Fahrradzukunft

Ausgabe 2

Juli 2006

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Half Step plus Granny reloaded

von Wolfram Fischer

Das Wie und Warum: eine Bauanleitung und eine Liebeserklärung

Bild 1: Half Step plus Granny

Half Step plus Granny bedeutet übersetzt: Halbschritt plus Großvatergang. Es bezeichnet ein spezielles Schaltschema oder Gangabstufung bei Kettenschaltungen. Es bietet neben einem großen Übersetzungsbereich eine feine Gangabstufung und war besonders im englischsprachigen Raum bei Reiserädern in der Vormountainbikezeit verbreitet.

Durch das Aufkommen von MTB-Komponenten mit 7 und mehr Ritzeln war die Notwendigkeit von Half Step plus Granny scheinbar obsolet und es ist heutzutage nur noch an Oldtimern und Eigenbauten zu finden. Warum also das Thema noch einmal aufwärmen, da es serienmäßig 27-Gangschaltungen gibt?

Schauen wir uns zur Beantwortung dieser Frage doch einmal eine weit gespreizte, handelsübliche MTB-Abstufung an:

Bild 2: Gangabstufung MTB

De facto bleiben von den 27 theoretischen Gängen 14 nutzbare Gänge übrig. 13 Übersetzungsabstufungen, und damit Gänge, sind doppelt vorhanden. Die Gangsprünge liegen im Durchschnitt bei 15 %. Durchtrainierten Sportlern mögen diese Gangsprünge ausreichend fein gestuft sein, weniger Trainierte und Reiseradler mit vollem Gepäck sind dankbar, wenn sie, z. B. am sich drehenden Wind an mäandernden Flußläufen, welligem Gelände oder unterschiedlichem Fahrbahnuntergrund mittels eines fein gestuften Getriebes immer im optimalen Drehzahl- und Belastungsbereich fahren können.

Im Vergleich nun das Half Step plus Granny-Getriebe mit 7 Ritzeln wie es auf dem ersten Foto zu sehen ist:

Bild 3: Gangabstufung Half Step plus Granny

Der Übersetzungsbereich ist mit 649 % um 5 % oder 30 Prozentpunkte größer und der erste Gang ist mit 1,21 m Entfaltung um 10 % niedriger als beim handelsüblichen Getriebe. Mit 7,83 m Entfaltung im höchsten Gang können im Downhill immer noch über 60 km/h erreicht werden. Das hervorstechendste Merkmal ist aber die Tatsache, daß das 7-fach-Ritzelpaket quasi gesplittet wird, so daß sich 14 feingestufte Gänge mit einem durchschnittlichen Gangsprung von 8,5 % ergeben.

Das kleine Kettenblatt (Granny) liefert die nötigen Berggänge. In diesem niedrigen Geschwindigkeitsbereich ist eine feine Abstufung verzichtbar, da geringe Gangsprünge eine kaum merkliche Geschwindigkeits- und Laständerung bedeuten würden. Im fünften Gang liegt die Kette vorne auf dem mittleren Kettenblatt und hinten auf dem größten Ritzel. Mit 2,29 m Entfaltung können damit auch mittlere Steigungen im Sitzen genommen werden. Erst bei starken Steigungen muß vorne auf das kleine Kettenblatt geschaltet werden.

Ein weiterer Vorteil, neben den fein gestuften Gangsprüngen, ist das robuste Hinterrad. Die hier verwendete 7-fach-Nabe mit einem weiter außen liegenden rechten Speichenflansch, und damit nicht so steil stehenden Speichen wie bei der zuvor verwendeten 9-fach-Nabe, sorgt für eine geringere Speichenspannung auf der Zahnkranzseite, einer geringeren Differenz der Speichenspannung zwischen der linken und der rechten Seite und ein seitensteiferes Laufrad.

Oft hört man, Half Step plus Granny sei kompliziert und umständlich zu schalten. In den Zeiten, in denen noch mit Friktionsschalthebeln am Unterrohr an dünnen, flatternden Rahmen die Gänge gewechselt wurden, mag dies durchaus zutreffen. Müssen doch bei jedem zweiten Half Step-Schaltvorgang gleichzeitig beide Schalthebel bedient werden.

Mit den aktuellen indexierenden Schalthebeln am Lenker greift diese Befürchtung nicht mehr, im Gegenteil, sie ermöglichen erst ein komfortables und sicheres Schalten von Half Step plus Granny. Man kann, muß aber nicht jeden Halbschritt durchschalten, was etwa beim Beschleunigen im Stadtverkehr sinnvoll ist. Dann bleiben die Gangsprünge immer noch auf dem Niveau der meisten handelsüblichen Kassetten.

