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Die Symbiose von Kettenschaltung und Getriebe

Wie können wir die Ergonomie, das Schaltverhalten und die Belastbarkeit eines Rades verbessern? Diese Frage haben wir uns gestellt, mit unseren Team-Fahrern gesprochen und sind zu dem Entschluss gekommen, dass ein großes Tuningpotential in den Anbauteilen liegt – genauer gesagt bei der Schaltung. Die Rahmen sind mittlerweile ausgereift, es hat in den vergangenen Jahren riesige Sprünge bei Materialien, Gewichten, Steifigkeiten, Komfort und Fahrverhalten gegeben. Aber nahezu alle Mountainbikes schalten noch immer mit einer herkömmlichen Kettenschaltung. Das Prinzip gibt es schon seit etwa 1930. Es hat sich zwar einiges getan, aber es blieb doch immer bei einer Evolution. Wirkliche Revolutionen waren Mangelware. Heutzutage schleppen Biker bis zu drei Kettenblätter und 10 Ritzel mit sich rum.

Die Vorteile von Kettenschaltung und Getriebe

Kettenschaltungen haben jedoch unbestreitbare Vorteile, auf die wir beim Projekt 1.44² weiterhin bauen möchten. Das Gewicht ist bei einer großen Gangvielfalt sehr gering, Ketten bieten im gepflegten Zustand einen hervorragenden Wirkungsgrad und die Einzelteile der Schaltung lassen sich schnell tauschen.
Eine Alternative zu Kettenschaltungen bilden Getriebe. Die Vorteile von Getriebeschaltungen liegen auf der Hand: Die Schaltgeschwindigkeit ist deutlich schneller und noch direkter als bei Kettenschaltungen, es kann beim Pedalieren und im Stand geschaltet werden, der Wartungsaufwand ist geringer und die Betriebssicherheit ist höher. Denn es fällt der Umwerfer weg, wodurch sich eine Kettenführung problemlos montierten lässt. Die Kette kann so nicht mehr abspringen und Kettenklemmer werden verhindert. Doch die gängigen Getriebe auf dem Markt sind für viele Biker zu schwer, haben einen zu geringen Wirkungsgrad und ihr Einsatzgebiet ist durch die geringere Übersetzungsbreite eingeschränkt. Hier liegt noch viel Potential für Innovationen und Weiterentwicklungen.

Der Ansatz

Wie können wir die Vorteile beider Systeme vereinen? Indem wir eine Hybridlösung konstruieren, bei der jeder Part die Nachteile des anderen eliminiert und die Vorteile potenziert. Als erstes stellt sich die Frage, welche Funktionen beider Systeme am besten funktionieren und wofür sie am sinnvollsten eingesetzt werden können. Bei diesen Überlegungen wird recht schnell klar, dass der Umwerfer einer Kettenschaltung zu träge und auch zu unsicher ist – ein Kettenklemmer kann im Rennbetrieb über Sieg oder Niederlage entscheiden. Außerdem kann das große Kettenblatt bei großen Stufen oder Baumstämmen störend sein. Eine Schaltung an der Kurbel benötigt relativ viel Bauraum, was sich wiederum in einem höheren Q-Faktor wiederspiegelt. Ein niedriger Q-Faktor, also ein geringer Pedalabstand, ermöglicht ergonomischeres Kurbeln. Ziel war es daher, dass das Bike mit nur einem Kettenblatt gefahren werden kann.
Beim Getriebe bedeuten mehr Gänge auch immer eine komplexere Mechanik und dadurch ein höheres Gewicht. Es gilt also ein Getriebe mit so wenig Gängen wie möglich und so vielen wie nötig zu konstruieren. In den vergangenen Jahren hat sich die Kombination von drei Kettenblättern mit einer Kombination von großem 44er und kleinem 22er Kettenblatt etabliert.
Die so erreichte Übersetzungsbandbreite beträgt 200%. Dazu wird eine Kassette mit vielen Ritzeln und kleinen Gangsprüngen kombiniert. So

