mini|hochkant|Zahnkranzpaket und Schaltwerk mit langer Schaltschwinge am Hinterrad eines Geländefahrrads mini|hochkant|Parallelogramm-Schaltwerk Huret Svelto von 1963 mini|1980: Umwerfer Shimano 600 mini|9-fach-Zahnkranzpaket Modell R9 (Dura-Ace-kompatibel) des Herstellers SRAM
Die Kettenschaltung (auch: Außengang bzw. Außenschaltung) ist eine bei Fahrrädern verwendete Gangschaltung mit wechselndem Eingriff der Fahrradkette in mit verschiedenen Zähnezahlen versehene Zahnkränze oder/und Kettenräder.
Beim Schalten wird die Übersetzung zwischen Tretkurbel und Hinterrad verändert. Die Kettenschaltung ist das am häufigsten verwendete Wechselgetriebe am Fahrrad. Andere Wechselgetriebe sind die Nabenschaltung und die seltenere Tretlagerschaltung. Zur Vergrößerung des Übersetzungsbereiches beziehungsweise der „Spreizung“ kann eine Kettenschaltung auch zusammen mit einer Nabenschaltung eingesetzt werden.
Grundsätzliches zu Aufbau und Funktion Grundsätzlich ermöglicht es die Kettenschaltung, sowohl das antriebsseitige als auch das abtriebsseitige Getriebe eines Fahrrads schaltbar zu machen. Antriebsseitig wird dies durch mehrere (in der Regel zwei bis drei) Kettenblätter an der Tretkurbel ermöglicht, wobei ein Umwerfer als Wechselvorrichtung dient und die Kette axial verschiebt. Die Betätigung erfolgt mittels Seilzug und Bedienhebel, der bis in die 1980er Jahre direkt am Rahmen, und heute üblich gut zugänglich am Lenker angebracht ist. Auf diese Weise lässt sich das Übersetzungsverhältnis während der Fahrt antriebsseitig ändern.
Abtriebsseitig werden die Zahnräder Ritzel oder Zahnkranz genannt und sind zu einem Zahnkranzpaket (auch als Kassette bezeichnet) an der Hinterradnabe angeordnet. Bis in die 1980er Jahre waren Ritzelpakete mit drei bis sechs Ritzeln üblich, heutzutage werden Pakete mit 7 bis 12 Ritzeln verwendet. Die Wechselvorrichtung am Hinterrad wird üblicherweise als Schaltwerk bezeichnet. Dieses beinhaltet in der Regel auch den Kettenspanner, der die Kettenspannung annähernd konstant hält, unabhängig von der Größe der Zahnräder, auf denen die Ketten gerade läuft. Das Schaltwerk wird ebenfalls mittels Seilzug und Bedienelementen am Lenker betätigt.
Während des Schaltvorgangs verlässt die Kette über einen größeren Teil des Radumfangs das bisherige Zahnrad und steigt auf das gewünschte benachbarte Zahnrad über. Erst wenn dort genügend viele Kettenglieder in Kontakt gekommen, das heißt genügend Kettenstege in die Zahnlücken gefallen sind, ist der Schaltvorgang beendet. Die Kettenschaltung am Fahrrad muss ohne Kupplung auskommen, weshalb der Radfahrer kein großes Antriebsmoment während des Schaltvorgangs ausüben darf. Andernfalls werden Teile der Schaltung und die Kette beschädigt oder verschleißen vorzeitig.
Bei einer Kombination von Ketten- und Nabenschaltung wird in der Regel vorne nicht geschaltet, es gibt nur ein Kettenrad.
Einzelheiten zu Aufbau und Funktion Die Kette wird im Schaltwerk von der SchaltschwingeChristian Smolik: Online-Glossar Velotechnik – Schaltschwinge. sowohl geführt als auch gespannt. Die Schaltschwinge besteht aus zwei kleinen Zahnrädern, den sogenannten Kettenrädchen (auch Schaltungsröllchen oder Schaltwerkrädchen genannt), die meist aus Kunststoff bestehen und senkrecht untereinander in einem Käfig angeordnet sind. Das obere Kettenrädchen heißt Kettenleiträdchen oder Kettenführungsrolle und dient zur Führung der Kette unter den gewünschten Zahnkranz. Das untere Kettenrädchen heißt Kettenspannrädchen oder Kettenspannrolle. Die Schaltschwinge ist um eine Achse drehbar, die entweder mit der Achse des Kettenleiträdchens zusammenfällt (sogenannte Zweipunktlagerung) oder etwas außerhalb liegt (sogenannte Dreipunktlagerung oder Pantograph). (PDF; 261 kB). Sie wird von einer Drehfeder gespannt, so dass die Kettenspannrolle die Kette nach hinten zieht und damit spannt. Die Schaltschwinge ist außerdem über eine Parallelogramm-Mechanik seitlich verschiebbar, um die Kette mittels des Kettenführungsrädchens auf den gewünschten Zahnkranz zu führen.
