zum „Hochschalten“. Wir müssen also gegen die Federkraft (höhere Fingerkraft erforderlich!) das Schaltwerk und damit die Kette von kleineren Ritzeln Richtung größere Ritzel (höhere Zähnezahl, größerer Durchmesser) bewegen. Damit vergrößern wir die Übersetzung. Angenommen wir benutzen vorne am Kettenrad (Tretkurbel) z1 = 52 Zähne und am Ritzel hinten z2 = 13 Zähne, so beträgt die Übersetzung i = 0,25. Bei konstanter Trittfrequenz und aufgewandter Kraft am Kettenrad vorne wird sich also das Hinterrad und damit das gewählte Ritzel langsamer drehen, je weiter wir hochschalten. Die Kräfteverhältnisse ändern sich damit aber! Wir können damit ein höheres Drehmoment (Kraft mal Hebelarm) an das Hinterrad abgeben, nehmen dafür aber in Kauf, dass die Geschwindigkeit sinkt. Wie so oft in der Technik wird ein Vorteil an einer Stelle nur durch die Inkaufnahme eines Nachteils an anderer Stelle erreicht.

Die Wahl der richtigen Übersetzung ist aber schon fast eine Wissenschaft für sich und soll nicht Thema dieses Beitrags sein.

Abb. 2 „rückwärtige“ Ansicht

Über dem breiteren Hebel für die Bedienung mit dem Daumen liegt der Hebel zum „Herunterschalten“. Allgemein sind die vom Bediener aufzubringenden Kräfte an Hebeln und Griffen sogar nach DIN / EN genormt, es sind dort also zulässige Grenzwerte angegeben. Diese sind abhängig von der vorgesehenen Bediendauer-/häufigkeit und der Technik des Greifens oder Bedienens mit der Hand oder den Fingern. Natürlich ist die aufzuwendende Kraft nicht nur konstruktiv durch Hebelübersetzungen oder Federkräfte bedingt sondern und v.a. von der Reibung im System und damit wäre der Benutzer / Eigentümer des Rades als Pflegepersonal angesprochen.

Die zwei Hebel sowie die gesamte Technik sind auf einer Welle aufgesteckt und durch eine Mutter gesichert. Die Welle ist verdrehfest über die Grundplatte mit dem Lenker verbunden, d.h. selbiger dient als Festlager zum Abstützen der Kräfte. Die Welle selbst ist am Umfang mit Kerben in axialer Richtung versehen um gewissermaßen Teilen, die sich gegenüber der Welle nicht verdrehen sollen, einen Wiederhalt zu bieten; die Hebel bspw. müssen sich relativ gegenüber der feststehenden Welle bewegen können, diese haben also kein Profil, das in die Welle „einrastet“. Die Schraube links unten in Abb.1/Abb. 2 ist hohlgebohrt und auf der Grundplatte eingeschraubt. Dort hindurch wird der Seilzug zum Schaltwerk nach hinten geführt. Diese Schraube kann auch dazu genutzt werden, dem Seil eine Vorspannung aufzuprägen bzw. um nach gewisser Betriebsdauer den gedehnten Seilzug nachzujustieren (die selbe Einstellmöglichkeit findet sich meist am Schaltwerk direkt nochmals).

Der Seilzug selbst wird in der weißlichen Kunststoff-Scheibe eingehängt (die Fasern des abgezwickten Seilzugs sind noch zu erkennen). In der fotografierten Stellung (Abb. 1) ist der Seilzug völlig entlastet, die Kette sollte also bei korrekter Schaltwerkseinstellung auf dem kleinsten Ritzel hinten liegen. Einzig in dieser Stellung ist beispielsweise der Austausch eines Schaltseils möglich!

Unterhalb der Seilzugaufnahme ist nun das Ritzel zu sehen. Dieses Ritzel hat sozusagen „2 Gesichter“. Es ist also nicht über den gesamten Umfang verzahnt, sondern nur in 2 Bereichen. Jeder dieser Bereiche hat exakt 7 Zähne und manche dieser Zähne haben voneinander abweichende Form. Die sogenannte Teilung (und damit der Modul) – vereinfacht ausgedrückt der Abstand von Zahnmitte zu Zahnmitte - ist also variabel. In diese Verzahnungen greifen nun insgesamt 3 Nocken ein.

Die Endstellungen des Schaltwerks werden direkt am Schaltwerk eingestellt. Hiermit wird verhindert, dass sich das Schaltwerk über das größte bzw. das kleinste Ritzel hinaus bewegen kann und die Kette außerhalb des Ritzelpakets zum Liegen kommt.