Erreicht man eine kleine Bergübersetzung und hat auf Abfahrten noch immer die Möglichkeit, Druck aufs Pedal zu bringen.
Damit der Q-Faktor so niedrig wie möglich bleiben kann, ist es ein logischer Schritt, die Schaltung ans Heck zu legen. So haben wir im Tretlager maximalen Freiraum für neue Anlenkpunkte von Hinterbauschwingen zur Verfügung, die Aufnahme für den Umwerfer entfällt, wir können einen möglichst niedrigen Q-Faktor realisieren und haben das Grundgerüst für eine Rennschaltung mit einer optimierten Ergonomie. Die Kettenschaltung am Heck bleibt. So erzielen wir eine möglichst große Übersetzungsbreite, erhalten ein geringes Gewicht und schnelle Schaltvorgänge. Die Nabe garantiert in Verbindung mit der 11-36er 10-Fach Kassette eine maximale Übersetzungsbreite von 674%. Zum Vergleich: eine Schaltung mit drei Kettenblättern (44/32/22) und der gleichen Kassette kommt auf 654%, eine Zweifach-Kurbel (42/28) sogar nur auf 490%.

Der Name: Projekt 1.44²

Unsere Getriebenabe hat insgesamt drei Gänge: Einen 1:1-Direktgang, bei dem sich das Übersetzungsverhältnis lediglich aus der aktuellen Anzahl der Zähne an Kettenblatt und Kassette ergibt. Durch das 32er Kettenblatt kann die Nabe überwiegend im Direktgang ohne Wirkungsgradverluste betrieben werden. Darüber hinaus gibt es eine Über- und eine Untersetzung, die jeweils ungefähr den Faktor 1,44 (beziehungsweise 1/1,44) beträgt. Es gibt einen Overdrive-Modus, bei dem das Rad 1,44 mal so viele Umdrehungen pro Minute zurücklegt wie die Kassette. Bei der Untersetzung dreht sich die Kassette knapp 1,44-mal schneller als das Rad. Somit kann man die Gesamtübersetzung der Nabe errechnen: 1,4359² = 2,06. Die Getriebenabe hat eine Übersetzungsbandbreite von 206%. Dabei sind die Abstufungen an einer klassischen Dreifachkurbel orientiert. Eine Umgewöhnungsphase entfällt.
Im Gegensatz zu bisher bekannten Schaltgetrieben für Mountainbikes handelt es sich beim Projekt 1.44² um ein Renngetriebe, das höchsten Wirkungsgrad und absoluten Leichtbau vereint. Mit dem Gewicht liegen wir auf einem Shimano XT Niveau. Das Zielgewicht für die Nabe: 630 Gramm – man muss allerdings bedenken, dass hier schon die Gewichte der Hinterradnabe, von zwei Kettenblättern und dem Umwerfer „enthalten“ sind. So ergibt sich in der Summe ein Bauteil, das auch auf den anspruchsvollsten Rennstrecken beste Performance bringen wird.

Specs Projekt 1.442

Gabel: Gabel DT XRC 100
Laufrad front: DT Swiss XCR 1250
Laufrad back: Canyon 3-speed gear hub, DT Swiss XRC 300
Kurbel: THM Clavicula, Tune Triebtreter (32)
Schaltwerk: Shimano XTR 10-speed, Custom Shifter
Bremse front: Formula R1 Carbon
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Guter Wirkungsgrad bei einer grossen Haltbarkeit