Abhängig vom Einsatzzweck des Fahrrades kommen Kettenblätter mit 20–44 Zähnen beim Geländerad (meist drei Kettenblätter, seit ca. Modelljahr 2014 werden vermehrt 2- und 1-fach Kettenblätter verwendet) oder 30–55 Zähnen beim Rennrad (zwei Kettenblätter 34–50, 39–53 oder drei Kettenblätter 30–39–52) zum Einsatz. Das Zahnkranzpaket enthält bis zu zwölf (typischerweise 7…11) Kränze bei Zähnezahlen von 9 bis knapp über 50 Zähnen, bei Rennrädern wegen der gewünschten kleineren Abstufung in hohen Fahrgeschwindigkeiten oft nur bis 21 oder 25.
An Downhill-Fahrrädern kommt oft nur ein Kettenblatt zum Einsatz. Sehr einfach aufgebaute Kettenschaltungen mit nur einem Kettenblatt im niedrigen Preissegment kamen in früheren Zeiten auch bei Stadträdern zum Einsatz. In den 1990er Jahren waren kurzzeitig Schaltungen mit vier Kettenblättern im Handel, die sich aber nicht am Markt halten konnten.
mini|Eine Rücktrittnabe aus den 1950er Jahren mit drei Kränzen für eine Kettenschaltung Die Wechselvorrichtungen können die Kette seitlich verschieben, kurz bevor sie auf die Zahnräder aufläuft. Wenn sich die Zahnräder drehen, kann somit die Kette auf verschiedene Zahnräder gelegt werden. Aus dem Verhältnis der Zähnezahlen des Kettenblattes und des Zahnkranzes, auf denen die Kette gerade läuft, ergibt sich das Übersetzungsverhältnis des Kettentriebes.
Bei drei Kettenblättern vorne und elf Zahnkränzen hinten sind theoretisch 33 Gänge schaltbar. Ein Teil der Gänge, bei denen die Kette besonders schräg läuft, sind aufgrund des hohen Verschleißes, des reduzierten Wirkungsgrads und der unangenehmen Geräuschentwicklung jedoch nicht empfehlenswert. Die Zahl der sinnvoll fahrbaren Gänge liegt somit – bei drei Kettenblättern vorne und elf Zahnkränzen hinten – bei 27, da die drei größten Kränze nicht mit dem großen Kettenblatt und die drei kleinsten nicht mit dem kleinen Kettenblatt kombiniert werden sollten. Zudem ist die Übersetzung einiger Gänge nahezu identisch. Die Anzahl dieser nahezu identischen Gänge hängt von der Kombination aus vorhandenen Kettenblättern und Zahnkranzpaket ab. Bei Mountainbikes und bergtauglichen Tourenrädern ist diese durch die größere Bandbreite meist kleiner, als bei den – mit zwei vergleichsweise nahe beieinander liegenden Kettenblättern ausgestatteten – Rennrädern. Die Überschneidungen bei den Übersetzungen sind allerdings nicht nur ein Nachteil, sondern gewollt, um das vorn und hinten gleichzeitige Schalten auf ein Minimum zu beschränken.
Die Wechselvorrichtungen werden über Schalthebel bedient, die in Griffweite des Fahrers angeordnet sind. Die früher bei Rennrädern üblichen Rahmenschalthebel am Unterrohr wurden heute nahezu vollständig durch Lenkerschalthebel ersetzt.
Historische Entwicklung mini|hochkant|Schaltparallelogramm Die Erfindung der Kettenschaltung wird u. a. Paul de Vivie zugeschrieben, der um 1906 einen Überwerfer entwickelte. Bereits 1889 nutzte er unterschiedliche Kettenblätter. Es soll allerdings schon 1869 ein Prototyp eines Schaltwerks auf dem Salon du vélocipède de Paris präsentiert worden sein. 1895 soll Jean Loubeyre den « Polycelere » vorgestellt haben, das erste echte Schaltwerk, angeboten im Katalog der Compagnie Générale des Cycle.
Eine Gangschaltung galt ursprünglich als unsportlich. Henri Desgrange, der Organisator der Tour de France, schrieb in der Zeitschrift L’Auto, eine Gangschaltung würde nur für Invalide und Frauen taugen.