Übrigens:

Oft liest man in diesem Zusammenhang den Begriff „Indexierung“ oder Index-Schaltung“. Das bedeutet, dass die Schaltung auf einen einzigen Gang indexiert ist, es findet eine Rasterung statt (das hört man auch am Klacken). Alle anderen Schaltstellungen hängen nun von dieser einen Ursprungs-Schaltposition ab. Das Schaltwerk bewegt sich immer um den gleichen Weg nach links oder rechts, die einzelnen Ritzel müssen also die gleichen Abstände voneinander aufweisen. Praktisch bedeutet das beispielsweise, dass ein Ritzelpaket mit 10 Gängen (sollte es zufällig passen am Hinterrad und in den Rahmen) nicht mit einer 7-fach Index-Schaltung funktionieren wird, da sich die Abstände zwischen den Ritzeln nun verändert haben, der Schaltabstand der Index-Schaltung jedoch fix vorgegeben ist. Sollten die Abstände auch noch zufällig gleich sein, so bringt die Umrüstung ja auch wenig, weil nur 7 der 10 Gänge geschalten werden können...

Aber Vorsicht: Zudem wird die 1-dimensionale Bewegung des Schaltzuges durch das Schaltwerk hinten in eine 2-dimensionale Bewegung umgesetzt. Das bedeutet, dass das Schaltwerk nicht nur von rechts nach links (in Fahrtrichtung betrachtet), sondern auch von oben nach unten (in der Seitenansicht) oder umgekehrt bewegt wird. Auch hier muss also der Stufensprung zwischen benachbarten Ritzeln in gleicher Größenordnung bleiben. Ein plötzlicher, größerer Sprung in der Zähnezahl und damit im Durchmesser (Stichwort „Rentnerritzel“) wird also in den meisten Fällen durch diese Schaltung nicht so ohne weiteres akzeptiert, wenn eine sog. geometrische Gangabstufung (Stufensprung konst.) vorliegt.

Durch die Indexierung oder Rasterung wird also immer die selbe Schaltstellung automatisch wiedergefunden, alle Komponenten der Schaltung sind also genau aufeinander abgestimmt.

Wie wir weiter unten sehen werden, ist bei der hier vorgestellten Schaltung eine progressive Gangabstufung (Stufensprung nicht konstant) verwirklicht worden.

Wir kommen damit also zum Funktionsprinzip des Schalthebels schlechthin!

Die grundsätzliche Forderung an eine solche Schaltung muss ja nun lauten: Gangweises Hochschalten sowie Herunterschalten mit automatischer Arretierung in jedem Gang.

(In Richtung Hochschalten ist sogar das Überspringen von Gängen möglich.)

Wie wird dies nun realisiert?

Der breite Daumen-Hebel wird mittels einer Drehfeder aus der gedrückten Position in die ursprüngliche Position zurückgestellt. Diese Feder hat nur diese Aufgabe, den Hebel in die Anfangsposition zurückzustellen. Bei Betätigung des Daumen-Hebels (Hochschalten) wird nun die Aufnahmescheibe des Seilzugs entgegen dem Uhrzeigersinn in Bewegung gesetzt. Immer synchron zur Bewegung dieser Scheibe geht die Bewegung des Ritzels direkt unterhalb in gleicher Richtung. Es gibt also keine Relativbewegung zwischen diesen beiden. Direkt auf dem Daumen-Hebel ist ein federbelasteter Nocken gelagert. Dieser nimmt pro Hochschalt-Vorgang einen Zahn des Ritzels mit und sorgt somit für Zug im Seil (Schaltwerk kann sich in Richtung größeres Ritzel bewegen). Dieser Nocken würde aber jede Bewegung in Richtung Uhrzeigersinn verhindern! Folglich muss dieser beim Herunterschalten außer Funktion gesetzt werden. Das geschieht durch eine einfache Scheibe mit Absatz, die direkt unterhalb des Ritzels gelagert ist, in die der Nocken aber noch eingreift. Dieser Absatz sorgt nun beim Herunterschalten dafür, dass der Nocken ein kleines Stück von der Wellenmitte weggedrückt wird – die Zähne können ohne Behinderung im Uhrzeigersinn drehen. Die Drehfeder sorgt wie erwähnt für die Rückstellung des Daumenhebels und zwar so exakt, dass dieser nicht irgendwo stehen bleibt, sondern an der Stelle, wo der Nocken des Daumenhebels genau auf dem Absatz liegen bleibt.

Die Verzahnung ist so ausgelegt, dass im kleinsten und in den zwei größten Gängen geringfügig weitere Wege beim Schalten zurückgelegt werden. Dies ist jedoch bei der Bedienung des Daumen-Hebels kaum spürbar. Um diesen Wegunterschied zu merken, müsste man schon sehr feinfühlig schalten. Sinn und Zweck ist, dass dadurch erhöhte Stufensprünge überwunden werden können. Der Stufensprung ist demnach über die 7 Gänge nicht konstant (je kleiner der Stufensprung zweier benachbarter Gänge, desto weniger muss der Fahrer beim Schalten seine Trittfrequenz ändern).