Ein großer Nachteil vieler Getriebe ist der niedrige Wirkungsgrad. Ein wichtiges Entwicklungsziel war daher die Realisierung eines bestmöglichen Wirkungsgrades. Der Gesamtwirkungsgrad einer Getriebeschaltung setzt sich aus den Wirkungsgraden der Kette und des Getriebes zusammen. Wir haben beide Systeme unter die Lupe genommen und sie jeweils für sich optimiert. Der Kettenwirkungsgrad nimmt mit steigender Kettenabwinklung deutlich ab. Das heißt bei einem kleinen Kettenblatt mit 22 Zähnen ist die Abwinklung der Kette beim Eingriff mit dem Zahnrad höher als bei einem Kettenblatt mit 32 Zähnen. Der Kettenwirkungsgrad ist um bis zu 1% geringer. Durch den Einsatz des 32er-Kettenblattes bieten wir nicht nur einen sehr guten Kettenwirkungsgrad, wir reduzieren durch den längeren Hebelarm auch die Kettenzugkräfte um 30% gegenüber einem 22er-Kettenblatt. Die Konsequenz ist eine geringere Belastung von Kette, Ritzeln und Rahmenhinterbau.
Um den Wirkungsgrad des Getriebes zu maximieren, entschieden wir uns bei der Bauweise für ein Planetengetriebe. Denn diese Bauweise vereinigt maximale Belastbarkeit und höchsten Wirkungsgrad mit geringstem Gewicht und kompakter Bauform. Um die Lagerreibung im Getriebe zu minimieren haben wir für die Lagerung der vier Planeten statt der sonst häufig eigesetzten Gleitlagerung hochbelastbare Nadellager eingesetzt. Damit die Zahnräder im Nabeninneren mit einem stetigen Schmierfilm überzogen werden, haben wir die Nabe so konstruiert, dass das gesamte Getriebe in einem stetigen Ölnebel steht. Das niedrigviskose – also relativ dünnflüssige – Öl wird durch die Bewegung der Zahnräder immer wieder zu feinen Tröpfchen zerstäubt, kann so in alle Zwischenräume dringen und die gesamte Nabe schmieren.

Für eine geringe Wälzreibung zwischen den Zahnrädern sorgt außerdem die Geradverzahnung. Das bedeutet: Die Zähne verlaufen parallel zur Ache. Im Gegensatz zu einer Schrägverzahnung, bei der die Zahnräder schräg

Zur Achse liegen, treten bei unserer Lösung unter Belastung keine Axialkräfte auf. So entfällt der konstruktive Aufwand für eine Abstützung der axial wirkenden Kräfte. Reibungsbedingte Wirkungsgradverluste durch die Axialkräfte werden umgangen. Der theoretische Nachteil der geringeren Laufruhe ist bei niedrigen Drehzahlen wie beim Fahrrad nicht bemerkbar.

Für eine längere Lebensdauer und höhere Belastbarkeit haben wir die Zahnflanken, also die äußere Schicht der Zahnräder, gehärtet. Bei der so genannten Einsatzhärtung werden die einzelnen Bauteile in eine kohlenstoffhaltige Atmosphäre bei erhöhter Temperatur gesetzt. In diesem Einsatz diffundiert Kohlenstoff in die obersten Schichten. Der an der Oberfläche in seiner Zusammensetzung veränderte Stahl wird anschließend unter einer bestimmten Temperaturführung gehärtet. Das Ergebnis: eine verschleißfeste Oberfläche mit großer Zähigkeit im Kern, was gut für die dynamische Belastbarkeit ist, da das Zahnrad nach außen hin seine Elastizität behält.
Das Projekt 1.44² bietet einen Blick in die Zukunft. Wie könnte ein effizientes Schalten bei größtmöglichem Leichtbau und einer ergonomischen Pedalposition realisierbar sein? Mit einem Blick in die Zukunft wäre es denkbar, dass die Rahmen speziell auf Kurbeln mit nur einem Kettenblatt optimiert würden. Konstruktiv würden dadurch neue Möglichkeiten geschaffen, noch fortschrittlichere Rahmen zu bauen – da die Konstrukteure größere Freiheiten im Bereich des Tretlagers hätten. Die Schaltzeiten der Nabe am Projekt 1.44² sind so kurz, dass man sich während des Rennens keine Gedanken mehr über die Schaltung machen muss. Man kann so im Overdrive bis ans Ende des Downhills Vollgas geben, kann bis in den Gegenhang pedalieren und dann blitzschnell auf den Neutral- oder den Berggang schalten. Gerade in technischem Terrain kann man sich so besser auf das Gelände konzentrieren. Mit der Renngetriebenabe am Projekt 1.44² zeigen wir einen Weg auf, wie die Schaltung der Zukunft aussehen könnte.

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