Auch wird oft die Befürchtung geäußert, der Schaltvorgang vom kleinsten Kettenblatt auf das mittlere sei nur sehr träge und ohne Last zu bewerkstelligen. Ein mit guten Steighilfen versehenes mittleres Kettenblatt läßt die Kette, auch bei Zahndifferenzen von deutlich über 20 Zähnen, unter Last an leichten Steigungen lautlos und zuverlässig schalten. Dazu später mehr.

Kettenschräglauf

In vielen Fachpublikationen ist zu lesen, daß ein übermäßiger Schräglauf der Kette im Hinblick auf den Wirkungsgrad und die Lebensdauer der Komponenten unbedingt zu vermeiden sei, wie es bei der Kombination großes Kettenblatt – großes Ritzel vorkommt. Half Step plus Granny erfordert aber genau diese Kombination. Dazu ist zu sagen, daß ein Half Step plus Granny-Getriebe ein völlig anderes Konzept darstellt und alle Komponenten aufeinander abgestimmt werden müssen.

Bei Half Step plus Granny wird grundsätzlich die kürzest mögliche Tretlagerwelle verwendet, um den Schräglauf der Kette so gering wie möglich zu halten.

Würde eine solch kurze Welle bei einer traditionellen MTB-Kurbel verwendet werden, würde der Käfig des Umwerfers beim Schaltvorgang auf das kleinste Kettenblatt weit nach innen schwenken und möglicherweise schon am Sattelrohr anstoßen, aber die Kette würde aufgrund des großen vertikalen Abstandes des äußeren Umwerferführungsbleches zu dem mittleren Kettenblatt, zumindest unter Last, nicht auf das kleine Kettenblatt wechseln. Erst bei einer langen Welle, die die MTB-Kurbel weiter nach außen bringt, kann der Umwerfer die Kette soweit nach innen »biegen«, daß die Kette das mittlere Kettenblatt verläßt.

Bei Half Step plus Granny ist der vertikale Abstand zwischen dem äußeren Umwerferführungsblech und der Kette auf dem mittleren Kettenblatt aufgrund des relativ großen mittleren Kettenblattes gering, und die Kette schaltet auch unter Teillast zuverlässig auf das kleine Kettenblatt. Hier kann also eine sehr kurze Tretlagerwelle verwendet werden.

Bei einem optimal konfigurierten Half Step plus Granny-Getriebe fluchtet das mittlere Ritzel mit dem Zwischenraum von mittlerem und großem Kettenblatt. Hier kann es beim Schaltvorgang unter Last vom zweithöchsten (mittleres Kettenblatt – kleinstes Ritzel) auf den höchsten Gang (großes Kettenblatt – kleinstes Ritzel) zum Überlauf (Abwurf) der Kette kommen, da das kleinste Ritzel weiter außen liegt als das große Kettenblatt. In diesem Fall ist ein Ketten- bzw. Hosenschutzring notwendig.

Fassen wir die Vorteile von Half Step plus Granny zusammen:

  • Fein gestufte Gangsprünge.
  • Großer Übersetzungsbereich.
  • Mehr nutzbare Gänge, da weniger Gänge doppelt vorkommen.
  • Logisches Schaltschema, man weiß immer, wo der nächste Gang sitzt.

Die Nachteile sind:

  • Nach dem Herunterschalten am Berg auf das kleine Kettenblatt muß hinten um einige Gänge heraufgeschaltet werden. Das kostet etwas Zeit, etwa 1,5 – 2 Sekunden.
  • Um das Schaltschema zu verstehen, muß Neues gelernt werden.
  • Nicht käuflich erhältlich. Es muß gebastelt werden.
Bild 4: Half Step plus Granny am Tandem

Beispiel eines Reiseradgetriebes

Bild 5: Reiseradgetriebe – Schaltwerk
Bild 6: Reiseradgetriebe – Umwerfer
Bild 7: Gangabstufung Reiserad