Die Schaltung „Vittoria Margherita“ der Gebrüder Nieddu war die erste in der Praxis verwendbare Lösung. 1938 kam deren 5-Gang-Modell „Tour de France“ auf den Markt. In den 40er Jahren erschien noch das Modell Giuseppina aus Duraluminium. Zeitgleich wurden in Frankreich Modelle wie die „Super Champion“ erfunden. All diese Schaltungen hatten eine Spannrolle hinter dem Kettenblatt und waren sehr schmutzanfällig. 1946 kam dann die Campagnolo Corsa auf den Markt, ihre Bauweise revolutionierte das System der Kettenschaltungen. Mit einem Hebel wurde (während der Fahrt) die Achse gelockert, mit einem zweiten Hebel wurde anschließend geschaltet, wobei die Achse ein Stück nach vorne oder hinten rutschte, damit die Kette gespannt blieb. Danach musste mit dem ersten Hebel die Achse wieder fixiert werden. Diese erste praktisch brauchbare Schaltung fand schnell Verbreitung bei Rennrädern. Kettenspanner, die das Lösen der Achse unnötig machten, wurden erst später erfunden.
An dem einfachen Prinzip der Kettenschaltung hat sich bis heute nur wenig geändert, und doch haben die Kettenschaltungen einen Entwicklungsschub hinter sich, der sich vor allem in der Verbesserung der Präzision und Geschwindigkeit des Schaltvorganges niederschlägt. Er begann in den 1980er Jahren mit den ersten Indexschaltungen („Positron“ von Shimano und „Commander“ von Sachs). Bis zu jener Zeit waren die Kettenschaltungen fast ausschließlich den Rennrädern vorbehalten. Es galt, den stufenlosen Schalthebel gefühlvoll genau so weit zu bewegen, bis die Kette auf den gewünschte Zahnkranz umsprang. Da die Form der Zähne nicht der Kettenbewegung angepasst war, musste sogar zunächst leicht über den eigentlichen Gang hinaus geschaltet werden, um dann nach Aufliegen der Kette auf dem Zahnkranz den Schalthebel wieder leicht zurückzunehmen.
Eine erhebliche Verbesserung gelang 1984, als Shimano bei der „Dura Ace“-Schaltung das Schrägparallelogramm von Suntour übernahm. Mit einem um etwa 25 Grad schräg angeordneten sogenannten Schrägparallelogramm verläuft der Schwenkweg der Schaltschwinge nicht nur nach innen, sondern auch nach unten. Das entspricht zum einen der Kletterbewegung der Kette, zum anderen folgt die Schaltschwinge der Zahnkranzneigung. Dies bedeutet: Je weiter die Schaltschwinge nach innen schwenkt, umso weiter bewegt sich das Kettenführungsrädchen nach unten und hält damit den Abstand zu den nach innen größer werdenden Zahnkränzen nahezu konstant. Eine zweite Rückholfeder schließlich garantiert, dass, egal mit welchen Zahnunterschieden das Zahnkranzpaket bestückt ist, der Abstand vom Kettenführungsrädchen zu den Zahnkränzen immer zwischen 1½ und 2½ Kettenglieder beträgt. Das ist wiederum die optimale Voraussetzung für den nächsten Schaltschritt. Denn wird dieser Abstand größer, erfolgt der Gangwechsel nur zögerlich, da sich die seitlich bewegliche Kette zu weit abbiegen kann. Ist der Abstand zu klein, kann das Kettenführungsrädchen auf den Zahnkränzen schleifen.
Der nächste Innovationsschub verbesserte die Schaltqualität nochmals wesentlich: Mit ihrer „Hyperglide“-Zahnform ermöglichte Shimano im Jahre 1988 das Schalten sogar unter Last, was besonders bei Geländefahrrädern sehr vorteilhaft ist, denn immer wieder gibt es bei plötzlichen Steigungen Situationen, in denen nur ein Gangwechsel vor dem Stillstand des Rades bewahren kann. Das Besondere dieser Zahnform: Die Kette muss nun zum Gangwechsel nicht mehr über die Zahnspitzen hinweg auf das nächste Zahnkranz klettern, sondern sie läuft, Zahn in Zahn greifend, von einem Zahnkranz auf das nächste über. Um das zu erreichen, wurde zum einen die Zahnhöhe drastisch gekürzt, zum anderen der Zwischenraum von Zahn zu Zahn wannenförmig vergrößert und letztlich „Überlaufstellen“ geschaffen: An den Stellen, an denen die Zähne der benachbarten Zahnkränze nebeneinander stehen (diese Situation ist bei Zahnkränzen mit einem Zahn Unterschied einmal, bei zwei Zähnen Unterschied zweimal und bei drei Zähnen entsprechend dreimal usw. der Fall) wird die Zahnhöhe weiter reduziert (sie sehen fast wie abgebrochene Zähne aus, was des Öfteren zu Verwunderung von Unkundigen führt). Außerdem sind die Zähne seitlich flacher, so dass die Kette hier diagonal vom einen auf den anderen Zahnkranz verlaufen kann.