Das Überspringen von Gängen ist vom maximalen Ausschlag des Daumenhebels abhängig, also davon, wieviele Zähne am Ritzel mit einer Daumenbewegung übersprungen werden können. Um den Benutzer nicht zu überfordern oder gar zu gefährden, ist hier auch ein Endanschlag vorhanden. Der Endanschlag für den Daumenhebel stellt gleichzeitig den Endanschlag für den Zeigefinger-Hebel dar.

Der kleinere, ebenfalls federbelastete (sorgt für Rückstellung) Hebel (Zeigefinger-bedienung, im folgenden kurz ZF) besitzt einen Anschlag, um eine Bewegung nur über eine gewissen Winkelbereich (Ausgangsstellung des ZF-Hebels bis Anschlag) zu ermöglichen. Dieser Anschlag sitzt auf der zuvor erwähnten Absatzscheibe, die ja sozusagen ortsfest mit dem Lenker verbunden ist. Diese einfache Scheibe erfüllt also eine Doppelfunktion (im Grunde genommen eine Dreifachfunktion, da auf dieser Scheibe auch noch der zweite Teil der Lagerung der nachfolgend genannten Achse für die Nocken 2 und 3 integriert ist; siehe Abb. 2). Am ZF-Hebel ist eine Nase ausgeformt, die wiederum in eine der Nocken eingreift. Dieser Nocken ist federbelastet und ist fest mit der Grundplatte verbunden. Auf gleicher Achse steckt der 3. Nocken. Beide Nocken greifen in die selbe Verzahnung ein und sind direkt über einander angeordnet (wie oben gesehen greift der 1. Nocken alleinig in die gegenüberliegende Verzahnung ein). Bei Betätigung des ZF-Hebels (Herunterschalten) wird nun die Nase gegen den oberen, federbelasteten Nocken gedrückt (dieser Nocken ist für die Rasterung bzw. Indexierung verantwortlich, auch beim Hochschalten!). Dadurch wird dieser von der Wellenmitte weggedrückt und gibt die Verzahnung frei. Nun muß noch erwähnt werden, dass das Ritzel/die weißliche Scheibe zusammen mit einer Drehfeder gegenüber der Grundplatte verspannt sind. Dieser Federkraft sorgt für das retardierende Moment, das beim Herunterschalten mit dem ZF-Hebel Ritzel/weiß. Scheibe in Richtung Uhrzeigersinn dreht. Nun würde diese Kraft ausreichen, um auf einmal vom höchsten in den niedrigsten Gang zu springen. Da dies unerwünscht (evtl. sogar gefährlich für den Pedalritter) ist, ist nun als Sicherung der 3. Nocken vorhanden. Dieser sorgt für eine gangweise Rückstellung. Durch eine entsprechende Formgebung der Nase am ZF-Hebel sorgt dieser beim Rückschwenken in die Ausgangsstellung dafür, dass der Nocken in die Verzahnung gedrückt wird und immer nur den Sprung in den Nachbargang zulässt.

Wenn man sich jetzt noch Gedanken darüber macht, wie die Federn ausgelegt werden müssen, dass sie für die Rückstellkräfte sorgen, die benötigt werden, oder wie das Verzahnungsprofil ausgelegt werden muss, dass die dadurch ausgelösten Wege des Schaltzuges die gewollte Aktion am Schaltwerk hervorrufen usw., dann merkt man schon, dass da einiges Wissen dahinter steckt. Will man dann noch eine exakte Schaltpräzision über eine geforderte Lebensdauer sicherstellen, dann kommt man langsamer oder schneller dahinter, wieso manche Schaltungen (oder allg. Fahrradkomponenten) mehr kosten als so manches Fahrrad.

Fazit.

Der Teufel steckt im Detail. Auch das Fahrrad wurde im Laufe der Zeit ständig weiterentwickelt und optimiert. Idealerweise funktioniert aber (noch) das meiste rein mechanisch! Wir brauchen also kein Diagnosegerät in der Werkstatt, sondern etwas Mechanik-Verständnis (oder einen guten Mechaniker) um Fehler zu finden oder zu beheben.

… zum Schluss 2 Weisheiten in Sachen Drahtesel:

Richard Ballantine:

„Genau wie das Ideal der klassischen griechischen Kultur auf die Harmonie von Körper und Geist abzielte, so bilden der Mensch und das Fahrrad eine perfekte Synthese aus Körper und Maschine.“

der Spiegel schreibt:

„Models schlucken Abführmittel, Künstler koksen und selbst Kaffeetanten dopen ihre 18 Kehlkopfmuskeln mit Koffein, weil sich sonst nicht der ersehnte Wortfluss einstellt. Warum sollte ein Radprofi sich vor ein paar kleinen Tabletten fürchten, wo er doch sein Leben bei 100 Stundenkilometern 19 Millimeter schmalen Gummireifen anvertraut.“