Der Besitzer dieses Rades fährt gerne flott und bevorzugt eine Trittfrequenz im Bereich von 80–90 U/min. Die Kombination 44/34 Zähne, mit einer Entfaltung von 2,65 m, ist daher auch für leichte bis mittlere Steigungen geeignet. Nach Abzug der doppelten Gangstufen ergeben sich 21 nutzbare Gänge. Es wird eine 7-fach-Kassette von Shimano mit 13–34 Zähnen verwendet und ein zusätzliches Abschlußritzel mit 11 Zähnen. Es gibt von Shimano verschiedene Abschlussritzel mit unterschiedlich breiten Zähnen. Breite Zähne behindern die Kette am nötigen Schräglauf, um auf das 13er Ritzel zu wechseln. Entweder man schleift die Zähne an der lastabgewandten Seite an den Kanten an, oder man nimmt gleich ein Ritzel mit dünnen Zähnen (9-fach). Um die Kette bei diesem großen Übersetzungsbereich zu spannen, besitzt das Schaltwerk ein zusätzliches Spannrädchen. Lediglich wenn die Kette auf dem kleinen Kettenblatt (Granny) liegt, schwenkt der Schaltwerkskäfig soweit nach hinten, daß das zusätzliche Spannrädchen zum Eingriff kommt. Der Käfig für das dritte Rädchen besteht aus Aluminiumblech und wurde zur Geräuschminderung, das Blech ist ein guter Resonanzkörper, mit KFZ-Unterbodenschutz beschichtet. Die Idee mit dem dritten Rädchen ist von alten Suntour-Schaltwerken, wie dem Le Pre oder ARX, entliehen. Der Umwerfer ist ein modifizierter Suntour-Umwerfer. Dazu mehr bei der

Entwicklung eines fein gestuften gebirgstauglichen Reiseradgetriebes

Ein wenig Theorie: der Übersetzungssprung zwischen den beiden größeren Kettenblättern entspricht genau der Quadratwurzel des Übersetzungssprungs der Ritzel. So ist ein Splitten der hinteren Gangstufen möglich. Der Übersetzungssprung von Ritzel zu Ritzel sollte immer gleich sein, z. B. 20 %. Man spricht hier von einer geometrischen Reihe. Da heutzutage fast nur noch fertig zusammengestellte Ritzelpakete lieferbar sind, versuchen wir es mit handelsüblicher Ware.

Die Entwicklungsziele sind:

  • Sehr niedriger erster Gang
  • Sehr feine Gangabstufung
  • Der Gang »mittleres Kettenblatt – großes Ritzel« muß uphill-tauglich sein
  • Topspeed im Downhill ist sekundär, 60 km/h müssen bei max 140 U/min erreichbar sein

Der Fahrer hat einen bevorzugten Drehzahlbereich von 95–100 U/min und ist bereit, im Gefälle zum Erreichen der Höchstgeschwindigkeit deutlich höher zu drehen. Ein Ritzelpaket mit einem größten Ritzel von 34 Zähnen garantiert einen niedrigen ersten Gang und ermöglicht es, den Gang »mittleres Kettenblatt – großes Ritzel« möglichst uphill-tauglich anzusiedeln. Dabei darf das mittlere Kettenblatt aber nicht deutlich größer als das größte Ritzel sein. Die 11 Zähne des kleinsten Ritzels sorgen für Speed. Durch Herumprobieren mit einem Übersetzungsprogramm (Ritzelrechner) kommen wir auf folgendes Ergebnis:

Bild 8: Gangabstufung gebirgstaugliches Reiseradgetriebe

Nach Abzug der doppelten Gangstufen ergeben sich 23 nutzbare Gänge. Mit Gangsprüngen von durchschnittlich 7,6 % im Half Step Bereich erhalten wir eine äußerst feine Abstufung. Die Kassette kommt uns bekannt vor. Bei der Betrachtung der handelsüblichen MTB-Übersetzung haben wir sie eingangs dieses Artikels schon einmal gesehen. Sie stammt von Shimano oder SRAM.

Kurbelgarnitur

Die Kurbelgarnitur stammt von Spécialités TA. Es gibt nur sehr wenige Hersteller, die Kettenblätter mit ungeraden Zähnezahlen anbieten. Einer davon ist Spécialités TA für Fünfarmkurbeln mit einem Lochkreisdurchmesser von 110 und 130 mm sowie der hier gezeigten Pro 5 Vis, auch unter der Bezeichnung Cyclotouriste bekannt.

Granny

Das 18er Kettenblatt muß selbst angefertigt werden. Hierbei handelt es sich um ein Ritzel des Herstellers Rigida, welches an einigen Stellen durchbrochen wird, um dort Muttern mit Silberlot aufzulöten. Es ist zwar ein noch niedrigerer erster Gang mit einem kleineren Kettenblatt realisierbar, aber die in der Kette auftretenden Kräfte würden die Kette und das Ritzel schnell verschleißen lassen.

Bild 9–10: Ein selbst angefertigtes 18er Kettenblatt

Steighilfen

Bild 11–12: Steighilfen

Um ein einwandfreies Schaltverhalten vom kleinen auf das mittlere Kettenblatt zu gewährleisten, sind spezielle Schaltgassen und Steighilfen notwendig. Wer die Funktionsweise von Hyperglide begriffen hat, weiß worum es hier geht. Falls dies noch nicht geschehen ist, hänge man ein Rad mit einem Hyperglide-Zahnkranz in einen Montageständer, setze sich davor und schalte sehr langsam die Gänge durch. Man kann durch intensives Beobachten sehr viel von seinem Rad lernen!

Bild 13–14: Steighilfen

Wenn bei dem verwendeten mittleren Kettenblatt keine Steighilfen vorhanden sind, wie es hier der Fall war, müssen welche angebracht werden. Die Steighilfen bestehen aus M3-Niroschrauben mit Schlitz. Zuerst muß die geeignete Position ermittelt werden. In den Totpunkten, also im Bereich des Kurbelarmes und gegenüberliegend, ist die Zugkraft der Kette am geringsten.

Dort läßt sich der Schaltvorgang am besten bewerkstelligen. Die Kettenteilung muß mit der des kleinen und mittleren Kettenblattes übereinstimmen. Dazu wird eine Kette vom kleinen Kettenblatt kommend auf das mittlere Kettenblatt gewickelt. Die Position der Steighilfen wird, wie auf dem Foto weiter oben zu sehen, mit der Kette ermittelt und per Körnerschlag markiert. Die Kette darf dabei nicht straff gespannt sein.

2,5-mm-Bohrung setzen, Gewinde bohren, die Schraube von innen wirklich festschrauben, das restliche Gewinde mit 1 mm Überstand absägen, mit einem mittigen festen Körnerschlag auf die Gewindestirnseite den Schaft aufweiten, mit festen Hammerschlägen auf einem Durchschlag oder Splintentreiber den Überstand noch weiter aufweiten und vernieten und die Steighilfe sitzt bombenfest. Bei dem hier verwendeten Kettenblatt sitzt die Steighilfe genau im Übergang der Zähne zum verdickten Bereich des Kettenblattes.

Im Allgemeinen ist der Übergang nicht so stark ausgeprägt, so daß darauf verzichtet werden kann, per Ausfräsung ein gleiches Niveau mit der Zahnaußenseite zu erreichen. Sollte es dennoch nötig sein zu fräsen, so bieten im rechten Winkel geschliffene Bohrer einen brauchbaren Fräserersatz. Damit die Kette bei Schräglauf auf dem kleinen Kettenblatt nicht an der Steighilfe hängen bleibt, wird der Schraubenkopf auf den Grund des Schlitzes herunter geschliffen. Damit die Steighilfe bei seitlich schlabberndem Leertrum (unteres Kettentrum) nicht die Kette erfassen kann und mit hochzieht, wird eine Fase, wie auf dem Foto zu sehen, angebracht.

Eigentlich reicht pro Totpunkt eine Steighilfe, hier sind aus Gründen der Redundanz zwei angebracht. Wenn die Steighilfen sitzen, werden die Schaltgassen in das Kettenblatt gefeilt und die auf die Steighilfen folgenden drei Zähne auf der Außenseite angefast. Dadurch können die Laschen der Kette besser über die Zähne gleiten. Außerdem werden diese drei Zähne haifischrückenflossenförmig angefeilt (wie auf dem Abbild des kleinen Kettenblattes gut zu erkennen). Dadurch können die Kettenrollen leichter ins Bett gleiten.

Umwerfer

Früher wurden bei Half Step plus Granny-Schaltungen Rennumwerfer verwendet, denn MTB-Umwerfer mit ihren weit heruntergezogenen inneren Führungsblechen sind ungeeignet. Das Führungsblech würde gegen das mittlere Kettenblatt stoßen. Lediglich ein Abflexen oder Dremeln (mit einer kleinen Trennscheibe) des unteren Teiles des inneren Führungsbleches verwandelt einen MTB-Umwerfer in einen Half Step plus Granny-tauglichen.

Aktuelle MTB-Umwerfer, die für eine Differenz von 12 Zähnen zwischen mittlerem und großem Kettenblatt vorgesehen sind, bieten dafür nicht genügend Fleisch. Aktuelle Rennumwerfer sind mit indexierenden Schalthebeln und schmalen Käfigen für Zehnfachketten ebenfalls nicht mehr geeignet, da die Kette bei Schräglauf schleifen würde.

Glücklicherweise gibt es seit 2004 auf dem deutschen Markt einen geeigneten Umwerfer, den Suntour XCR 504. Er muß lediglich etwas modifiziert werden um Half Step plus Granny-Getriebe perfekt zu schalten. Dieser Umwerfer ist gleichermaßen für eine Seilanlenkung von oben und unten geeignet. Der Sattelrohrdurchmesser kann 31,8 sowie 34,9 mm betragen. Bei letzterem werden einfach die Distanzhülsenhalbschalen entfernt.

Die Lagerung des Käfigs erfolgt in genormten Kunststoffbundbuchsen. Die Schaltseiltrommel ist in einer nachschmierbaren Messingbuchse gelagert. Der Umwerfer ist für den Einsatz bei MTB-Kurbelgarnituren vorgesehen. Im Prinzip besteht er funktionstechnisch aus einem breiten Rennumwerfer mit einem zusätzlichen inneren Führungsblech, welches beim Überschwenken des mittleren Kettenblattes nach innen, also zum Sattelrohr hin, weggeklappt wird.

Dieses zusätzliche innere Führungsblech würde bei einer Half Step Schaltung möglicherweise gegen das mittlere Kettenblatt stoßen. Außerdem wäre der Widerstand der Rückzugfeder für das separate Führungsblech zu überwinden. Daher wird es entfernt. Die Operation dauert etwa 15 Minuten. Dazu wird die Umbördelung des Lagerbolzens abgebohrt, der Bolzen herausgezogen, das Führungsblech mit der Feder entfernt, der Lagerbolzen angefast und mit einem M4-Gewinde versehen, das Ganze wieder zusammengesteckt, das entfettete Gewinde mit einem Schraubensicherungsmittel (z. B. Loctite) beträufelt und eine M4-Niromutter aufgedreht.

Bild 15: Links der Suntour XCR 504-Umwerfer im Originalzustand, rechts getunt mit dem entfernten Leitblech darunter

Der Besitzer des oben beschriebenen violetten Reiserades, Matthias Gallena, schreibt:

Tja, mit Half Step ist es wie mit der alten Bauernweisheit: »Was der Bauer nicht kennt, frisst er nicht«. Ich kenne meinen Freund Wolfram und seine Bastelleidenschaft schon sehr lange und schätze sie sehr. Doch Half Step war mir immer zu kompliziert. Da muss man ja denken beim Schalten.

Aber nachdem ich anno 1993 aufgrund einer Alpentour bei meinem Rad hinten einen 7-fach 13- bis 26er-Kranz gegen einen 13- bis 34er tauschte, merkte ich doch bei meinen heimatlichen Touren in die Fachhochschule, dass mir etwas fehlt. Gerade bei Gegenwind am Mainufer hatte ich oft nicht den richtigen Gang drin. Entweder war mir die Trittfrequenz zu hoch oder ich ließ Tempo nach.

Daraufhin wurde die vordere Kurbelgarnitur auf Half Step Kombination umgerüstet. Nach anfänglichen Schwierigkeiten (»Mist, jetzt war ich schon auf dem Mittleren und nicht auf dem Großen«) war ich sehr schnell überzeugt. Ich hatte immer den passenden Gang parat. Gerade für Reiseräder ist dies die für mich optimale Übersetzungauslegung. Und mit »Granny«, um nicht auf die Berggänge verzichten zu müssen.

Auch die Art der Wahl des Ganges bzw. das Schaltschema ist sehr einfach. Jedes zweite Mal schaltet man quasi über Kreuz. Zum Beispiel vorne von dem großen Kettenblatt auf das Mittlere, hinten ein Ritzel kleiner und umgekehrt. Das ging früher mit Daumenschalthebeln noch nicht so gut, aber mittlerweile mit Rapidfire-Schalthebeln geht das ohne jedes Problem und rasend schnell. Zwingend erforderlich ist aber eine Ganganzeige für vorne, zumindest am Anfang der Eingewöhnungszeit.

Ich fahre jetzt seit 13 Jahren Half Step Schaltungen und bin immer noch und immer mehr begeistert. Auch mit Kind im Kindersitz hatte ich bei langen wechselnden Steigungen immer den passenden Gang im Taunus parat. Da hatten selbst die Mountainbiker Probleme, da sie entweder in Trittfrequenz- oder Geschwindigkeitslöcher gefallen sind.

Ich möchte kein anderes Schaltungsprinzip mehr fahren und besitze an allen meinen aktiv genutzten Rädern (3 Räder und 1 Tandem) Half Step plus Granny-Getriebe. Für Reiseradler mit Gepäck ist dies von der Übersetzungsbandbreite (Granny) und Abstufung besser als jede industriell angebotene Übersetzung.

Zum Autor

Wolfram Fischer, Frankfurt am Main, ist Maschinenbauingenieur und Inhaber von Bikefish Individualräder. Schwerpunkt seiner Entwicklungen ist die ergonomische Optimierung von Fahrrädern und Komponenten.

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